【正文】 相信在不遠(yuǎn)的將來 ， 可以利用生物生長(zhǎng)技術(shù)控制基因的遺傳形狀特征和遺。 生物制造的概念與內(nèi)容 ∨ ∧ 131 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 有生命的生物體和生物分子與其他無生命的物質(zhì)相比 ， 具有繁殖 、 代謝 、 生長(zhǎng) 、 遺傳 、 重組等特點(diǎn) 。這些菌體的金屬化將會(huì)有以下用途： 構(gòu)造微管道 ， 微電極 、 微導(dǎo)線 菌體排序與固定 ， 構(gòu)造蜂窩結(jié)構(gòu) 、 復(fù)合材料 、 多孔材料 、 磁性功能材料等 。 加工時(shí) ， 可掩膜控制去除區(qū)域利用 ， 利用細(xì)菌刻蝕達(dá)到成形的目的 。 生物去除成形 （ Bioremoving Forming） 生物約束成形 （ Biolimited Forming） 生物生長(zhǎng)成形 （ Biogrowing Forming） （ 2）生物成形制造 生物制造的概念與內(nèi)容 ∨ ∧ 129 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 以氧化亞鐵硫桿菌 T— 9菌株去除純銅 、 純鐵和銅鎳合金等材料為例 ， 說明生物去形的原理 。例如 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法 仿生測(cè)量研究 面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理 設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ) 3）生物控制的仿生 生物制造的概念與內(nèi)容 ∨ ∧ 128 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 目前已發(fā)現(xiàn)的微生物有 10萬種左右 ， 尺度絕大部分為微 /納米級(jí) ， 具有不同的標(biāo)準(zhǔn)幾何外形與亞結(jié)構(gòu) 、 生理機(jī)能及遺傳特性 。 1） 生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生 生物制造的概念與內(nèi)容 ∨ ∧ 126 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 隨著 DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制的解密，借鑒基因技術(shù)的成果應(yīng)用于制造領(lǐng)域，依靠生物 DNA的自我復(fù)制，如何利用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同的物理力學(xué)性能、生物材料和非生物材料的有機(jī)結(jié)合，并根據(jù)生成物的各種特征， 采用人工控制生長(zhǎng)單元體內(nèi)的遺傳信息為手段 ，直接生長(zhǎng)出任何人類所需要的產(chǎn)品，如人或動(dòng)物的骨骼、器官、肢體，以及生物材料結(jié)構(gòu)的機(jī)器零部件等，將是這個(gè)方向的創(chuàng)新及前沿問題。 ② 類生物智能體的制造 ： 利用可以通過控制含水量來控制伸縮的高分子材料 ， 能夠制成人工肌肉 。 歸納下來 ， 目前有如下兩方面 6個(gè)研究方向： （ 1） 仿生制造 ? 生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生 ? 生物遺傳制造 ? 生物控制的仿生 3. 生物制造工程的研究方向 生物制造的概念與內(nèi)容 （ 2）生物成形制造 ? 生物去除成形 ? 生物約束成形 ? 生物生長(zhǎng)成形 ∨ ∧ 125 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 包括 生物活性組織的工程化制造 和 類生物智能體的制造 。 2. 生物制造的發(fā)展前景 生物制造的發(fā)展 ∨ ∧ 122 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 1. 生物制造的概念 清華大學(xué)顏永年教授等把 生物制造定義 為： 通過制造科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合，在微滴、細(xì)胞和分子尺度的科學(xué)層次上，通過受控組裝完成器官、組織和仿生產(chǎn)品的制造之科學(xué)和技術(shù)總稱。 在醫(yī)療方面 ， 三維生物組織培養(yǎng)技術(shù)不斷突破 ， 人體各種器官將能得到復(fù)制 ， 會(huì)大大延長(zhǎng)人類的生命 。 在納米技術(shù)方面 ， 實(shí)現(xiàn)納米尺度上裁剪或連接 DNA雙螺旋 ， 改造生命特征 。 我國(guó)在 2023年 3月和 2023年 7月 ， 先后兩次召開了全國(guó)生物制造工程學(xué)術(shù)研討會(huì) ， 專家們探討的主要問題有： ① 生物制造工程的定義 、 內(nèi)涵及意義； ② 生物醫(yī)學(xué)工程與生物制造的聯(lián)系； ③ 生物制造的研究特點(diǎn) 、 方向及方法； ④ 生物制造的應(yīng)用領(lǐng)域 。 我國(guó)于 1982年將生物技術(shù)列為八大重點(diǎn)技術(shù)之一 。 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 119 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 生物制造 ? 生物制造的發(fā)展 ? 生物制造的概念與內(nèi)容 ? 生物制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 120 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 日本三重大學(xué)和岡山大學(xué)率先開展了生物技術(shù)用于工程材料加工的研究 ， 并初步證實(shí)了微生物加工金屬材料的可行性 。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，藉由液滴在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面，這樣的能力勝過人類的任何清潔科技。而此細(xì)致的表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度達(dá)微米至納米尺寸的大小。 ∨ ∧ 117 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 9. 納米材料的蓮花效應(yīng) 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 118 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 9. 納米材料的蓮花效應(yīng) 經(jīng)過科學(xué)家的察研究，荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。 ∨ ∧ 116 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 8. 原子操縱術(shù) 微納制造應(yīng)用案例 將一顆一顆的鐵原子團(tuán) ,在 Cu(111)表面上排列成“原子”二字。如果對(duì)這種現(xiàn)象善加利用，就能對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行操作，從而將它們逐個(gè)按特定結(jié)構(gòu)“組裝”成納米機(jī)械。探針與被觀測(cè)樣品并不接觸，而是在其上方來回掃描，當(dāng)距離很近（約 10埃），針尖跟表面的偏壓雖不大，但所產(chǎn)生的電場(chǎng)可不容忽視。 ∨ ∧ 115 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 8. 原子操縱術(shù) 原子操縱術(shù)可說是 STM (掃描穿透顯微鏡 )的專長(zhǎng)，該工具具備微小且精密的操控能力。 微納制造應(yīng)用案例 由日本 Morinobu Endo教授所領(lǐng)導(dǎo)的科技研究小組，于 2023年 2月初發(fā)表，利用納米材料的組成，于現(xiàn)有的制作技術(shù)，已成功研制出世界上最小的齒輪。 6. 納米生物科技 分子馬達(dá) 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 114 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 7. 納米齒輪 Nano Gear 此外，科學(xué)家利用苯甲基與 C60的鍵結(jié)形成分子齒輪的雛型。 研究人員相信，像這樣的微型分子馬達(dá)可作為納米機(jī)器人或其它納米組件零件的一部分，它的潛在應(yīng)用價(jià)值是非常之大的。該生物分子馬達(dá)是以 200nm長(zhǎng)、 80nm直徑寬的金屬鎳為軸，并以分子 (F1腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素 )作為馬達(dá)，而以長(zhǎng) 750nm、直徑為 150nm的鎳作為螺旋槳。這種技術(shù)在超大規(guī)模集成電路微型裝置鑲嵌中大有用武之地。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就會(huì)根據(jù)需要很好地結(jié)合在一起。山下教授受此啟發(fā)，先在微型零件表面涂上化學(xué)物質(zhì)，讓他們具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。 ∨ ∧ 112 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 5. 微型機(jī)械零件“自組織化”裝配技術(shù) 東京大學(xué)山下勛教授日前開發(fā)出一種微型機(jī)械零件“自組織化”自動(dòng)裝配技術(shù)，利用自然界的“自組織化”現(xiàn)象把散亂零件結(jié)合到一起，對(duì)提高工作效率、增加微型機(jī)械產(chǎn)量大有幫助。 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 111 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 4. 以微型加工技術(shù)制造的機(jī)械耳蝸 微納制造應(yīng)用案例 機(jī)械耳蝸的作用原理與生物耳蝸相同，以薄膜結(jié)構(gòu)模仿基底膜構(gòu)造。 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 110 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 3. 世界最小的微型機(jī)械人 美國(guó)山迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 ,成功研制了世界最小的微型機(jī)械人，其只有 1/4立方寸，體重小於 1盎司。 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 108 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 1. 電子束光刻加工技術(shù) 微納制造應(yīng)用案例 ∨ ∧ 圖 619 電子束光刻加工過程 109 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 2. 微型機(jī)械昆蟲 加州大學(xué)布克萊分校的學(xué)者花了三年時(shí)間，研究自然界昆蟲的特別飛行方式，并根據(jù)這種非穩(wěn)定速度模式的氣動(dòng)學(xué)原理，制造了只有 25 毫米寬 (從一翼端至另一翼端 ) 的微型機(jī)械昆蟲。 隨之 ， 在基片上形成電路 有兩種處理辦法： ① 用離子束濺射去除 ， 可得到凹形電路 。 集成電路之所以能飛速發(fā)展 ， 光刻技術(shù)的支持起到了極為關(guān)鍵的作用 。 納米加工技術(shù) ∨ ∧ 106 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 目前 ， 集成電路已經(jīng)從 20世紀(jì) 60年代的每個(gè)芯片上僅幾十個(gè)器件發(fā)展到現(xiàn)在的每個(gè)芯片上可包含約 10億個(gè)器件 ， 其集成度每 3年提高 4倍 。 納米加工技術(shù) ∨ ∧ 105 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 6）分子裝配技術(shù) 20世紀(jì) 80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微鏡（ Scanning Tunneling Microsoft， STM）以及后來在 STM基礎(chǔ)上派生出來的原子力顯微鏡（ Atomic Force Microsoft， AFM），使觀察分子、原子的結(jié)構(gòu)從宏觀世界進(jìn)入了微觀世界。 納米加工技術(shù) ∨ ∧ 103 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 4）超微機(jī)械加工和電火花線切割加工 用小型精密金屬切削機(jī)床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級(jí)尺寸左右的微機(jī)械零件，是一種三維實(shí)體加工技術(shù)，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，費(fèi)用較高。 納米加工技術(shù) ∨ ∧ 102 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 3）集成電路（ IC）技術(shù) 集成電路（ IC）技術(shù)是一種發(fā)展十分迅速且較成熟的制作大規(guī)模電路的加工技術(shù)，在微機(jī)械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術(shù)。 納米加工技術(shù) ∨ ∧ 圖 618 LIGA法的工藝過程 a） 涂覆光致抗蝕劑 b） X射線曝光蝕刻 c） 電鑄 d） 微鑄件 e） 注射成形零件 d） 101 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 2）半導(dǎo)體加工技術(shù) 半導(dǎo)體加工技術(shù)即半導(dǎo)體表面和立體的微細(xì)加工，指在以硅為主要材料的基片上進(jìn)行沉積、光刻與蝕刻的工藝過程。 ⑤采用層積增生法，如曲面的磁膜鍍覆，多層薄膜鍍覆和液滴層積。 ③采用光、聲等能量加工法，如微細(xì)激光束加工、微細(xì)超聲加工。 微系統(tǒng)研究領(lǐng)域的前沿關(guān)鍵技術(shù)有： 微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 微細(xì)加工技術(shù) 微系統(tǒng)組裝和封裝技術(shù) 微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù) ∨ ∧ 99 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 納米加工技術(shù) 納米加工技術(shù)主要有 5個(gè)方面 ： ①采用微化的定形整體刀具或非定形磨料工具進(jìn)行機(jī)械加工：如車削、鉆削、銑削和磨削。 微納制造的發(fā)展 ∨ ∧ 98 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 微系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 微系統(tǒng)是一個(gè)新興的 、 多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域 ，其涉及許多關(guān)鍵技術(shù) 。 ?在工業(yè)領(lǐng)域 ， 在管路檢修和飛機(jī)內(nèi)部檢修等狹窄空間和惡劣環(huán)境下進(jìn)行診斷和修復(fù)工作 。 ?傳感器和調(diào)配藥劑量的 “ 藥劑師 ” 集于一身 ， 制成微型 “ 智能藥丸 ” ，通過口服或皮下注射進(jìn)入人體 ， 用以探測(cè)和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞 。 2） 納米技術(shù) 是指納米級(jí) ~100nm的材料 、 設(shè)計(jì) 、加工 、 測(cè)量 、 控制和產(chǎn)品的技術(shù) 。 它以微米尺度理論為基礎(chǔ) ， 用批量化的微電子技術(shù)和三維加工技術(shù)來完成信息獲取 、 處理及執(zhí)行等功能 。 3）磁流體拋光 超精密加工技術(shù)的原理及特點(diǎn) ∨ ∧ 95 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 微納制造 ? 微納制造的發(fā)展 ? 微系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) ? 納米加工技術(shù) ? 微納制造例子 ∨ ∧ 96 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 微納制造技術(shù)是關(guān)于微系統(tǒng)和納米技術(shù)的統(tǒng)稱 。 其最小切除量可以達(dá)原子級(jí) ， 即可小于 ， 直至切去一層原子 ， 而且被加工表面的晶格不致變形 ， 能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面 。 應(yīng)用：超精密研磨常作為精密塊規(guī)、球面空氣軸承、半導(dǎo)體硅片、石英晶體、高級(jí)平晶和光學(xué)鏡頭等零件的最后加工工序。 92 第 6 章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 先進(jìn)制造系統(tǒng) 1）研磨是在被加工表面和研具之間置以 游離磨料和潤(rùn)滑液 ，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處，使被加工表面的精度得以提高 (可達(dá) ) ，表面粗糙度參數(shù)值