微处理器技术离我们并不遥远

李忠东

美国著名小型计算机设计大师戈登·贝尔对于小型机所使用的微处理器技术的发展曾作出如下预测：“在保持计算机能力不变的情况下，每18个月微处理器的价格和体积将减少一半。”这是对“摩尔定律”的补充，被称为“贝尔定律”。“摩尔定律”由英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出，具体内容为：“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”这就意味着，同等价位的微处理器的速度会越变越快，而同等速度的微处理器则会越来越便宜。

回顾计算机的发展史，计算机的小型化大约每10年会有一个新的突破。20世纪60年代，一台计算机需要占据整个房间;20世纪70年代，计算机引入了小型工作站设计，并继续缩小尺寸，演变为人们每天使用的便携式计算机。到今天，智能手机和各类传感器的发展对微处理器的尺寸提出了更高的要求。事实上，微处理器的尺寸在2013年已缩小到1立方毫米，它通过将灰尘大小的芯片（包括中央处理单元、存储器、电源管理电路和定时器）堆叠成一个矩形。最终，用户可以通过添加应用层（例如温度传感器）来创建传感器系统。

一般来说，有两种途径为运行微型亚毫米级计算机提供电力：开发微型电池和寻找某种自发电方式。其中，自发电方式，例如微型热电发电机可以将热能转化为电能，但输出功率太低，无法驱动微型芯片。再如，机械振动发电电池和将光能转化为电能的小型光伏电池很有前景，不过振动和光线并非在所有时间和地方都能获得，例如在人体内这两类供电模式就无法使用。由此可见，只能依赖强大的微型电池来提供电能。

与日常电池截然不同，具有高能量密度的紧凑型电池是用湿的化学材料制造的，电材料和添加剂（碳材料、黏合剂）被加工成浆料并涂在金属箔上。目前，世界上最小的计算机已经可以缩小到1立方毫米以内，而采用堆叠式、电极柱工艺生产的片上微电池虽然可以提供良好的能量和功率密度，但体积相对而言仍比较大，无法满足其需求。

德国莱布尼茨固态与材料研究所和中国科学院长春应用化学研究所的科学家另辟蹊径，研制出迄今世界上可以反复充电的最小的微电池的原型。它仅为1.10毫米×1.69毫米×0.15毫米，尺寸比一粒盐还小，能够为迄今世界上最小的计算机供电。目前，这个国际研发团队已取得两方面的重大突破：一是采用类似“瑞士卷”的结构设计，以此提高电池能量的密度;二是能在世界上最小的1平方毫米的计算机芯片上与其他电路集成，供电约10小时。

团队的目标是设计一种明显小于1平方毫米且可集成在芯片上的电池，其最小能量密度仍为100微瓦时/平方厘米。为了在有限的空间里安装更多的电池材料，他们采用特斯拉在大规模制造电动汽车电池时的类似工艺。此前，特斯拉电池使用这种工艺，使“4680型无极耳电池”在能量方面提升5倍，续航里程增加16%，动力方面提高6倍。

这一开创性的储能解决方案，灵感来自“瑞士卷”。研发人员将聚合物、金属以及电介质材料制成的电流收集器和电极条，分层逐一涂抹在一个铺开的晶圆表面上，形成与瑞士卷相同的结构，从而创造出一种“自缠绕圆柱微电池”。

该国际研发团队研制的微型电池显示出令人惊叹的亚平方毫米级储能性能，成为微型机器人或微型植入设备非常好的补充电源，有望在物联网、微型医疗植入物等领域大显身手。不过，卷绕式工艺在量产上存在一定困难，因为要把晶片材料卷曲起来，对材料的韧性和延展性要求会更高。这项技术仍有巨大的优化潜力。

除了上述可以反复充电的最小微电池外，另一个国际研发团队还研制出迄今世界上最小的纳米生物超级电容器，可以在人体内难以到达的小空间中运行，为下一代血管内植入物和生物医学微型机器人系统的应用创造了可能。这项技术拥有相当广泛的应用前景，包括疾病诊断、药物递送等，甚至能帮助人们发现早期癌症。

纳米生物超级电容器的研究和样品制备主要在德国开姆尼茨工业大学纳米膜材料、结构和集成中心进行，该项研究的参与机构还有德国莱布尼茨聚合物研究所。研究人员利用“微型折纸”技术，将组件所需的材料放置在高机械张力下的超薄材料表面。该材料层能自身缠绕成具有高精度和高成材率（95%）的紧凑型 3D 设备。

近年来，微电子传感器、微电子机器人或血管内植入物的发展日益小型化。此前已有的亚毫米范围内的能量存储设备，即所谓的“微型超级电容器”，通常情况下不会使用生物相容性材料，而是采用腐蝕性电解质，且放电不稳定，它们不适合人体内的生物医学应用。因此，开发微型、高效且具有生物相容性的能量存储设备，用来驱动微型系统在人体内的可靠运行，成为该研究领域最大的挑战之一。

这个国际研发团队研发的首个纳米生物超级电容器是一种生物相容性储能系统。虽然它的体积仅0.001立方毫米，只有此前最小能源存储设备的1/3000，占用的空间比一粒灰尘还小，但是仍然能够为血液中的微电子传感器提供高达1.6V的电源电压，功率水平大致相当于标准 AAA 电池。它的柔性管状结构还提供了有效的自我保护，能防止由脉动血液或肌肉收缩引起的破损。在像血管这样的窄小区域内，这是一个必不可少的条件，因为只有安全可靠才具有实用的价值。

研究人员在盐水、血浆和血液三种溶液中对纳米生物超级电容器进行了测试，结果非常令人满意。它在血液中 16小时后仍能保持其初始容量的70%。该电容器还能通过生物电化学反应补偿损失的电量。在这个过程中，它受益于人体，除了典型的电荷存储反应外，氧化还原酶和血液中天然存在的活细胞还能将设备的性能提高40%。

我们知道，人体为了在不同的情况下维持自身的功能，血液的流动特性和血管内的压力都在不断变化。因此，循环系统内的任何可植入物都必须要承受这些生理反应，同时保持稳定的性能。为此，该国际研发团队利用直径0.12到0.15毫米的微流体通道模拟各种尺寸的血管，测试了纳米生物超级电容器在不同流量和压力条件下的行为。他们发现，纳米生物超级电容器可以在不同生理相关条件下提供良好而稳定的电力。这類新的、极其灵活的、适应性极强的微电子技术正在进入生物系统的微型化世界，这非常令人鼓舞。

奥利弗·施密特教授领导了一种新型的微型超级电容器的开发，这种电容器具有生物相容性

德国开姆尼茨工业大学奥利弗·施密特教授领导的国际研发团队研发的一种新型的扁平机器人，长0.8毫米，宽0.8毫米，高0.14毫米，号称是“世界上最小的微型电子机器人”。两根卷状聚合物管子纵向穿过其两侧和顶部，吸入过氧化氢溶液使微型机器人浸入其中。这款微型机器人由一个外部发射器进行无线远程操控，通过产生的双喷射气泡来实现移动。经多次实验表明，在接收到外部发射器发出的电信号后，位于机器人中央的感应线圈会加热卷状聚合物管子，通过加大催化反应的程度，增加气泡量。大量气泡从管子的后端喷出，产生的推力促使微型机器人在溶液中游动。

研发团队还为机器人制作了一个“机械臂”，它实际上是一个由热敏聚合物组成的装置。随着热量的增加或减少，这个装置会打开或关闭，抓住微小的物体。此外，研究人员还在这个小小的机器人上安装了一个小型的LED光源。不过，研发团队表示，在微型电子机器人被应用于人体内靶向投递药物等之前，需要将其转化为比过氧化氢更具有生物相容性的“燃料”，这是下一阶段的研究方向。

微型机器人推进系统工作示意图