home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1990 / 1990 Time Magazine Compact Almanac, The (1991)(Time).iso / time / 112089 / 11208900.077 < prev    next >
Text File  |  1990-09-19  |  10KB  |  179 lines

  1. TECHNOLOGY, Page 108The Incredible Shrinking MachineBreakthroughs in miniaturization could lead to robots the sizeof a fleaBy Philip Elmer-Dewitt
  2.  
  3.  
  4.     To the naked eye, the object mounted on a postage stamp-size
  5. wafer and held aloft by a pair of tweezers is all but invisible.
  6. Even under a bright light, it looks like nothing more than a speck
  7. of dust. But magnified 160 times in an electron microscope, the
  8. speck begins to take on shape and function: a tiny gear with teeth
  9. the size of blood cells. "You have to be careful when handling
  10. these things," warns Kaigham Gabriel, an engineer at AT&T Bell
  11. Laboratories. "I've accidentally inhaled a few right into my
  12. lungs." 
  13.  
  14.     The miniaturization of technology, having made extraordinary
  15. progress in the 40 years since the invention of the transistor, is
  16. about to make another shrinking leap. Adapting the chipmaking
  17. equipment used to squeeze millions of electrical circuits onto
  18. slivers of silicon, researchers are creating a lilliputian tool
  19. chest of tiny moving parts: valves, gears, springs, levers, lenses
  20. and ball bearings. One team at the University of California,
  21. Berkeley, has already built a silicon motor not much wider than an
  22. eyelash that can rotate 500 times a minute. 
  23.  
  24.     Welcome to the world of microtechnology, where machines the
  25. size of sand grains are harnessed to do useful work. Huge numbers
  26. of microscopic sensors are already employed to measure the
  27. temperature, air pressure and acceleration of airplanes and
  28. automobiles. Delco Electronics alone sells 7 million silicon
  29. pressure sensors a year to its parent company, General Motors, for
  30. use in power-train controls and diagnostics. But scientists at
  31. Berkeley, Stanford, M.I.T., AT&T, IBM and a handful of other
  32. research centers around the world see much broader possibilities
  33. for minuscule machines. They envision armies of gnat-size robots
  34. exploring space, performing surgery inside the human body or
  35. possibly building skyscrapers one atom at a time. "Microelectronics
  36. is on the verge of a second revolution," says Jeffrey Lang, a
  37. professor of electromechanics at M.I.T. "We're still dreaming of
  38. applications."
  39.  
  40.     A report to the U.S. National Science Foundation last year
  41. listed dozens of near-term uses for the new micromachines. Among
  42. them: 
  43.  
  44.     Tiny scissors or miniature electric buzz saws to assist doctors
  45. performing microsurgery.
  46.  
  47.     Micro-optical systems to focus lasers to the precision required
  48. for fiber-optic communication. 
  49.  
  50.     Miniature machine parts that could drive a new generation of
  51. tiny tape recorders, camcorders and computers. 
  52.  
  53.     Engineers and industrialists are rushing to put the new
  54. technologies to use. M.I.T. has invested $20 million in a new
  55. fabrication facility for micromachining and microelectronics.
  56. Japan's Ministry of International Trade and Industry is considering
  57. allocating nearly $70 million for the development of medical
  58. microrobots. "I'm absolutely amazed at how fast this field has
  59. progressed," says George Hazelrigg, a program director at the NSF,
  60. the Government agency spearheading the U.S.'s micromechanics
  61. effort.
  62.  
  63.     Human interest in tiny machines dates back to the clockwork
  64. toys of the 16th century. But it was not until this century that
  65. making things smaller became a matter of military and economic
  66. survival. Spurred by the cold war and the space race, U.S.
  67. scientists in the late 1950s began a drive to shrink the
  68. electronics necessary to guide missiles, creating lightweight
  69. devices for easy launch into space. It was the Japanese, though,
  70. who saw the value of applying miniature technology to the consumer
  71. market. In his book Made in Japan, Akio Morita tells how he proudly
  72. showed Sony's $29.95 transistor radio to U.S. retailers in 1955 and
  73. was repeatedly asked, as he made the rounds of New York City's
  74. electronics outlets, "Who needs these tiny things?"
  75.  
  76.     American manufacturers eventually learned what the Japanese
  77. already knew: that new markets can be created by making things
  78. smaller and lighter. (The popular phrase in Japan is
  79. kei-haku-tan-sho -- light, thin, short and small.) Ten years ago,
  80. Black & Decker scored big when it shrank the household vacuum
  81. cleaner from a bulky 11.2 kg (30 lbs.) to a 0.75-kg (2-lb.) device
  82. dubbed the Dustbuster. Tandy and Apple Computers put the power of
  83. a room-size computer into something resembling a
  84. television-typewriter and created an industry worth $75 billion a
  85. year. 
  86.  
  87.     Now these breakthrough products look hopelessly oversize. Last
  88. month Compaq unveiled a 2.2-kg (6-lb.) full-powered portable
  89. computer that fits in a briefcase. Sharp and Poqet make even
  90. smaller models that slip into a suit pocket. Today there are fax
  91. machines, radar detectors, electronic dictionaries, cellular
  92. telephones, color televisions, even videotape recorders that fit
  93. comfortably in the palm of a hand.
  94.  
  95.     With the advent of silicon gears, springs and cantilevers,
  96. machines will become smaller still. These miniature moving parts
  97. can be etched on silicon using a variation on the photolithographic
  98. technique used to make computer chips. To build a tiny rotating
  99. arm, for example, layers of polysilicon and a type of glass that
  100. can be removed with acid are deposited on a silicon base. A hole
  101. for the hub is lined with the glass and then filled with
  102. polysilicon. When the glass is etched away, the hub remains and the
  103. arm is free to spin around its axis. 
  104.  
  105.     Sensors like those made by Delco were the first to combine
  106. microelectronics and micromachines on one chip. The typical
  107. microsensor is a thin silicon diaphragm studded with resistors.
  108. Because the electrical resistance of silicon crystals changes when
  109. they are bent, the slightest stress on the diaphragm can be
  110. registered by the resistors and amplified by electronic circuits. 
  111.  
  112.     As prices drop, these devices will become ubiquitous. By 1995
  113. the typical car may contain as many as 50 silicon sensors
  114. programmed to control antilock brakes, monitor engine knock and
  115. trigger the release of safety air bags. Similar sensors are already
  116. employed in the space shuttle Discovery to measure cabin and
  117. hydraulic pressures and gauge performance at more than 250 separate
  118. points in the craft's main engines. 
  119.  
  120.     Medical applications are also being rapidly developed.
  121. Researchers at Maryland's Johns Hopkins have made a pill slightly
  122. larger than a daily vitamin supplement that has a silicon
  123. thermometer and the electronics necessary to broadcast instant
  124. temperature readings to a recording device. By having a patient
  125. swallow the pill, doctors can pinpoint worrisome hot spots anywhere
  126. within the digestive tract. Future "smart pills" may transmit
  127. information about heart rates, stomach acidity or neural functions.
  128. Says Russell Eberhart, program manager at Johns Hopkins' Applied
  129. Physics Laboratory: "This could change the way we diagnose and
  130. monitor patients."
  131.  
  132.     Researchers at Tokyo University are pursuing an even more
  133. ambitious goal. Working under Iwao Fujimasa, an artificial-heart
  134. specialist, a team of 20 scientists is building a robot less than
  135. 1 mm (0.045 in.) in diameter that could travel through veins and
  136. inside organs, locating and treating diseased tissue. The group
  137. hopes to build a prototype within three years for testing on a
  138. horse, but the researchers first must obtain gears, screws and
  139. other parts 1,000 times smaller than the tiniest available today. 
  140.  
  141.     The ultimate fantasy of the miniaturists is tiny robot
  142. "assemblers" that could operate at the atomic level, building
  143. finished goods one molecule at a time. This is the far-reaching
  144. goal of an embryonic discipline called nanotechnology, so named
  145. because it would require manipulating objects measured in
  146. billionths of a meter (nanometers). In Engines of Creation, the
  147. nanotechnologist's bible, K. Eric Drexler envisions a world in
  148. which everything from locomotives to cheeseburgers is assembled
  149. from molecular raw materials, much as proteins are created from
  150. their amino-acid building blocks by the machinery of a living cell.
  151.  
  152.     Working with microscopic machines presents special challenges
  153. to scientists. Not only do they risk inhaling their tools or
  154. scattering them with a sneeze, but they also have to cope with a
  155. new set of physical laws. The problem of friction, for instance,
  156. looms ever larger as parts get smaller. The tiniest dust speck can
  157. seem like a boulder. Rotating a hair-width dynamo through air
  158. molecules, says AT&T's Gabriel, "is like trying to spin gears in
  159. molasses."
  160.  
  161.     But the payoff can be enormous. As electronics manufacturers
  162. have discovered, the laws of economics at the micro level are as
  163. different as the laws of physics. A manufacturer might spend a
  164. small fortune putting hundreds of moving parts and circuits onto
  165. a single silicon chip. But when that chip goes into large-scale
  166. production and millions of copies are made, the economies of scale
  167. take over, and development costs virtually disappear.
  168.  
  169.     Unfortunately, there is a limit to how many transistors can be
  170. squeezed onto the surface of a chip. Thus the attraction of
  171. micromachines. They give engineers a way to shrink the moving parts
  172. of a device rather than trying to shrink its computer controls
  173. further. Some experts believe that within the next 25 years
  174. micromachinery will do for machines what microelectronics did for
  175. electronics. Given the progress over the past quarter-century, that
  176. is saying a lot. 
  177.  
  178.   
  179. -- Scott Brown/San Francisco and Thomas McCarroll/New York