JP2004518544A - パターン化された粒状運動を用いるロボット的操作システム - Google Patents
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Abstract
対象物（１３０）のロボット的操作システム（１００、１００’、１００’’）及び方法は、粒子（１１０、１１０’）のパターン化された粒状運動を設定するために、粒子（１１０、１１０’）がエネルギの転送によって掻き混ぜられるものを提供する。粒子（１１０、１１０’）のパターン化された粒状運動は、定常波（１１２）を形成する。対象物（１３０）は、定常波（１１２）にそれらの位置を合わせ、従って、定常波（１１２）の位置によって設定された形態で動的に配置される。定常波（１１２）の位置を、エネルギ応用システム（１４０）へ印加された信号の波形を制御することによって、予め設定することができる。所定の波形は、信号源（１５０、１５４）からエネルギ応用システム（１４０）へ供給される。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の対象物（ｏｂｊｅｃｔｓ）のロボット的操作（ｒｏｂｏｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）のためのパターン化された粒状運動（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍｏｔｉｏｎ）の使用に関する。特に、本発明は、パターン化された粒状運動現象の使用に関し、粒子へ転送されるエネルギの波形を制御することによって、複数の粒子の定常波が位置付けられる。更に、特に、本発明は、この分子が粒子として用いられるパターン化された粒状運動の使用に関し、分子における帯電と、それらに印加される電界との間の相互作用によって、分子が掻き混ぜられる。更に、本発明は、ナノメータ寸法の組立体又はシステムの形成に関し、それら粒子へエネルギを転送することによってパターン化された粒状運動が誘発されたときに設定された粒子の定常波により形成された電界によって、ナノメータサイズの部品が動的に配列される。
【０００２】
【従来の技術】
個別デバイスから、常に複雑に増大するパッケージ回路及びシステムへの固体電子の発達は、全体として回路素子の複雑な組み合わせを生産することを可能にすることに、一部で成功している。同時に、多様な同じ回路を生産する機能は、工業的及び商業的な使用に対して、回路のコスト面において魅力的な効果を提供する。更に小さい部品及び回路パターンを使用するこのような回路の発達は、このような固体デバイスに対する大量生産方法の限界が迫ってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
単分子によって形成されたナノ寸法の電子部品及び回路が実現されている現在において、ナノ寸法の回路及びシステムの組立てに対して大量生産技術が必要となっている。現在、走査トンネル顕微鏡又は原子間力顕微鏡を用いる機械合成物（ｍｅｃｈａｎｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）は、分子ワイヤと、ある時間に１つのナノ寸法の回路を連続に生産するデバイスとを操作するために用いられる。化学合成物が、同時に多数の分子回路を製造する見込みがあるのに対し、生産された各回路を分離する方法は、今のところ発達していない。従って、ナノ寸法で集積されたような多数の回路構造を同時に生産することが可能な現実的な方法は存在しない。同様に、ナノ寸法の多数の機械的組立体又は量子システムを同時に組立てることが可能な現実的な方法も存在しない。
【０００４】
パターン化された粒状運動が最近発見され、粒状媒体の薄層に観察される特有の機械的動作が、周期的な垂直発振にさらされる。この現象は、粒状媒体の定常波の形態によって特徴付けられる。薄い粒状層に垂直発振の応用によって、これら定常波が発生する。定常波の特有のパターンを、正方形、縞、波形及び六角形のようなパターンで形成でき、従って遠方で特定できる。
【０００５】
粒子は、通常、０．０５〜３ｍｍの範囲の径を有するガラス又は金属の球体によって形成される。現在のところパターン化された粒状運動の関心は、工業的な用途に重要性がなく、実質的に学術的なところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の目的は、パターン化された粒状運動の現象を用いて、大量効果のロボット的操作のためのシステム及び方法を提供することである。複数の対象物のロボット的操作システムは、その中に対象物を受け入れるコンテナを含む。複数の粒子はコンテナ内に配置され、複数の粒子へエネルギを印加する組立体は、パターン化された粒状運動を設定するために設けられ、それにより複数の反復垂直方向定常波を形成する。信号発生器は、互いに所定の位置に定常波を動的に位置付けるために、所定の波形を有するエネルギを供給するエネルギ応用組立体に接続されたものを提供する。定常波の所定の位置は、所定の形態で対象物を配列する。別の見地から、複数の対象物のロボット的操作方法が提供され、コンテナを備え、複数の粒子を該コンテナ内に備える。操作すべき複数の対象物が、コンテナに加えられ、定常波パターンを発生する所定の波形を有するエネルギによって複数の粒子が掻き混ぜられる。粒子の定常波パターンは、対象物を動的に配列する。基板は、対象物の接着に適合し、コンテナ内に位置付けられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１〜図１１を参照すると、パターン化された粒状運動を用いて対象物を動的に操作するロボット的操作システム１００及び１００’が表されている。以下の段落から理解できるように、ロボット的操作システム１００及び１００’は、具体的に、並行して多数の構造を組立てるための、対象物の大量一括操作の概念に関する。ロボット的操作システム１００’は、特に、ナノメータ寸法の組立体又はシステムの応用に関する。これは、回路パターンを備え、分子電子デバイスを位置付け、機械的構造を形成し、又は、互いに位置付けることによって分子を並べ替える、分子の動的配列のようなものである。
【０００８】
特に、図１及び図３を参照すると、システム１００は、複数の粒子１１０がコンテナ１２０内に配置されていることを表している。エネルギ応用システム１４０は、底面壁１２２のような、コンテナ１２０の少なくとも１つの壁を振動させるために、コンテナ１２０にエネルギを印加する。壁１２２の振動は、複数の反復垂直方向定常波１１２を形成し、粒子１１０におけるパターン化された粒状運動を設定する。定常波１１２の粒子パターンを達成するために、複数の壁を振動させることができる。また、コンテナ１２０内には、操作されるべき複数の対象物１３０が備えられる。定常波１１２の粒子１１０と対象物１３０との間の衝突は、定常波と対応関係にある対象物を動的に配列する。定常波が「縞状」に形成される場合、対象物の列が実現され得る。複雑な波形で印加されるエネルギを用いて定常波パターンを形成することによって、定常波は、所定の位置に配置され得る。
【０００９】
エネルギ応用システム１４０は、信号源１５０によって駆動される１つ以上の振動アクチュエータ１４２を含んでもよい。振動アクチュエータ１４２は、例えばコンテナ壁１２２に機械的に結合された、電気機械デバイス又は圧電デバイスであってもよい。圧電デバイスが、交互に、一体構造の形態における底面壁の構造に組み込まれてもよい。信号源１５０は、少なくとも１つの信号発生器１５４を含み、その発生器１５４は、振動アクチュエータ１４２を駆動する所定の波形を有する電気信号を出力する機能を持つ。信号発生器１５４から出力される信号は、粒子媒体１１０の不均等な空間定常波を形成する非正弦波発振信号であってもよい。
【００１０】
図３Ａに表されたように、エネルギ応用システム１４０は、複数の振動アクチュエータ１４２ａ〜１４２ｎによって形成されてもよく、その各々は、信号源１５０によってそれぞれ駆動される。信号源１５０は、複数の出力を有する単一信号発生器によって形成されてもよく、又は、図に表されているように、複数の信号発生器１５４ａ〜１５４ｎによって形成されてもよい。信号発生器１５４ａ〜１５４ｎ各々は、振動アクチュエータ１４２ａ〜１４２ｎにそれぞれ結合される出力１４５ａ〜１４５ｎを有する。コンテナ１２０内の媒体によって形成され、結果として生じた振動パターンに連係するために、信号発生器１５４ａ〜１５４ｎは、コントローラ１５２に結合される。該コントローラは、各信号発生器１５４ａ〜１５４ｎへコマンド信号を出力し、それら信号発生器から状態を受信することもできる。コントローラ１５２は、信号発生器を制御するためにプログラムされたマイクロプロセッサ又はパーソナルコンピュータであってもよい。複数の振動アクチュエータ１４２ａ〜１４２ｎは、別個のデバイスであってもよく、コンテナの１つ以上の壁に一体的に形成されていてもよい。
【００１１】
図４に加えて、図３に戻って参照すると、コンテナ１２０内の粒子１１０に印加されたエネルギは、垂直定常波１１２を設定する。定常波１１２は、複数の対象物１３０と衝突することによって該対象物１３０を同時に機械的に操作する。複数の衝突が、各定常波の粒子とそれぞれの対象物１３０との間に発生し、定常波と対応関係にある対象物を動的に位置付けるために、矢印方向１０２によって表されたように対象物に力を印加する。従って、定常波が特定パターン（例えば、縞、正方形、六角形等）を設定するところで、対象物１３０は、それらのパターンと対応関係にあるように動的に配列され得る。粒子１１０に印加されたエネルギの波形及び周波数を制御することによって、所望されるようにパターンが設定され得る。操作される対象物は、例えば、集積回路チップ、個別の回路部品、導電素子又は機械部品にすることができる。対象物の動的配列は、同時に形成された、複数の実質的に同じ回路又はパターンを表すことができる。同様に、操作される対象物は、複数の実質的に同じ機械的組立体又はシステムに組立てられる機械的部品にすることができる。図７の実施形態に対して記載されているように、基板１３４は、コンテナ１２０に位置付けられ、対象物１３０を接着するように適合される。
【００１２】
ミクロン寸法の粒子にエネルギを印加することによって、ミクロン寸法に下がったコンテナ１２０内の垂直振動を介して、粒子の粒状動作が設定される。しかしながら、ナノメータ寸法の対象物を操作するためには、従来達成されていない、ナノメータ寸法の粒子におけるパターン化された粒状運動を設定することが必要となる。
【００１３】
ナノメータ寸法の粒子の間でパターン化された粒状運動を誘導することに関して、コンテナの壁への衝突を介してナノメータ寸法の粒子を収集するためにエネルギを印加することに係る複数の問題がある。コンテナの発振壁の難点は、粒子の側面の跳ね返り速度における異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を生じることである。発振壁の通常の力では、粒子を越えるナノメータ寸法で均一に分布されそうになく、衝突に基づいて破壊する低破壊エネルギ（ｌｏｗ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｎｅｒｇｉｅｓ）を有する粒子を生じる。更に、物理的発振壁の制御の正確さは、ナノメータ寸法の空間で定常波を発生する必要があり、現在の技術のトランスデューサで達成することは容易ではない。
【００１４】
これら問題を解決するために、線１０５によって表された空間均等電界は、図５で説明されたように、コンテナ１２０の一部分１０８に適用される。帯電された粒子１１０’を用いて、発振電界は、粒子を垂直に加速する垂直振動表面をエミュレートする。このような小さいサイズの粒子を用いることは、解決しなければならない別の問題を導出する。ブラウン運動は最小にしなければならず、内部粒子衝突は適切な損失エネルギを必要とし、それらの粒子は、細分化なしに衝突に耐えるために十分な構造強度のものである。用いるために選択されるナノメータ寸法の粒子であって、パターン化された粒状運動が発振電界を用いて設定されるその粒子は、閉ケージ構造を有する単分子である。このような閉ケージ構造は、Ｃ６０分子に見られ、その構造は実質的に球状である。Ｃ８０、Ｃ１４０、Ｃ１８０及びＣ２４０のような同じ特性を有する他の分子もまた、ナノメー寸法の粒子として提供され得る。バックミンスターフラーレン分子又は「バッキーボール」として公知のＣ６０分子は、帯電されることができ、パターン化された粒状運動が設定されたとき発生する多数の衝突に耐えるために、十分な強度を有する。図２に説明されたように、バックミンスターフラーレン分子は、粒子１１０’として用いられる。また、１つ以上の発振電界の応用によって、機械的に加速されたより大きい粒子と分かるものに対応する垂直定常波１１２を設定する。
【００１５】
垂直方向に粒子１１０’を加速させるために、粒子１１０’は帯電され、システム１１０’のエネルギ応用システム１４０は、電界放射システム１４５を含む。このシステム１４５は、それらの中に１つ以上の発振電界を設定するコンテナ１２０の近傍に配置される複数の電極を有する。粒子１１０’は、少なくとも２つの電極プレートの間に配置され、所定の波形を有する電気信号が、信号源１５０から印加される。その配列は、粒子におけるパターン化された粒状運動を設定するために、垂直振動表面をエミュレートする。粒子１１０’の垂直定常波１１２は、ナノメータ寸法の対象物１３０を動的に配列することになる。しかしながら、機械的衝突によって操作される代わりに、ナノメータ寸法の対象物、径又は最小寸法が１０ミクロンよりも小さいサイズの対象物が、クーロン電界によって操作される。
【００１６】
コンテナ１２０内で要求される電界を設定することに使用する電極配列の一例として、図５Ａが参照図面となる。帯電された粒子１１０’の加速は、コンテナ１２０を囲み、逆に帯電された電極プレート１４４及び１４６の間に形成された電界によって達成される。プレート１４４及び１４６は環状になるように描かれている一方で、このようなものは単なる例であり、具体化された発明思想から離れることのない、多数の異なる外形で形成されていてもよい。
【００１７】
更に図６を参照すると、プレート１４４及び１４６の間に設定された発振電界は、帯電された粒子１１０’にエネルギを印加する。印加されたエネルギは、発振するが、必ずしも周期的ではない。これにより形成された各定常波は、それぞれの対象物１３０における測定可能なクーロン力を作用させるそれぞれの電界１０６を設定する。それら対象物は、それぞれの電界１０６と相互作用する電界１０４を有する。
【００１８】
操作すべき対象物１３０は、対象物の所定の配列又は対象物の変形を設定するために、帯電されなくてもよいし、又は、粒状定常波１１２の帯電極性と同じ又は反対のどちらか一方の極性に帯電する。対象物１３０が、帯電し、代表的な定常波１１２の極性と反対の極性を有する場合、引力が、それらの間に設定される。以下の段落で説明されるように、特定のパターンに対象物を正確に配列するのと反対に、対象物を所定の形態に変形するために、又は、電荷の差を用いて対象物を並び替えるために、コンテナ１２０内に発生した定常波のパターンによって設定されたクーロン電荷が用いられ得る。
【００１９】
戻って図５Ａを参照すると、電極プレート１４４及び１４６は、信号源１５０に電気的に接続される。信号源は、コンテナ１２０内に粒子１１０’の所望の定常波パターンを設定するために、所定の波形を有する発振信号を出力する。図３及び図３Ａに関して説明されたように、信号源１５０は、内部に又は外部コントローラの使用を介して、要求された波形パターンを合成するようにプログラム可能な１つ以上の信号発生器によって形成されてもよい。発生した信号の波形はフーリエ列として表現されてもよく、その係数は、所望の形状の出力信号波形を出力するように選択される。プレート１４４及び１４６に印加される信号の波形の形状を制御することにより、粒子の定常波の配置が制御され得る。それゆえ、定常波によって発生した電界の形状又はトポロジもまた、制御され得る。粒子１１０’の定常波によって発生した電界の形状又はトポロジを制御することによって、対象物１３０は、所定のパターンに、又は公知の方法で操作される他のパターンに、配列され得る。
【００２０】
定常波の配置は、更に、コンテナ１２０内に設定された多数の電界の組み合わせによって制御されてもよい。電極プレート１４４及び１４６の間に設定された電界に加えて、追加電界は、それぞれ対向する側面電極１４３の対の間に設定され、電極１４３はコンテナ１２０の近傍に加えられてもよい。複数の側面電極１４３は、一緒に、コンテナ１２０を実質的に囲み、その各々は、所定の波形を有する信号によって分かれて励磁される。他の実施形態によれば、プレート１４４及び１４６は、複数のセクションに更に分割され、その各々は、分かれて励磁される。配列は、単独で用いられるか、又は、複数の側面電極１４３との組み合わせで用いられる。また、配列は、図３Ａの実施形態の複数の垂直アクチュエータの使用と類似する。
【００２１】
達成可能な制御率の説明として、図６Ａに表された３次元プロット図がある。プロットは、コンピュータシミュレーションによって得られた電界強度の分布を描いている。シミュレーションは、粒子の定常波の分布に対応して、クーロン電界が、所定のパターンで分布し得ることを表している。定常波の分布は、コンテナ内に設定された電界強度パターンによって制御される。
【００２２】
ここに開示された方法及びシステムによって操作されるであろうナノメータ寸法の対象物は、分子ダイオード、分子トランジスタ、分子論理デバイス、又は単分子によって形成される他の回路を含む。「ワイヤ」として機能する分子構造を有するような分子は、医薬／生薬学論理等に重要性を有する。量子コンピュータの部品、別の新規なタイプのナノコンピュータ、及びナノマシンもまた、この方法によって操作されかつ組立てられることになる。
【００２３】
単分子から形成される電子デバイス及び回路の開発で関心が非常に高い一方で、分子及び他のナノメータ寸法の回路をより複雑な機能と組み合わせる、内部接続導電素子として機能し得る構造に非常に関心が高い。１つの期待される導電要素は、カーボンナノチューブである。分子１１０’の定常波の位置の調整によって、ナノチューブのような対象物が、所定の電気回路パターンに配置され得る。その回路パターンに用いるために、ナノチューブ１３０は、より複雑な回路に組み合わされる分子回路素子と同様に、基板に適用する必要がある。
【００２４】
図７を参照すると、対象物１３０を基板に適用する１つの方法が表されている。この例において、基板１３４は対象物１３０の上部に配置され、基板１３４の下側表面は、対象物を接着するように適合される。このような適合は、対象物１３０の構成に対して相性の良い基板材料を選択する形態からなってもよい。それは、対象物１３０と基板１３４との間の接着剤を備えるコーティングの応用、又は、対象物１３０を引き寄せるように基板１３４に対する特定の帯電の応用によるものでもよい。基板１３４は、パターン化された粒状運動の設定の前に又はそれに続いて、コンテナ１２０内に又はその上に位置付けられてもよい。対象物１３０が底面の基板の表面上に一度位置付けられると、基板は、コンテナ１２０から分離されてもよく、更に処理するために渡されてもよい。基板を複数の個別のセグメントに分離して含んでもよく、複数の集積回路チップのためにウェーハを分離することと異ならない。従って、複数の実質的に同一且つ分離可能なナノ寸法の回路又は回路パターンが、同時に形成され得る。
【００２５】
対象物が複数の粒子１１０’と基板１３４の底部表面との間に配置されている空間１２４は、真空、ガス、液体又はゲルのような媒体で満たされてもよい。このような媒体は、処理を容易にし、若しくは操作すべき対象物の特性の効果を得、又は、粒子のような特定の材料の使用を容易にする。
【００２６】
ここで図８を参照すると、対象物１３０が、位置付けられ、かつ、基板に適用された他の方法が表されている。この配列において、基板１３４は、該基板１３４を介して対象物１３０に作用する定常波１１２によって発生した電界と共に、対象物１３０と粒子１１０’との間に位置付けられる。対象物１３０は、前述された方法によって基板１３４に接着するようになされることもでき、又は、続いて基板１３４に貼るために対象物を位置付けるように取り扱われる。基板１３４は、粒子１１０’が配置されるコンテナ１２０の部分に対して閉を形成することができる。それゆえ、粒子１１０’と基板１３４との間の空間１２４は、所望の特性を促進するように選択された媒体で満たされることもできる。これは、ガス又は液体の分子を導入することによる抵抗を減らすために、真空を利用するようにする。基板１３４の上部で、空間１２６は、同じ又は異なる媒体で満たされてもよい。例えば、対象物１３０が液体の中で一括処理によって形成される分子回路であるならば、対象物１３０が所望の形態に位置付けられるまで、その液体は、空間１２６内に維持され得る。粒子は、他方で、それら動作に対する抵抗を減らすために真空の空間内に配置されてもよい。
【００２７】
分子が、医学／生薬的応用で並べ替えられる場合、空間１２６内の媒体は、ゲルとされるであろう。図９に表されたように、粒子１１０’の定常波１１２によって形成された電界の結果として、ゲル１３６は、基板１３４の上部に、異なる方向に配置された対象物１３０ａ及び１３０ｂと一緒に配置される。粒子１１０’は非ゲル媒体である。このようなゲルは、既に、電気泳動処理（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｐｒｏｓｅｓｓ）で広く用いられている。ナノメータ寸法の粒子で設定されるパターン化された粒状運動は、電気泳動処理の非常に細かい制御を提供し、２又は３次元で処理する能力を提供する。
【００２８】
ここで図１０を参照すると、基板１３４上に配置されたカーボンナノチューブ１３０ｃが表されている。基板１３４上の精密な位置にナノチューブ１３０ｃを位置付けることに加えて、粒子１１０’の定常波１１２は、ナノチューブ１３０ｃを変形させる（ｄｉｓｔｏｒｔ）ために用いられ得る。その変形は、わずかな角度偏差又は平行移動の範囲内にあり、ナノチューブの電気特性は、ねじれに対して影響を及ぼさず、ナノチューブの電気特性は、結果として変化させられる。従って、定常波は、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃに表されているように、縞１１２’の形状を得る。負に帯電されたナノチューブ１３０ｃは、逆の帯電極性のそれぞれの縞１１２’にそれ自身を並べる。従って、図１１Ｃのように、それぞれの縞１１２’はアーチ形状を有し、ナノチューブ１３０ｃは、アーチ外形に曲げられることになる。アーチ外形の径が図１１Ａに描かれたように小さい場合、ナノチューブ１３０ｃは、「ねじれ」の範囲で曲げられる。ここにおいて、ナノチューブの電気特性は、影響を及ぼす。このような変形に加えて、ナノチューブ１３０ｃは、図１１Ｂに表されたように、一方の位置から他方の位置へ平行移動され得る。定常波がより複雑なパターンに位置付けられる場合、ナノチューブ１３０ｃは、より複雑な形状に変形され得る。
【００２９】
従って、パターン化された粒状形態の所定のトポロジカルな設定は、電界放射システム１４５に対する所定の波形を有する発振信号の応用によって選択的に形成され得る。電界放射システム１４５によって設定された電界は、次々に、コンテナ１２０内に配置された帯電した粒子１１０’へエネルギを加える。そのエネルギは、粒子のパターン化された粒状運動を設定するために十分なものである。帯電した粒子１１０’のパターン化された粒状運動は、対象物を動的に配列するために用いられる電界を生じる定常波を有する、それぞれの定常波からなる。パターン化された粒状運動を設定するための電界の使用を通して、Ｃ６０のようなナノメータ寸法の粒子が、ナノメータ寸法の対象物を操作するために用いられ得る。カーボンナノチューブ若しくはポニフェニレン分子ワイヤ、分子電子デバイスを規定する分子、量子コンピュータ部品又はナノメカニカル部品によって規定された導体のようなナノメータ寸法の対象物は、全部一緒に操作され得る。
【００３０】
ミクロン及びミリメータ寸法のデバイスよりも大きいために、そのエネルギは、コンテナ１２０の壁に配置する振動トランスデューサを用いて粒子に加えられ、それによりパターン化された粒状運動を設定する。パターン化された粒状運動によって形成された定常波は、定常波内の粒子とそれぞれの対象物との間の衝突によって対象物を操作するために用いられ得る。図７に表されような配列と同様に、基板の配置に関して、コンテナ壁の振動配置によって生じた定常波によって操作された対象物は、複数の実質的に同じパターンを提供するために、基板の下側表面に接着して作られ得る。
【００３１】
前述されたように、分子の所定の定常波パターンは、電源１５０によって供給された波形を表す１つ以上のフーリエ列の所定の係数を特定することによって設定される。対象物の操作は、別個の段階の中で所定のプログラムに従って時間と共に変化する電源１５０からの信号の波形で実行されてもよい。しかしながら、電源１５０から出力された波形が操作に応答して積極的に変更されるならば、対象物の操作は、より精密になされる。このようなフィードバック配列は、図１２におけるシステム１００’’に対して概略的に説明される。前述したように、信号源１５０は、粒子の所定の定常波パターンを提供するために設定された波形を有する信号を提供する。電源１５０からの出力は、エネルギ応用システム１４０に接続され、コンテナ１２０内で粒子へ出力される電源からのエネルギを転送する。前述されたように、エネルギ応用は、機械的か又は電気的かのどちらか一方となり得る。
【００３２】
加えて、ロボット的操作システム１００’’は、電源１５０から出力された１つ以上の波形の調整用にフィードバックを提供する検知システム１６０を含み、それによりコンテナ１２０内の定常波の位置を調整する。システム１００’’が、複数の対象物１３０を並行に操作すると同時に、検知システム１６０は、１個程度の対象物の一部の位置及び／又は他の特性をモニタする。検知された位置又は測定された他の特性に基づいて、検知システム１６０は、それらによる１つ以上の波形出力を変更するために、電源１５０への出力を備える。検知システム１６０は、対象物の位置を検知するために、光／画像又は走査プローブ顕微鏡装置を含む。電気的及び／又は光学的な検知は、対象物が操作されるように変更する対象物の他の特性をモニタすることを含んでもよい。従って、原子間力顕微鏡のプローブは、操作されるカーボンナノチューブと接触するように用いられ得る。そのプローブは、例えばナノチューブの電気的コンダクタンスを測定するために電子モニタ装置に接続され、それらの「ねじれ」の形態を検出する。フィードバックの使用の１つに、例えば、対象物の非常に精密な操作を提供することにある。
【００３３】
複数の対象物のロボット的操作方法は、コンテナを提供する段階を含み、そのコンテナは、高い周波数で高速な粒状跳ね返りを生じることを許容し、コンテナ内に複数の粒子を提供する。操作すべき対象物はコンテナに与えられ、粒子は、定常波パターン（即ちパターン化された粒状運動）を生じる所定の波形を有するエネルギで掻き混ぜられる。定常波パターンは、対象物を動的に配列する。その配列は、例えば、電子デバイスによって規定された対象物の回路設定、又は電気的導電構造によって規定された対象物の電気的回路パターンであり得る。対象物の配列は、同様に、他のタイプの組立体を形成することもできる。また、その方法は、コンテナ内に基板を位置付けることを含み、その基板は、対象物を接着するように適合する。基板の位置付けは、粒子を掻き混ぜる前又はその後にすることができる。複数の粒子の掻き混ぜは、コンテナの壁を振動することによって達成され得る。粒子を掻き混ぜる他の方法として、粒子が所定の極性に帯電するように、コンテナ内で発振電界を設定することである。操作される対象物は、１０ミクロンよりも小さいサイズ、即ち、１０ミクロンよりも小さい直径か、又は対象物の外形の最も小さい径が１０ミクロンよりも小さいものであり、その対象物は単分子であってもよい。
【００３４】
粒子自身は、単分子であってもよく、このような分子は、例えばバックミンスターフラーレン分子のような、閉ケージ構造を有する。分子及び対象物の両方は、真空、ガス、液体又はゲルからなる群に依存せずに選択された媒体内に提供され得る。この方法を用いて、複数の実質的に同一のナノ寸法の構造（例えば電気、量子又は機械）が、基板上に形成され得る。従って、複数の回路の組立て、回路パターン、システム、マシン又は組立体は、並行に行い、一括組立処理を構成する。
【００３５】
この発明は、特定の形式及び実施形態に関して記載されているけれども、前述とは別の種々の変更は、本発明の技術的思想又は見地と離れることなしに、
例えば、等価な構成要素が、具体的に表され且つ説明されるように置き換えられてもよい。特別な特徴は、他の特徴と独立して用いられてもよい。
特定の場合、要素の特別なハイチは、
従属請求項に規定されたような本発明の技術的思想又は見地から離れることない全てのものを
【図面の簡単な説明】
【図１】
ミクロン又はミリメータサイズの粒子におけるパターン化された粒状運動の概略的な粒子モデル図である。
【図２】
粒子としてＣ６０分子を用いるパターン化された粒状運動の概略的な分子モデル図である。
【図３】
本発明のシステムにおける一実施形態の概略的な構成図である。
【図３Ａ】
本発明で用いられるエネルギ応用システムにおける他の実施形態の概略的な構成図である。
【図４】
本発明によって操作される対象物の概略的な説明図である。
【図５】
本発明のシステムにおける他の実施形態の概略的な構成図である。
【図５Ａ】
本発明の模範的な電界放射電極配置を表す、図５の実施形態の概略的な構成図である。
【図６】
本発明の他の実施形態によって操作される対象物の概略的な説明図である。
【図６Ａ】
本発明のコンピュータシミュレーションから得られたクーロン電界強度を説明する３次元プロット図である。
【図７】
第１の配置で組み込まれた基板を有する、本発明の他の実施形態の概略的な構成図である。
【図８】
第２の配置で組み込まれた基板を有する、本発明の他の実施形態の概略的な構成図である。
【図９】
操作される対象物がゲル内に配置されている本発明の概略図である。
【図１０】
操作される対象物がカーボンナノチューブである本発明の概略図である。
【図１１Ａ】
カーボンナノチューブが、本発明による方法で変形された概略図である。
【図１１Ｂ】
カーボンナノチューブが、本発明による方法で変形された概略図である。
【図１１Ｃ】
カーボンナノチューブが、本発明による方法で変形された概略図である。
【図１２】
フィードバックを組み込んだ本発明の構成図である。
【符号の説明】
１００、１００’、１００’’ ロボット的操作システム
１０２ 方向矢印
１０４、１０６ 電界
１０５ 線
１０８ コンテナの部分
１１０、１１０’ 粒子
１１２、１１２’ 定常波
１２０ コンテナ
１２２ 底面壁
１２４、１２６ 空間
１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ 対象物、ナノチューブ
１３４ 基板
１３６ ゲル
１４０ エネルギ応用システム
１４２、１４２ａ〜１４２ｎ 振動アクチュエータ
１４３ 電極
１４４、１４６ 電極プレート
１４５ 電界放射システム
１４５ａ〜１４５ｎ 出力
１５０ 信号源、電源
１５２ コントローラ
１５４、１５４ａ〜１５４ｎ 信号発生器
１５５ａ〜１５５ｎ
１６０ 検知システム
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の対象物（ｏｂｊｅｃｔｓ）のロボット的操作（ｒｏｂｏｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）のためのパターン化された粒状運動（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍｏｔｉｏｎ）の使用に関する。特に、本発明は、パターン化された粒状運動現象の使用に関し、粒子へ転送されるエネルギの波形を制御することによって、複数の粒子の定常波が位置付けられる。更に、特に、本発明は、この分子が粒子として用いられるパターン化された粒状運動の使用に関し、分子における帯電と、それらに印加される電界との間の相互作用によって、分子が掻き混ぜられる。更に、本発明は、ナノメータ寸法の組立体又はシステムの形成に関し、それら粒子へエネルギを転送することによってパターン化された粒状運動が誘発されたときに設定された粒子の定常波により形成された電界によって、ナノメータサイズの部品が動的に配列される。
【０００２】
【従来の技術】
個別デバイスから、常に複雑に増大するパッケージ回路及びシステムへの固体電子の発達は、全体として回路素子の複雑な組み合わせを生産することを可能にすることに、一部で成功している。同時に、多様な同じ回路を生産する機能は、工業的及び商業的な使用に対して、回路のコスト面において魅力的な効果を提供する。更に小さい部品及び回路パターンを使用するこのような回路の発達は、このような固体デバイスに対する大量生産方法の限界が迫ってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
単分子によって形成されたナノ寸法の電子部品及び回路が実現されている現在において、ナノ寸法の回路及びシステムの組立てに対して大量生産技術が必要となっている。現在、走査トンネル顕微鏡又は原子間力顕微鏡を用いる機械合成物（ｍｅｃｈａｎｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）は、分子ワイヤと、ある時間に１つのナノ寸法の回路を連続に生産するデバイスとを操作するために用いられる。化学合成物が、同時に多数の分子回路を製造する見込みがあるのに対し、生産された各回路を分離する方法は、今のところ発達していない。従って、ナノ寸法で集積されたような多数の回路構造を同時に生産することが可能な現実的な方法は存在しない。同様に、ナノ寸法の多数の機械的組立体又は量子システムを同時に組立てることが可能な現実的な方法も存在しない。
【０００４】
パターン化された粒状運動が最近発見され、粒状媒体の薄層に観察される特有の機械的動作が、周期的な垂直発振にさらされる。この現象は、粒状媒体の定常波の形態によって特徴付けられる。薄い粒状層に垂直発振の応用によって、これら定常波が発生する。定常波の特有のパターンを、正方形、縞、波形及び六角形のようなパターンで形成でき、従って遠方で特定できる。
【０００５】
粒子は、通常、０．０５〜３ｍｍの範囲の径を有するガラス又は金属の球体によって形成される。現在のところパターン化された粒状運動の関心は、工業的な用途に重要性がなく、実質的に学術的なところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の目的は、パターン化された粒状運動の現象を用いて、大量効果のロボット的操作のためのシステム及び方法を提供することである。複数の対象物のロボット的操作システムは、その中に対象物を受け入れるコンテナを含む。複数の粒子はコンテナ内に配置され、複数の粒子へエネルギを印加する組立体は、パターン化された粒状運動を設定するために設けられ、それにより複数の反復垂直方向定常波を形成する。信号発生器は、互いに所定の位置に定常波を動的に位置付けるために、所定の波形を有するエネルギを供給するエネルギ応用組立体に接続されたものを提供する。定常波の所定の位置は、所定の形態で対象物を配列する。別の見地から、複数の対象物のロボット的操作方法が提供され、コンテナを備え、複数の粒子を該コンテナ内に備える。操作すべき複数の対象物が、コンテナに加えられ、定常波パターンを発生する所定の波形を有するエネルギによって複数の粒子が掻き混ぜられる。粒子の定常波パターンは、対象物を動的に配列する。基板は、対象物の接着に適合し、コンテナ内に位置付けられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１〜図１１を参照すると、パターン化された粒状運動を用いて対象物を動的に操作するロボット的操作システム１００及び１００’が表されている。以下の段落から理解できるように、ロボット的操作システム１００及び１００’は、具体的に、並行して多数の構造を組立てるための、対象物の大量一括操作の概念に関する。ロボット的操作システム１００’は、特に、ナノメータ寸法の組立体又はシステムの応用に関する。これは、回路パターンを備え、分子電子デバイスを位置付け、機械的構造を形成し、又は、互いに位置付けることによって分子を並べ替える、分子の動的配列のようなものである。
【０００８】
特に、図１及び図３を参照すると、システム１００は、複数の粒子１１０がコンテナ１２０内に配置されていることを表している。エネルギ応用システム１４０は、底面壁１２２のような、コンテナ１２０の少なくとも１つの壁を振動させるために、コンテナ１２０にエネルギを印加する。壁１２２の振動は、複数の反復垂直方向定常波１１２を形成し、粒子１１０におけるパターン化された粒状運動を設定する。定常波１１２の粒子パターンを達成するために、複数の壁を振動させることができる。また、コンテナ１２０内には、操作されるべき複数の対象物１３０が備えられる。定常波１１２の粒子１１０と対象物１３０との間の衝突は、定常波と対応関係にある対象物を動的に配列する。定常波が「縞状」に形成される場合、対象物の列が実現され得る。複雑な波形で印加されるエネルギを用いて定常波パターンを形成することによって、定常波は、所定の位置に配置され得る。
【０００９】
エネルギ応用システム１４０は、信号源１５０によって駆動される１つ以上の振動アクチュエータ１４２を含んでもよい。振動アクチュエータ１４２は、例えばコンテナ壁１２２に機械的に結合された、電気機械デバイス又は圧電デバイスであってもよい。圧電デバイスが、交互に、一体構造の形態における底面壁の構造に組み込まれてもよい。信号源１５０は、少なくとも１つの信号発生器１５４を含み、その発生器１５４は、振動アクチュエータ１４２を駆動する所定の波形を有する電気信号を出力する機能を持つ。信号発生器１５４から出力される信号は、粒子媒体１１０の不均等な空間定常波を形成する非正弦波発振信号であってもよい。
【００１０】
図３Ａに表されたように、エネルギ応用システム１４０は、複数の振動アクチュエータ１４２ａ〜１４２ｎによって形成されてもよく、その各々は、信号源１５０によってそれぞれ駆動される。信号源１５０は、複数の出力を有する単一信号発生器によって形成されてもよく、又は、図に表されているように、複数の信号発生器１５４ａ〜１５４ｎによって形成されてもよい。信号発生器１５４ａ〜１５４ｎ各々は、振動アクチュエータ１４２ａ〜１４２ｎにそれぞれ結合される出力１４５ａ〜１４５ｎを有する。コンテナ１２０内の媒体によって形成され、結果として生じた振動パターンに連係するために、信号発生器１５４ａ〜１５４ｎは、コントローラ１５２に結合される。該コントローラは、各信号発生器１５４ａ〜１５４ｎへコマンド信号を出力し、それら信号発生器から状態を受信することもできる。コントローラ１５２は、信号発生器を制御するためにプログラムされたマイクロプロセッサ又はパーソナルコンピュータであってもよい。複数の振動アクチュエータ１４２ａ〜１４２ｎは、別個のデバイスであってもよく、コンテナの１つ以上の壁に一体的に形成されていてもよい。
【００１１】
図４に加えて、図３に戻って参照すると、コンテナ１２０内の粒子１１０に印加されたエネルギは、垂直定常波１１２を設定する。定常波１１２は、複数の対象物１３０と衝突することによって該対象物１３０を同時に機械的に操作する。複数の衝突が、各定常波の粒子とそれぞれの対象物１３０との間に発生し、定常波と対応関係にある対象物を動的に位置付けるために、矢印方向１０２によって表されたように対象物に力を印加する。従って、定常波が特定パターン（例えば、縞、正方形、六角形等）を設定するところで、対象物１３０は、それらのパターンと対応関係にあるように動的に配列され得る。粒子１１０に印加されたエネルギの波形及び周波数を制御することによって、所望されるようにパターンが設定され得る。操作される対象物は、例えば、集積回路チップ、個別の回路部品、導電素子又は機械部品にすることができる。対象物の動的配列は、同時に形成された、複数の実質的に同じ回路又はパターンを表すことができる。同様に、操作される対象物は、複数の実質的に同じ機械的組立体又はシステムに組立てられる機械的部品にすることができる。図７の実施形態に対して記載されているように、基板１３４は、コンテナ１２０に位置付けられ、対象物１３０を接着するように適合される。
【００１２】
ミクロン寸法の粒子にエネルギを印加することによって、ミクロン寸法に下がったコンテナ１２０内の垂直振動を介して、粒子の粒状動作が設定される。しかしながら、ナノメータ寸法の対象物を操作するためには、従来達成されていない、ナノメータ寸法の粒子におけるパターン化された粒状運動を設定することが必要となる。
【００１３】
ナノメータ寸法の粒子の間でパターン化された粒状運動を誘導することに関して、コンテナの壁への衝突を介してナノメータ寸法の粒子を収集するためにエネルギを印加することに係る複数の問題がある。コンテナの発振壁の難点は、粒子の側面の跳ね返り速度における異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を生じることである。発振壁の通常の力では、粒子を越えるナノメータ寸法で均一に分布されそうになく、衝突に基づいて破壊する低破壊エネルギ（ｌｏｗ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｎｅｒｇｉｅｓ）を有する粒子を生じる。更に、物理的発振壁の制御の正確さは、ナノメータ寸法の空間で定常波を発生する必要があり、現在の技術のトランスデューサで達成することは容易ではない。
【００１４】
これら問題を解決するために、線１０５によって表された空間均等電界は、図５で説明されたように、コンテナ１２０の一部分１０８に適用される。帯電された粒子１１０’を用いて、発振電界は、粒子を垂直に加速する垂直振動表面をエミュレートする。このような小さいサイズの粒子を用いることは、解決しなければならない別の問題を導出する。ブラウン運動は最小にしなければならず、内部粒子衝突は適切な損失エネルギを必要とし、それらの粒子は、細分化なしに衝突に耐えるために十分な構造強度のものである。用いるために選択されるナノメータ寸法の粒子であって、パターン化された粒状運動が発振電界を用いて設定されるその粒子は、閉ケージ構造を有する単分子である。このような閉ケージ構造は、Ｃ６０分子に見られ、その構造は実質的に球状である。Ｃ８０、Ｃ１４０、Ｃ１８０及びＣ２４０のような同じ特性を有する他の分子もまた、ナノメー寸法の粒子として提供され得る。バックミンスターフラーレン分子又は「バッキーボール」として公知のＣ６０分子は、帯電されることができ、パターン化された粒状運動が設定されたとき発生する多数の衝突に耐えるために、十分な強度を有する。図２に説明されたように、バックミンスターフラーレン分子は、粒子１１０’として用いられる。また、１つ以上の発振電界の応用によって、機械的に加速されたより大きい粒子と分かるものに対応する垂直定常波１１２を設定する。
【００１５】
垂直方向に粒子１１０’を加速させるために、粒子１１０’は帯電され、システム１１０’のエネルギ応用システム１４０は、電界放射システム１４５を含む。このシステム１４５は、それらの中に１つ以上の発振電界を設定するコンテナ１２０の近傍に配置される複数の電極を有する。粒子１１０’は、少なくとも２つの電極プレートの間に配置され、所定の波形を有する電気信号が、信号源１５０から印加される。その配列は、粒子におけるパターン化された粒状運動を設定するために、垂直振動表面をエミュレートする。粒子１１０’の垂直定常波１１２は、ナノメータ寸法の対象物１３０を動的に配列することになる。しかしながら、機械的衝突によって操作される代わりに、ナノメータ寸法の対象物、径又は最小寸法が１０ミクロンよりも小さいサイズの対象物が、クーロン電界によって操作される。
【００１６】
コンテナ１２０内で要求される電界を設定することに使用する電極配列の一例として、図５Ａが参照図面となる。帯電された粒子１１０’の加速は、コンテナ１２０を囲み、逆に帯電された電極プレート１４４及び１４６の間に形成された電界によって達成される。プレート１４４及び１４６は環状になるように描かれている一方で、このようなものは単なる例であり、具体化された発明思想から離れることのない、多数の異なる外形で形成されていてもよい。
【００１７】
更に図６を参照すると、プレート１４４及び１４６の間に設定された発振電界は、帯電された粒子１１０’にエネルギを印加する。印加されたエネルギは、発振するが、必ずしも周期的ではない。これにより形成された各定常波は、それぞれの対象物１３０における測定可能なクーロン力を作用させるそれぞれの電界１０６を設定する。それら対象物は、それぞれの電界１０６と相互作用する電界１０４を有する。
【００１８】
操作すべき対象物１３０は、対象物の所定の配列又は対象物の変形を設定するために、帯電されなくてもよいし、又は、粒状定常波１１２の帯電極性と同じ又は反対のどちらか一方の極性に帯電する。対象物１３０が、帯電し、代表的な定常波１１２の極性と反対の極性を有する場合、引力が、それらの間に設定される。以下の段落で説明されるように、特定のパターンに対象物を正確に配列するのと反対に、対象物を所定の形態に変形するために、又は、電荷の差を用いて対象物を並び替えるために、コンテナ１２０内に発生した定常波のパターンによって設定されたクーロン電荷が用いられ得る。
【００１９】
戻って図５Ａを参照すると、電極プレート１４４及び１４６は、信号源１５０に電気的に接続される。信号源は、コンテナ１２０内に粒子１１０’の所望の定常波パターンを設定するために、所定の波形を有する発振信号を出力する。図３及び図３Ａに関して説明されたように、信号源１５０は、内部に又は外部コントローラの使用を介して、要求された波形パターンを合成するようにプログラム可能な１つ以上の信号発生器によって形成されてもよい。発生した信号の波形はフーリエ列として表現されてもよく、その係数は、所望の形状の出力信号波形を出力するように選択される。プレート１４４及び１４６に印加される信号の波形の形状を制御することにより、粒子の定常波の配置が制御され得る。それゆえ、定常波によって発生した電界の形状又はトポロジもまた、制御され得る。粒子１１０’の定常波によって発生した電界の形状又はトポロジを制御することによって、対象物１３０は、所定のパターンに、又は公知の方法で操作される他のパターンに、配列され得る。
【００２０】
定常波の配置は、更に、コンテナ１２０内に設定された多数の電界の組み合わせによって制御されてもよい。電極プレート１４４及び１４６の間に設定された電界に加えて、追加電界は、それぞれ対向する側面電極１４３の対の間に設定され、電極１４３はコンテナ１２０の近傍に加えられてもよい。複数の側面電極１４３は、一緒に、コンテナ１２０を実質的に囲み、その各々は、所定の波形を有する信号によって分かれて励磁される。他の実施形態によれば、プレート１４４及び１４６は、複数のセクションに更に分割され、その各々は、分かれて励磁される。配列は、単独で用いられるか、又は、複数の側面電極１４３との組み合わせで用いられる。また、配列は、図３Ａの実施形態の複数の垂直アクチュエータの使用と類似する。
【００２１】
達成可能な制御率の説明として、図６Ａに表された３次元プロット図がある。プロットは、コンピュータシミュレーションによって得られた電界強度の分布を描いている。シミュレーションは、粒子の定常波の分布に対応して、クーロン電界が、所定のパターンで分布し得ることを表している。定常波の分布は、コンテナ内に設定された電界強度パターンによって制御される。
【００２２】
ここに開示された方法及びシステムによって操作されるであろうナノメータ寸法の対象物は、分子ダイオード、分子トランジスタ、分子論理デバイス、又は単分子によって形成される他の回路を含む。「ワイヤ」として機能する分子構造を有するような分子は、医薬／生薬学論理等に重要性を有する。量子コンピュータの部品、別の新規なタイプのナノコンピュータ、及びナノマシンもまた、この方法によって操作されかつ組立てられることになる。
【００２３】
単分子から形成される電子デバイス及び回路の開発で関心が非常に高い一方で、分子及び他のナノメータ寸法の回路をより複雑な機能と組み合わせる、内部接続導電素子として機能し得る構造に非常に関心が高い。１つの期待される導電要素は、カーボンナノチューブである。分子１１０’の定常波の位置の調整によって、ナノチューブのような対象物が、所定の電気回路パターンに配置され得る。その回路パターンに用いるために、ナノチューブ１３０は、より複雑な回路に組み合わされる分子回路素子と同様に、基板に適用する必要がある。
【００２４】
図７を参照すると、対象物１３０を基板に適用する１つの方法が表されている。この例において、基板１３４は対象物１３０の上部に配置され、基板１３４の下側表面は、対象物を接着するように適合される。このような適合は、対象物１３０の構成に対して相性の良い基板材料を選択する形態からなってもよい。それは、対象物１３０と基板１３４との間の接着剤を備えるコーティングの応用、又は、対象物１３０を引き寄せるように基板１３４に対する特定の帯電の応用によるものでもよい。基板１３４は、パターン化された粒状運動の設定の前に又はそれに続いて、コンテナ１２０内に又はその上に位置付けられてもよい。対象物１３０が底面の基板の表面上に一度位置付けられると、基板は、コンテナ１２０から分離されてもよく、更に処理するために渡されてもよい。基板を複数の個別のセグメントに分離して含んでもよく、複数の集積回路チップのためにウェーハを分離することと異ならない。従って、複数の実質的に同一且つ分離可能なナノ寸法の回路又は回路パターンが、同時に形成され得る。
【００２５】
対象物が複数の粒子１１０’と基板１３４の底部表面との間に配置されている空間１２４は、真空、ガス、液体又はゲルのような媒体で満たされてもよい。このような媒体は、処理を容易にし、若しくは操作すべき対象物の特性の効果を得、又は、粒子のような特定の材料の使用を容易にする。
【００２６】
ここで図８を参照すると、対象物１３０が、位置付けられ、かつ、基板に適用された他の方法が表されている。この配列において、基板１３４は、該基板１３４を介して対象物１３０に作用する定常波１１２によって発生した電界と共に、対象物１３０と粒子１１０’との間に位置付けられる。対象物１３０は、前述された方法によって基板１３４に接着するようになされることもでき、又は、続いて基板１３４に貼るために対象物を位置付けるように取り扱われる。基板１３４は、粒子１１０’が配置されるコンテナ１２０の部分に対して閉を形成することができる。それゆえ、粒子１１０’と基板１３４との間の空間１２４は、所望の特性を促進するように選択された媒体で満たされることもできる。これは、ガス又は液体の分子を導入することによる抵抗を減らすために、真空を利用するようにする。基板１３４の上部で、空間１２６は、同じ又は異なる媒体で満たされてもよい。例えば、対象物１３０が液体の中で一括処理によって形成される分子回路であるならば、対象物１３０が所望の形態に位置付けられるまで、その液体は、空間１２６内に維持され得る。粒子は、他方で、それら動作に対する抵抗を減らすために真空の空間内に配置されてもよい。
【００２７】
分子が、医学／生薬的応用で並べ替えられる場合、空間１２６内の媒体は、ゲルとされるであろう。図９に表されたように、粒子１１０’の定常波１１２によって形成された電界の結果として、ゲル１３６は、基板１３４の上部に、異なる方向に配置された対象物１３０ａ及び１３０ｂと一緒に配置される。粒子１１０’は非ゲル媒体である。このようなゲルは、既に、電気泳動処理（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｐｒｏｓｅｓｓ）で広く用いられている。ナノメータ寸法の粒子で設定されるパターン化された粒状運動は、電気泳動処理の非常に細かい制御を提供し、２又は３次元で処理する能力を提供する。
【００２８】
ここで図１０を参照すると、基板１３４上に配置されたカーボンナノチューブ１３０ｃが表されている。基板１３４上の精密な位置にナノチューブ１３０ｃを位置付けることに加えて、粒子１１０’の定常波１１２は、ナノチューブ１３０ｃを変形させる（ｄｉｓｔｏｒｔ）ために用いられ得る。その変形は、わずかな角度偏差又は平行移動の範囲内にあり、ナノチューブの電気特性は、ねじれに対して影響を及ぼさず、ナノチューブの電気特性は、結果として変化させられる。従って、定常波は、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃに表されているように、縞１１２’の形状を得る。負に帯電されたナノチューブ１３０ｃは、逆の帯電極性のそれぞれの縞１１２’にそれ自身を並べる。従って、図１１Ｃのように、それぞれの縞１１２’はアーチ形状を有し、ナノチューブ１３０ｃは、アーチ外形に曲げられることになる。アーチ外形の径が図１１Ａに描かれたように小さい場合、ナノチューブ１３０ｃは、「ねじれ」の範囲で曲げられる。ここにおいて、ナノチューブの電気特性は、影響を及ぼす。このような変形に加えて、ナノチューブ１３０ｃは、図１１Ｂに表されたように、一方の位置から他方の位置へ平行移動され得る。定常波がより複雑なパターンに位置付けられる場合、ナノチューブ１３０ｃは、より複雑な形状に変形され得る。
【００２９】
従って、パターン化された粒状形態の所定のトポロジカルな設定は、電界放射システム１４５に対する所定の波形を有する発振信号の応用によって選択的に形成され得る。電界放射システム１４５によって設定された電界は、次々に、コンテナ１２０内に配置された帯電した粒子１１０’へエネルギを加える。そのエネルギは、粒子のパターン化された粒状運動を設定するために十分なものである。帯電した粒子１１０’のパターン化された粒状運動は、対象物を動的に配列するために用いられる電界を生じる定常波を有する、それぞれの定常波からなる。パターン化された粒状運動を設定するための電界の使用を通して、Ｃ６０のようなナノメータ寸法の粒子が、ナノメータ寸法の対象物を操作するために用いられ得る。カーボンナノチューブ若しくはポニフェニレン分子ワイヤ、分子電子デバイスを規定する分子、量子コンピュータ部品又はナノメカニカル部品によって規定された導体のようなナノメータ寸法の対象物は、全部一緒に操作され得る。
【００３０】
ミクロン及びミリメータ寸法のデバイスよりも大きいために、そのエネルギは、コンテナ１２０の壁に配置する振動トランスデューサを用いて粒子に加えられ、それによりパターン化された粒状運動を設定する。パターン化された粒状運動によって形成された定常波は、定常波内の粒子とそれぞれの対象物との間の衝突によって対象物を操作するために用いられ得る。図７に表されような配列と同様に、基板の配置に関して、コンテナ壁の振動配置によって生じた定常波によって操作された対象物は、複数の実質的に同じパターンを提供するために、基板の下側表面に接着して作られ得る。
【００３１】
前述されたように、分子の所定の定常波パターンは、電源１５０によって供給された波形を表す１つ以上のフーリエ列の所定の係数を特定することによって設定される。対象物の操作は、別個の段階の中で所定のプログラムに従って時間と共に変化する電源１５０からの信号の波形で実行されてもよい。しかしながら、電源１５０から出力された波形が操作に応答して積極的に変更されるならば、対象物の操作は、より精密になされる。このようなフィードバック配列は、図１２におけるシステム１００’’に対して概略的に説明される。前述したように、信号源１５０は、粒子の所定の定常波パターンを提供するために設定された波形を有する信号を提供する。電源１５０からの出力は、エネルギ応用システム１４０に接続され、コンテナ１２０内で粒子へ出力される電源からのエネルギを転送する。前述されたように、エネルギ応用は、機械的か又は電気的かのどちらか一方となり得る。
【００３２】
加えて、ロボット的操作システム１００’’は、電源１５０から出力された１つ以上の波形の調整用にフィードバックを提供する検知システム１６０を含み、それによりコンテナ１２０内の定常波の位置を調整する。システム１００’’が、複数の対象物１３０を並行に操作すると同時に、検知システム１６０は、１個程度の対象物の一部の位置及び／又は他の特性をモニタする。検知された位置又は測定された他の特性に基づいて、検知システム１６０は、それらによる１つ以上の波形出力を変更するために、電源１５０への出力を備える。検知システム１６０は、対象物の位置を検知するために、光／画像又は走査プローブ顕微鏡装置を含む。電気的及び／又は光学的な検知は、対象物が操作されるように変更する対象物の他の特性をモニタすることを含んでもよい。従って、原子間力顕微鏡のプローブは、操作されるカーボンナノチューブと接触するように用いられ得る。そのプローブは、例えばナノチューブの電気的コンダクタンスを測定するために電子モニタ装置に接続され、それらの「ねじれ」の形態を検出する。フィードバックの使用の１つに、例えば、対象物の非常に精密な操作を提供することにある。
【００３３】
複数の対象物のロボット的操作方法は、コンテナを提供する段階を含み、そのコンテナは、高い周波数で高速な粒状跳ね返りを生じることを許容し、コンテナ内に複数の粒子を提供する。操作すべき対象物はコンテナに与えられ、粒子は、定常波パターン（即ちパターン化された粒状運動）を生じる所定の波形を有するエネルギで掻き混ぜられる。定常波パターンは、対象物を動的に配列する。その配列は、例えば、電子デバイスによって規定された対象物の回路設定、又は電気的導電構造によって規定された対象物の電気的回路パターンであり得る。対象物の配列は、同様に、他のタイプの組立体を形成することもできる。また、その方法は、コンテナ内に基板を位置付けることを含み、その基板は、対象物を接着するように適合する。基板の位置付けは、粒子を掻き混ぜる前又はその後にすることができる。複数の粒子の掻き混ぜは、コンテナの壁を振動することによって達成され得る。粒子を掻き混ぜる他の方法として、粒子が所定の極性に帯電するように、コンテナ内で発振電界を設定することである。操作される対象物は、１０ミクロンよりも小さいサイズ、即ち、１０ミクロンよりも小さい直径か、又は対象物の外形の最も小さい径が１０ミクロンよりも小さいものであり、その対象物は単分子であってもよい。
【００３４】
粒子自身は、単分子であってもよく、このような分子は、例えばバックミンスターフラーレン分子のような、閉ケージ構造を有する。分子及び対象物の両方は、真空、ガス、液体又はゲルからなる群に依存せずに選択された媒体内に提供され得る。この方法を用いて、複数の実質的に同一のナノ寸法の構造（例えば電気、量子又は機械）が、基板上に形成され得る。従って、複数の回路の組立て、回路パターン、システム、マシン又は組立体は、並行に行い、一括組立処理を構成する。
【００３５】
この発明は、特定の形式及び実施形態に関して記載されているけれども、前述とは別の種々の変更は、本発明の技術的思想又は見地と離れることなしに、
例えば、等価な構成要素が、具体的に表され且つ説明されるように置き換えられてもよい。特別な特徴は、他の特徴と独立して用いられてもよい。
特定の場合、要素の特別なハイチは、
従属請求項に規定されたような本発明の技術的思想又は見地から離れることない全てのものを
【図面の簡単な説明】
【図１】
ミクロン又はミリメータサイズの粒子におけるパターン化された粒状運動の概略的な粒子モデル図である。
【図２】
粒子としてＣ６０分子を用いるパターン化された粒状運動の概略的な分子モデル図である。
【図３】
本発明のシステムにおける一実施形態の概略的な構成図である。
【図３Ａ】
本発明で用いられるエネルギ応用システムにおける他の実施形態の概略的な構成図である。
【図４】
本発明によって操作される対象物の概略的な説明図である。
【図５】
本発明のシステムにおける他の実施形態の概略的な構成図である。
【図５Ａ】
本発明の模範的な電界放射電極配置を表す、図５の実施形態の概略的な構成図である。
【図６】
本発明の他の実施形態によって操作される対象物の概略的な説明図である。
【図６Ａ】
本発明のコンピュータシミュレーションから得られたクーロン電界強度を説明する３次元プロット図である。
【図７】
第１の配置で組み込まれた基板を有する、本発明の他の実施形態の概略的な構成図である。
【図８】
第２の配置で組み込まれた基板を有する、本発明の他の実施形態の概略的な構成図である。
【図９】
操作される対象物がゲル内に配置されている本発明の概略図である。
【図１０】
操作される対象物がカーボンナノチューブである本発明の概略図である。
【図１１Ａ】
カーボンナノチューブが、本発明による方法で変形された概略図である。
【図１１Ｂ】
カーボンナノチューブが、本発明による方法で変形された概略図である。
【図１１Ｃ】
カーボンナノチューブが、本発明による方法で変形された概略図である。
【図１２】
フィードバックを組み込んだ本発明の構成図である。
【符号の説明】
１００、１００’、１００’’ ロボット的操作システム
１０２ 方向矢印
１０４、１０６ 電界
１０５ 線
１０８ コンテナの部分
１１０、１１０’ 粒子
１１２、１１２’ 定常波
１２０ コンテナ
１２２ 底面壁
１２４、１２６ 空間
１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ 対象物、ナノチューブ
１３４ 基板
１３６ ゲル
１４０ エネルギ応用システム
１４２、１４２ａ〜１４２ｎ 振動アクチュエータ
１４３ 電極
１４４、１４６ 電極プレート
１４５ 電界放射システム
１４５ａ〜１４５ｎ 出力
１５０ 信号源、電源
１５２ コントローラ
１５４、１５４ａ〜１５４ｎ 信号発生器
１５５ａ〜１５５ｎ
１６０ 検知システム
Claims (40)
- 複数の対象物のロボット的操作システムであって、
前記対象物をその中に受け入れるコンテナと、
前記コンテナ内に配置される複数の粒子と、
前記複数の粒子のパターン化された粒状運動を設定するために、該複数の粒子にエネルギを印加し、それにより複数の反復垂直方向定常波を形成する手段と、
互いに所定の位置に前記定常波を動的に位置付けするために、所定の波形を有する前記エネルギを供給する前記エネルギ応用手段に接続された信号手段と
を有し、前記定常波の所定の位置は、前記対象物を所定の形態に動的に配列することを特徴とするシステム。 - 前記エネルギ応用手段は、前記コンテナの壁面を振動させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記エネルギ応用手段は、前記コンテナ内に発振電界を設定する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記複数の粒子の各々は、単分子であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記各単分子は、閉ケージ構造を有する分子であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記各閉ケージ構造分子は、バックミンスターフラーレン分子であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
- 前記エネルギ応用手段は、前記コンテナ内に発振電界を設定する手段を含み、前記分子の定常波はそれぞれ、前記対象物を前記所定の形態に動的に配列する電界を発生することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記対象物は、電気的導体であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じナノ寸法の回路パターンを規定することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記対象物は、単分子であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記粒子及び前記対象物は、真空、ガス、液体及びゲルからなる群に依存せずに選択された各媒体であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記対象物は、分子回路要素であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じナノ寸法の回路を規定することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記対象物は、機械的構造であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じナノ寸法の機械的組立体を規定することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記対象物は、電気的導体であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じ回路パターンを規定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記粒子及び前記対象物は、真空、ガス、液体及びゲルからなる群に依存せずに選択された各媒体であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記対象物は、単分子であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- １０ミクロンよりも小さいサイズの複数の対象物のロボット的操作システムであって、該対象物は、それらの所定の形態を形成するために操作されており、
前記対象物をその中に受け入れるコンテナと、
前記コンテナ内に配置される複数のイオン化分子と、
前記複数のイオン化分子のパターン化された粒状運動を設定するために該複数のイオン化分子に発振電界を印加し、それにより複数の反復垂直方向定常波を形成する手段と、
互いに所定の位置に前記定常波を動的に位置付けるために、所定の波形を有する前記発振電界を設定する前記発振電界応用手段に接続された信号手段と
を有し、前記イオン化分子の定常波はそれぞれ、前記対象物を前記所定の形態に動的に配列する電界を発生することを特徴とするシステム。 - 前記対象物は、電気的導体であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じナノ寸法の回路パターンを規定することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
- 前記対象物は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
- 前記カーボンナノチューブは，電界を発生した前記定常波によって曲げられていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
- 前記カーボンナノチューブは、電界を発生した前記定常波によって変形されていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
- 前記カーボンナノチューブは、電界を発生した前記定常波によって平行移動されていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
- 前記イオン化分子及び前記対象物は、真空、ガス、液体及びゲルからなる群に依存せずに選択された各媒体であることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
- 前記対象物は、分子回路要素であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じナノ寸法の回路を規定することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
- 前記対象物は、ナノメータ寸法の機械的要素であり、前記所定の形態は、複数の実質的に同じナノ寸法の機械的組立体を規定することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
- 複数の対象物のロボット的操作方法であって、
コンテナを備える段階ａと、
前記コンテナ内に複数の分子を備える段階ｂと、
操作すべき前記対象物を前記コンテナへ加える段階ｃと、
前記対象物を動的に配列する前記粒子の定常波パターンを発生するために、所定の波形を有するエネルギで前記複数の粒子を掻き混ぜる段階ｄと、
前記対象物を接着させるに適合した基板を、前記コンテナに位置付ける段階ｅとを有することを特徴とする方法。 - 前記複数の粒子を励起する段階は、前記コンテナの壁を振動させる段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
- 前記複数の粒子を備える段階は、各粒子が単分子である該粒子を提供する段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
- 前記複数の分子を掻き混ぜる段階は、発振電界を設定し且つ該分子に該発振電界を印加する段階を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
- 前記発振電界を設定し且つ印加する段階は、前記発振電界を設定するために所定の波形を発生する段階を含み、それにより前記対象物を所定のパターンに動的に配列することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
- 複数の対象物のロボット的操作方法であって、
コンテナを備える段階ａと、
前記コンテナ内に複数のイオン化分子を備える段階ｂと、
１０ミクロンよりも小さいサイズを有する操作されるべき前記対象物を、前記コンテナに加える段階ｃと、
前記対象物を動的に配列する前記イオン化分子の定常波パターンを発生するために、所定の波形を有する電界で前記複数のイオン化分子を掻き混ぜる段階ｄと、
前記対象物を接着させるに適合した基板を、前記コンテナに位置付ける段階ｅとを有することを特徴とする方法。 - 前記基板を位置付ける段階は、前記対象物の上部に前記基板を配置する段階を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
- 前記基板を位置付ける段階は、前記イオン化分子と前記対象物との間で前記基板を配置する段階を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
- 前記対象物を加える段階は、操作すべき対象物として単分子を提供する段階を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
- 前記掻き混ぜる段階は、前記対象物を電気回路パターンに動的に配列するために、前記所定の波形を発生する段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
- 前記分子を備える段階は、カーボンナノチューブを備える段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
- 前記複数のイオン化分子を備える段階は、真空、ガス、液体及びゲルからなる群から選択された媒体内に前記分子を備える段階を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
- 前記対象物を加える段階は、真空、ガス、液体及びゲルからなる群から選択された媒体内に前記対象物を備える段階を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
- 前記対象物を加える段階は、操作すべき対象物として分子回路要素を備える段階を含み、前記掻き混ぜる段階は、前記分子回路要素を複数の実質的に同じナノ寸法の回路に動的に配列するために、前記所定の波形を発生する段階を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
- 前記対象物を加える段階は、操作すべき対象物としてナノメータ寸法の機械的要素を備える段階を含み、前記掻き混ぜる段階は、前記機械的要素を複数の実質的に同じナノ寸法の機械的組立体に動的に配列するために、前記所定の波形を発生する段階を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
- 複数の対象物のロボット的操作システムであって、
前記対象物をその中に受け入れるコンテナと、
前記コンテナ内に配置される複数の粒子と、
前記複数の粒子のパターン化された粒状運動を設定するために該複数の粒子にエネルギを印加し、それにより複数の反復垂直定常波を形成する手段と、
互いに所定の位置に前記定常波を動的に位置付けするために、所定の波形を有する前記エネルギを供給する前記エネルギ応用手段に接続された信号手段と
を有し、前記定常波の所定の位置は、前記対象物を所定の形態に動的に配列しており、
更に、操作すべき前記複数の対象物の少なくとも１つの対象物の少なくとも１つの特性をモニタする手段であって、前記所定の波形を変更するフィードバック信号を提供する前記信号手段に接続された出力を有し、それにより前記所定の形態を調整する手段を有することを特徴とするシステム。
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