1、尖端科技尖端科技(下下)世界科学研究热点世界科学研究热点(六六)让古老的光学重新焕发出青春让古老的光学重新焕发出青春 激光技术激光技术1917年年,爱因斯坦提出了一套全新的技术理论爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“受激辐射受激辐射”。这一理论指出。这一理论指出:在组成物质的原子在组成物质的原子中中,有不同数量的电子分布在不同的能级上有不同数量的电子分布在不同的能级上,在高在高能级上的电子受到某种光子的激发能级上的电子受到某种光子的激发,会从高能级会从高能级跳到跳到(跃迁跃迁)到低能级上到低能级上,这时受激原子将会发出一这时受激原子将会发出一个与激发它的光子相同的光子个与激发它的光子相同的光子,
2、在大量相同原子在大量相同原子被激发的状态下被激发的状态下,就能出现一个弱光激发出一个就能出现一个弱光激发出一个强光的现象强光的现象,这就叫做这就叫做“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”,简称简称激光。激光。1960年年5月月15日日,美国加利福尼亚州休斯实验室美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的微米的激光激光,这是人类有史以来获得的第一束激光这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。科学家。1960年年7月月7日日,梅曼研制成功世界上第一台
3、红宝梅曼研制成功世界上第一台红宝石激光器石激光器,梅曼的方案是梅曼的方案是:利用一个高强闪光灯管利用一个高强闪光灯管,来刺激在红宝石水晶里的铬原子来刺激在红宝石水晶里的铬原子,从而产生一条从而产生一条相当集中的纤细红色光柱相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时当它射向某一点时,可可使其达到比太阳表面还高的温度。使其达到比太阳表面还高的温度。1962年年,发明半导体二极管激光器发明半导体二极管激光器,这是今天小型这是今天小型商用激光器的支柱。商用激光器的支柱。美国非致命激光枪美国非致命激光枪 1971年年,美国的美国的J.Maday在他的博士论文中首次在他的博士论文中首次提出的自由电子激光的概
4、念提出的自由电子激光的概念,自由电子激光的基本自由电子激光的基本原理是通过自由电子和辐射的相互作用原理是通过自由电子和辐射的相互作用,电子将电子将能能量量转送给辐射而使辐射强度增大。这种激光的特转送给辐射而使辐射强度增大。这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计,并且能够在大范围内连续调节并且能够在大范围内连续调节,有着重要的应用前有着重要的应用前景。而普通激光器都基于原子、分子或凝聚态物景。而普通激光器都基于原子、分子或凝聚态物质中束缚电子的跃迁质中束缚电子的跃迁,因而产生的激光受到束缚能因而产生的激光受到束缚能态的限制态的限制,通常只
5、能产生某种波长的激光。通常只能产生某种波长的激光。1974年年,第一个超市条形码扫描器出现。第一个超市条形码扫描器出现。1975年年,IBM投放第一台商用激光打印机。投放第一台商用激光打印机。1976年年,J.Maday和他的同事们在斯坦福大学和他的同事们在斯坦福大学 实现了远红外自由电子激光。实现了远红外自由电子激光。1982年年,第一台紧凑碟片第一台紧凑碟片(CD)播放机出现。播放机出现。1983年年,里根总统发表了里根总统发表了“星球大战星球大战”的演讲的演讲,描绘描绘 了基于太空的激光武器。了基于太空的激光武器。1988年年,北美和欧洲间架设了第一根光纤北美和欧洲间架设了第一根光纤,用
6、光脉用光脉 冲来传输数据。冲来传输数据。1990年年,激光用于制造业激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造。包括集成电路和汽车制造。1991年年,第一次用激光治疗近视第一次用激光治疗近视,海湾战争中第一海湾战争中第一 次用激光制导导弹。次用激光制导导弹。1993年年,中国科学院高能所制成我国第一台自由中国科学院高能所制成我国第一台自由 电子激光装置。电子激光装置。1996年年,东芝推出数字多用途光盘东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。播放器。激光的特点激光的特点:定向发光定向发光,亮度极高亮度极高,颜色极纯颜色极纯,能量密度极大。能量密度极大。激光核聚变激光核聚变(又叫惯性约束核聚变又叫惯
7、性约束核聚变)惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用受它的反作用,球面内层向内挤压球面内层向内挤压(反作用力是一种反作用力是一种惯性力惯性力,靠它使气体约束靠它使气体约束,所以称为惯性约束所以称为惯性约束),小球小球内气体受挤压而压力升高内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度高。当温度达到所需要的点火温度(大概
8、需要几十大概需要几十亿度亿度)时时,小球内气体便发生爆炸小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能。并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒只有几个皮秒(1皮等于皮等于1万万亿分之一亿分之一)。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。万千瓦级的发电站。1986年年,我国激光核聚变实验装置我国激光核聚变实验装置“神光神光”研制成功。研制成功。2010年年,美国国家核安全管理局表示美国国家核安全管理局表示,美国洛仑兹美国洛仑兹国家实验室的国家点火
9、装置国家实验室的国家点火装置,通过使用通过使用192束激光束激光来束缚核聚变的反应原料氢的同位素氘和氚来束缚核聚变的反应原料氢的同位素氘和氚,解决了激光核聚变的一个关键困难。解决了激光核聚变的一个关键困难。点火使用点火使用192个巨型激光装置个巨型激光装置,中间的球是点火的中间的球是点火的核心核心,激光通过各个孔汇聚到球的中心固态冰冻激光通过各个孔汇聚到球的中心固态冰冻的氢原子珠上的氢原子珠上,加热那里的聚变燃料。整个激光加热那里的聚变燃料。整个激光装置提供装置提供500万亿瓦的能量万亿瓦的能量,相当于美国总发电量相当于美国总发电量的的1000倍倍,维持仅仅维持仅仅4纳秒纳秒(一纳秒等于十亿分
10、之一一纳秒等于十亿分之一秒秒),把一百八十万焦耳的热量汇聚在一个立方毫米把一百八十万焦耳的热量汇聚在一个立方毫米的体积上的体积上,发生聚变反应时发生聚变反应时,温度可达到温度可达到1亿度亿度,压力压力超过超过1000亿个大气压。亿个大气压。“国家点火装置国家点火装置”如果成功如果成功,核聚变释放出的能量将达到触发反应所需能量的核聚变释放出的能量将达到触发反应所需能量的10倍至倍至100倍。在核聚变过程中实现倍。在核聚变过程中实现“能量收益能量收益”。1998年年,美国能源部开始在劳伦斯利弗莫尔国家美国能源部开始在劳伦斯利弗莫尔国家实验室启动实验室启动“国家点火装置工程国家点火装置工程”。这项军
11、民两用。这项军民两用的高能激光核聚变研究工程总投资为的高能激光核聚变研究工程总投资为22亿美元。亿美元。美国国家点火装置美国国家点火装置将燃料放入燃料舱将燃料放入燃料舱(圆柱体圆柱体)工程技术人员调整靶位工程技术人员调整靶位 激光照射靶球时激光照射靶球时,燃料舱两端的光线情况。燃料舱两端的光线情况。(七七)细微的新材料细微的新材料 纳米技术纳米技术纳米技术是研究结构尺寸在纳米技术是研究结构尺寸在0.1至至100纳米范围纳米范围内材料的性质和应用。它的最终目标是直接以内材料的性质和应用。它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。原子或分子来构造具有特定功能的产品。1959年年,著名
12、物理学家、诺贝尔奖获得者费曼著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼在底部还有很大空间在底部还有很大空间的演讲中预言的演讲中预言,人类可人类可以用小的机器制作更小的机器以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据最后将变成根据人类意愿人类意愿,逐个地排列原子逐个地排列原子,制造产品制造产品,这是关于这是关于纳米技术最早的梦想。纳米技术最早的梦想。1982年年,科学家发明研究纳米的重要工具科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、为我们揭示一个可见的原子、分子世界分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用。对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年年,IBM公司
13、阿尔马登研究中心的科学家公司阿尔马登研究中心的科学家成功在镍表面用成功在镍表面用36个氙原子排出个氙原子排出“IBM”,纳米纳米技术取得一项关键突破。技术取得一项关键突破。1991年年,碳纳米管被发现碳纳米管被发现,它的质量是相同体积钢它的质量是相同体积钢的六分之一的六分之一,强度却是钢的强度却是钢的10倍倍,成为纳米技术研成为纳米技术研究的热点。究的热点。1997年年,美国科学家首次成功地用单电子移动单美国科学家首次成功地用单电子移动单电子电子,利用这种技术可望在利用这种技术可望在20年后研制成功速度年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。和存贮容量比现在提高成千上万倍的
14、量子计算机。1999年年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的时发明了世界上最小的“秤秤”,它能够称量十亿分它能够称量十亿分之一克的物体之一克的物体,即相当于一个病毒的重量即相当于一个病毒的重量;此后不此后不久久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录;同年同年,美国科学家在单个分子上实现有机开关美国科学家在单个分子上实现有机开关,证实在证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。分子水平上可以发展电子和计算装置。到到1999年年,纳米
15、技术逐步走向市场纳米技术逐步走向市场,全年基于纳米全年基于纳米产品的营业额达到产品的营业额达到500亿美元。亿美元。2003年年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家用碳纳米管研制出世界上最小的用碳纳米管研制出世界上最小的纳米电动机纳米电动机。2006年年,美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能在纳米尺度范围内将机械能转换成电能,研制出世研制出世界上最小的发电机界上最小的发电机纳米发电机纳米发电机。(八八)微电子工业的基础微电子工业的基础 半导体技术半导体技术半导体指常温下导电性能介于导体半
16、导体指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体与绝缘体(insulator)之间的材料。这种材料在某之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度的升高个温度范围内随温度的升高,电阻率下降。电阻率下降。学习微电子学的关键是学习微电子学的关键是:始终知道电子往哪里跑！始终知道电子往哪里跑！本征半导体的导电能力很弱本征半导体的导电能力很弱,热稳定性也很差热稳定性也很差,因此不宜直接用它制造半导体器件。半导体因此不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同导体制成。根据掺入杂质性质的不同,杂质半
17、杂质半导体分为导体分为P型半导体与型半导体与N型半导体型半导体,它们相互它们相互接触时接触时,其交界区域称为其交界区域称为PN结。结。PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。半导体的基本原理是半导体在外加电压下半导体的基本原理是半导体在外加电压下,内部的一部分电子发生漂移内部的一部分电子发生漂移,从而产生电流。从而产生电流。通过巧妙的设计通过巧妙的设计,可以使电子在物体内部发生可以使电子在物体内部发生 局部聚集局部聚集,产生反电压产生反电压,实现单向导电。实现单向导电。P型半导体型半导体每掺入每掺入1个硼原子就可以提供个硼原子就可以提供1个空穴个空穴,又称为空穴型半导体。又称为空穴型半导体。N
18、型半导体型半导体每掺入每掺入1个磷原子就可产生个磷原子就可产生1个自由电子个自由电子,又称为电子型半导体。又称为电子型半导体。在一块完整的硅片上在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一用不同的掺杂工艺使其一边形成边形成N型半导体型半导体,另一边形成另一边形成P型半导体型半导体,那么那么在两种半导体交界面附近就形成了在两种半导体交界面附近就形成了PN结。结。2.有些电子从有些电子从N型区向型区向P型区扩散型区扩散,也有一些空穴也有一些空穴 从从P型区向型区向N型区扩散。型区扩散。1.将将P型半导体与型半导体与N型半导体制作在同一块硅上。型半导体制作在同一块硅上。3.扩散到扩散到P区的自由电子与
19、空穴复合区的自由电子与空穴复合,而扩散到而扩散到N 区的空穴与自由电子复合。区的空穴与自由电子复合。4.P区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子,N区区 一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些 不能移动的带电粒子就是空间电荷。不能移动的带电粒子就是空间电荷。5.扩散运动与漂移运动达到动态平衡时扩散运动与漂移运动达到动态平衡时,将在将在P区区和和N区的交界面附近形成一个很薄的稳定的空间区的交界面附近形成一个很薄的稳定的空间电荷区电荷区,称为称为PN结。结。6.空间电荷区将形成一个内电场空间电荷区将形成一个内电场,其方向从带正
20、电其方向从带正电 的的N区指向带负电的区指向带负电的P区区,阻止扩散运动的进行。阻止扩散运动的进行。7.空间电荷区具有一定的宽度空间电荷区具有一定的宽度,形成电位差形成电位差,在无外在无外 电场或其他因素激励时电场或其他因素激励时,电流为零。空间电荷区电流为零。空间电荷区 有时又称为耗尽区。扩散越强有时又称为耗尽区。扩散越强,空间电荷区越宽。空间电荷区越宽。PN结正偏时结正偏时,正向电流较大正向电流较大,相当于相当于PN结导通结导通;PN结反偏时结反偏时,反向反向电流电流很小很小,相当于相当于PN结截止。结截止。PN结的单向导电性结的单向导电性 当当PN结上加的反向电压增大到一定数值时结上加的
21、反向电压增大到一定数值时,反向反向电流突然剧增电流突然剧增,这种现象称为这种现象称为PN结的反向击穿。结的反向击穿。1833年年,英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下一般情况下,金金属的电阻随温度升高而增加属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。半导体现象的首次发现。1839年年,法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结触形成的结,在光照下
22、会产生一个电压在光照下会产生一个电压,也就是也就是“光生伏特效应光生伏特效应”,这是被发现的半导体的第二个这是被发现的半导体的第二个特征。特征。1874年年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性即它的导电有方向性,在在它两端加一个正向电压它两端加一个正向电压,它是导通的它是导通的;如果把电压如果把电压极性反过来极性反过来,它就不导电它就不导电,这就是半导体的整流效这就是半导体的整流效应应,也是半导体所特有的第三种特性。也是半导体所特有的第三种特性。1873年年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下英国的史
23、密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应电导增加的光电导效应,这是半导体的第四种特性这是半导体的第四种特性。1947年年12月月,美国贝尔实验室总结了半导体的四美国贝尔实验室总结了半导体的四个特性个特性:负的电阻率温度特性负的电阻率温度特性,光生伏特特性光生伏特特性,整流整流特性特性,光电导特性。光电导特性。1969年年,中科院长春物理所研制成功中科院长春物理所研制成功LED(半导体半导体发光二极管发光二极管),半导体照明取代节能灯已经成为不半导体照明取代节能灯已经成为不可阻挡的趋势可阻挡的趋势。半导体在科学技术半导体在科学技术,工农业生产和生活中有着工农业生产和生活中有着广泛的应用。例
24、如：电视、半导体收音机、广泛的应用。例如：电视、半导体收音机、电子计算机、半导体照明电子计算机、半导体照明(LED灯灯)等。等。1954年年,第一台半导体计算机由贝尔电话公司第一台半导体计算机由贝尔电话公司研制成功。研制成功。1978年年,超大规模集成电路开始应用。超大规模集成电路开始应用。(九九)物质的第四种状态物质的第四种状态 等离子体研究等离子体研究等离子体又叫做电浆等离子体又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。等离子体是物质的第四态化气体状物质。等离子体是物质的第四态,即
25、电离即电离了的了的“气体气体”,它呈现出高度激发的不稳定态它呈现出高度激发的不稳定态,其中其中包括离子包括离子(具有不同符号和电荷具有不同符号和电荷)、电子、原子和、电子、原子和分子。分子。等离子体的运动主要受电磁力的支配等离子体的运动主要受电磁力的支配,在整体上在整体上呈电中性呈电中性,却是一种很好的导电体。利用经过巧却是一种很好的导电体。利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。对于整个宇宙来讲对于整个宇宙来讲,几乎几乎99.9以上的物质都是以上的物质都是以等离子体态存在的。等离子体分为高温等离以等离子体态存在的。等离子体分为高温等离子体
26、和低温等离子体两种。子体和低温等离子体两种。等离子体的应用有等离子体的应用有:等离子电视等离子电视,婴儿尿布表面婴儿尿布表面防水涂层防水涂层,增加啤酒瓶阻隔性增加啤酒瓶阻隔性,电脑芯片的蚀刻、电脑芯片的蚀刻、军用飞机的离子体隐身技术等。军用飞机的离子体隐身技术等。1879年年,英国的克鲁克斯采用英国的克鲁克斯采用“物质第四态物质第四态”这个这个名词来描述气体放电管中的电离气体。名词来描述气体放电管中的电离气体。1929年年,美国的汤克斯和朗缪尔指出了等离子体美国的汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波中电子密度的疏密波(即朗缪尔波即朗缪尔波)。1936年年,苏联的朗道给出了描述等离子体
27、速度苏联的朗道给出了描述等离子体速度分布函数的福克普朗克方程中由于等离子体中分布函数的福克普朗克方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的符拉索夫提出了符拉索夫方程年苏联的符拉索夫提出了符拉索夫方程,即即弃去碰撞项的无碰撞方程。弃去碰撞项的无碰撞方程。1942年年,瑞典的阿尔文指出瑞典的阿尔文指出,当理想导电流体处在当理想导电流体处在磁场中磁场中,会产生沿磁力线传播的横波会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波即阿尔文波)。同年印度的钱德拉塞卡提出用试探粒子模型来研同年印度的钱德拉塞卡提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。究弛豫
28、过程。1946年年,朗道证明当朗缪尔波传播时朗道证明当朗缪尔波传播时,共振电子会共振电子会吸收波的能量造成波衰减吸收波的能量造成波衰减,这称为朗道阻尼。朗道这称为朗道阻尼。朗道的这个理论的这个理论,开创了等离子体中波和粒子相互作用开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。和微观不稳定性这些新的研究领域。19351952年年,苏联的博戈留博夫、英国的玻恩苏联的博戈留博夫、英国的玻恩等从刘维定理出发等从刘维定理出发,得到了不封闭的方程组系列得到了不封闭的方程组系列,名为名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等链。由它可导出符拉索夫方程等,这这给等离子体动力论奠定了理论基础。
29、给等离子体动力论奠定了理论基础。等离子体球等离子体球 等离子体聚变等离子体聚变(十十)人类的好帮手人类的好帮手 机器人技术机器人技术“机器人学的进步和应用是机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有世纪自动控制最有说服力的成就说服力的成就,是当代最高意义上的自动化。是当代最高意义上的自动化。”宋健宋健 中国工程院院长中国工程院院长从现在世界工业发展的潮流看从现在世界工业发展的潮流看,发展机器人是一发展机器人是一条必由之路。没有机器人条必由之路。没有机器人,人将变为机器人将变为机器;有了机有了机器人器人,人仍然是主人。人仍然是主人。类人机器人类人机器人1920年年,捷克作家卡雷尔捷克作家卡雷尔卡
30、佩克发表了科幻剧本卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人罗萨姆的万能机器人。在剧本中。在剧本中,卡佩克把卡佩克把捷克语捷克语“Robota”写成了写成了“Robot”,“Robota”是奴是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响的悲剧性影响,引起了大家的广泛关注引起了大家的广泛关注,是机器人是机器人一词的起源。剧中一词的起源。剧中,机器人按照其主人的命令默默机器人按照其主人的命令默默地工作地工作,没有感觉和感情没有感觉和感情,以呆板的方式从事繁重的以呆板的方式从事繁重的劳动。后来劳动。后来,罗萨姆公司成功使机器人具有了感情罗萨姆公司成
31、功使机器人具有了感情,导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中劳动中,机器人成了必不可少的成员。机器人发觉机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正人类十分自私和不公正,终于造反了终于造反了,机器人的体能机器人的体能和智能都非常优异和智能都非常优异,因此消灭了人类。因此消灭了人类。但是机器人不知道如何制造它们自己但是机器人不知道如何制造它们自己,认为它们认为它们自己很快就会灭绝自己很快就会灭绝,所以它们开始寻找人类的幸所以它们开始寻找人类的幸存者存者,但没有结果。最后但没有结果。最后,一对感知能力优于其它一对感知能力优于其它机器人
32、的男女机器人相爱了。这时机器人进化机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类为人类,世界又起死回生了。世界又起死回生了。1942年年,美国科幻巨匠阿西莫夫提出美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三机器人三定律定律”。虽然这只是科幻小说里的创造。虽然这只是科幻小说里的创造,但后来但后来成为学术界默认的研发原则。成为学术界默认的研发原则。民用机器人行为三定律民用机器人行为三定律:第一第一,机器人不能伤害人类机器人不能伤害人类,或坐视人类受到伤害或坐视人类受到伤害 而袖手旁观。而袖手旁观。第二第二,在满足第一条的前提下在满足第一条的前提下,机器人要服从人类机器人要服从人类 的命令。的命令。第三第三,
33、在满足前两条的前提下在满足前两条的前提下,机器人要保护自己。机器人要保护自己。结论：结论：机器人造机器人很容易机器人造机器人很容易,所以机器人所以机器人 的繁衍速度惊人。的繁衍速度惊人。智能机器人的第一个任务是发明更先进的智能机器人的第一个任务是发明更先进的 机器人机器人,所以机器人的进化速度惊人。所以机器人的进化速度惊人。1959年年,美国人德沃尔与美国发明家约瑟夫美国人德沃尔与美国发明家约瑟夫英格英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后成立了伯格联手制造出第一台工业机器人。随后成立了世界上第一家机器人制造工厂世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和
34、宣传公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为他也被称为“工业机器人之父工业机器人之父”。1969年年,日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人于研究仿人机器人,被誉为被誉为“仿人机器人之父仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长技术见长,催生出本田公司的催生出本田公司的ASIMO和索尼公司和索尼公司的的QRIO。世界最先进的仿人机器人世界最先进的仿人机器人,日本本田公司日本本田公司AS
35、IMO(阿西莫阿西莫)直立行走智能机器人直立行走智能机器人可以奔跑和识别可以奔跑和识别面部表情面部表情索尼公司索尼公司QRIO机器人机器人1978年年,美国美国Unimation公司推出通用工业机器人公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。至今仍然工作在工厂第一线。1981年年,日本川崎重工的一名工程师在修理机器人日本川崎重工的一名工程师在修理机器人时时,忘记彻底关掉其电源，结果被机器人用手臂推忘记彻底关掉其电源，结果被机器人用手臂推进了一个研磨机床而丧生。进了一个研磨机床而丧生。1989年年,苏
36、联举行国际象棋人机大战苏联举行国际象棋人机大战,由于国际象由于国际象棋冠军古德柯夫连胜三局棋冠军古德柯夫连胜三局,机器人机器人“恼羞成怒恼羞成怒”,突突然向金属棋盘释放强电流然向金属棋盘释放强电流,在众目睽睽之下将这在众目睽睽之下将这位国际象棋大师电毙。位国际象棋大师电毙。2002年年,丹麦丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍它能避开障碍,自动设计行进路线自动设计行进路线,还还能在电量不足时能在电量不足时,自动驶向充电座。自动驶向充电座。Roomba是是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2007
37、年年,美军自动攻击机器人美军自动攻击机器人SWORD TALON在一次测试中失灵在一次测试中失灵,向四周开火向四周开火,结果造成结果造成9人死人死亡亡,14人受伤。人受伤。导游机器人导游机器人美国美国BIGDOG战斗机器狗战斗机器狗“泰迪熊泰迪熊”救援机器人救援机器人“剑剑”军事机器人军事机器人美军正在操控美军正在操控军事机器人军事机器人美军研制的美军研制的“魔爪魔爪”军用机器人军用机器人 大型战斗机器人大型战斗机器人 空间战斗机器人空间战斗机器人2008年年,华盛顿大学华盛顿大学,航空航天系助教航空航天系助教,克里斯蒂克里斯蒂摩根森领导的科研团队成功制造出一种仿生机摩根森领导的科研团队成功制
38、造出一种仿生机器鱼。它们外形虽然不同于真正的鱼类器鱼。它们外形虽然不同于真正的鱼类,却能够却能够像鱼一样游泳和活动。机械鱼的动力装置却跟像鱼一样游泳和活动。机械鱼的动力装置却跟真的鱼一样真的鱼一样,是前后划水的是前后划水的“鱼鳍鱼鳍”,克服了螺旋浆克服了螺旋浆的种种弊端。机器鱼能够在水下发出电子信号的种种弊端。机器鱼能够在水下发出电子信号,通过压力波完成相互间的数据传输。所以通过压力波完成相互间的数据传输。所以,它们它们能够在水下相互交流能够在水下相互交流,共同完成一些动作共同完成一些动作,例如例如集合和解散。集合和解散。2010年年,佐治亚州理工学院的科学家亚金教授佐治亚州理工学院的科学家亚
39、金教授率领的研究小组率领的研究小组,开发出开发出“欺骗欺骗”的计算机算法的计算机算法,并成功教会小机器人骗人。并成功教会小机器人骗人。日本最新机器人欣赏日本最新机器人欣赏“E.M.A.”(永恒的少女永恒的少女)80秒内解开魔方的机器人秒内解开魔方的机器人斟酒服务员机器人斟酒服务员机器人牙科实习机器人牙科实习机器人机器人机器人“Twendy-One”从烤面包机取出一片面包从烤面包机取出一片面包放在盘子上。它的目标是帮助行动不便的老年人。放在盘子上。它的目标是帮助行动不便的老年人。击鼓机器人击鼓机器人 智能社交机器人智能社交机器人“西蒙西蒙”带有自主意识的女性机器人带有自主意识的女性机器人会跳舞的
40、女性机器人会跳舞的女性机器人会做饭的机器人会做饭的机器人 索尼公司索尼公司AIBO机器狗机器狗美国太空机器人美国太空机器人Robonaut 22011.11.26,好奇号升空开始火星之旅好奇号升空开始火星之旅,好奇号以核燃料钚提供动力。好奇号以核燃料钚提供动力。世界上最先进的机器人世界上最先进的机器人“好奇号好奇号”火星车火星车好奇号可以自主决定前进的方向好奇号可以自主决定前进的方向,探测的地形和探测的地形和取样的岩石取样的岩石,相当于一个地质学专家和多功能实相当于一个地质学专家和多功能实验室。验室。奥运会中使用的福娃机器人奥运会中使用的福娃机器人天马博士是世界闻名的天才科学家天马博士是世界闻
41、名的天才科学家,他的儿子他的儿子却在车祸中意外身亡。博士按照儿子生前的却在车祸中意外身亡。博士按照儿子生前的模样制造了一个机器人模样制造了一个机器人铁臂阿童木铁臂阿童木。并。并赋予它超常本领赋予它超常本领:10万匹马力和万匹马力和7种武器种武器(屁股屁股机关枪、手臂加农炮、钻头攻击、体力恢复机关枪、手臂加农炮、钻头攻击、体力恢复等等),他的任务是拯救人类。他的任务是拯救人类。控制机器人的基础控制机器人的基础计算机程序设计技术计算机程序设计技术“计算机将会具有人的智慧计算机将会具有人的智慧,如果一个人和一台如果一个人和一台机器对话机器对话,对于提出和回答的问题对于提出和回答的问题,这个人不能这个
42、人不能区别到底对话的是机器还是人区别到底对话的是机器还是人,那么这台机器那么这台机器就具有了人的智能。就具有了人的智能。”图灵图灵,英国人英国人,计算机科学先驱计算机科学先驱1956年年,美国的美国的A.Newell、J.Shaw和和H.A.Simon合作编制了一个名叫合作编制了一个名叫“逻辑推理机逻辑推理机”的程序系统的程序系统,证明了证明了A.N.White head和和B.A.W.Russel写的写的世界数学名著世界数学名著数学原理数学原理中的中的38条定理。学条定理。学者们普遍认为这是用计算机对人的高级思维活动者们普遍认为这是用计算机对人的高级思维活动进行研究的第一个重大突破进行研究的
43、第一个重大突破,是人工智能研究的是人工智能研究的真正开端。真正开端。1969年年,德克斯特拉德克斯特拉(Dijkstra,荷兰人荷兰人,1972年年获图灵奖获图灵奖)提出结构化程序设计方法提出结构化程序设计方法:程序由三种控制结构程序由三种控制结构:顺序结构顺序结构,选择结构选择结构,循环结构组成。循环结构组成。自顶向下自顶向下,逐步求精逐步求精:把问题分成几个子问题把问题分成几个子问题,每个子问题对应一个程序块。每个子问题再每个子问题对应一个程序块。每个子问题再 分成更小的子问题分成更小的子问题,直到能直接用语言编写直到能直接用语言编写 程序为止。程序为止。把数据分成几种不同的基本数据类型把
44、数据分成几种不同的基本数据类型,再用再用 基本数据类型构造新的数据类型。基本数据类型构造新的数据类型。程序设计过程程序设计过程 需求分析需求分析:按需设计。按需设计。程序设计程序设计:自顶向下自顶向下,逐步分解逐步分解,模块化。模块化。编码编码:源程序的编写与优化。源程序的编写与优化。测试与排错测试与排错:测试数值的等价类划分与边界值测试数值的等价类划分与边界值 分析。分析。“程序程序=算法算法+数据结构数据结构”沃思沃思(瑞士人瑞士人,Pascal 之父之父,1983年获图灵奖年获图灵奖)“软件软件=程序程序+说明文档说明文档”软件工程软件工程“一个好的算法就像一段音乐一个好的算法就像一段音
45、乐,一个好的程序如同一个好的程序如同 一部文学作品。一部文学作品。”克努特克努特,“计算机的圣经计算机的圣经”计算机程序设计艺术计算机程序设计艺术作者作者,1974年获图灵奖年获图灵奖.程序员社区社长谈编程经验：程序员社区社长谈编程经验：学通一门计算机语言学通一门计算机语言(C语言语言),然后就能触类然后就能触类 旁通。旁通。编程的诀窍就是编程的诀窍就是:编程编程,编程编程,再编程。再编程。编程从输入教材上的例程开始。编程从输入教材上的例程开始。老子说老子说:“匍地而行匍地而行,能登最高位。能登最高位。”编程一开始就要注意格式规范。编程一开始就要注意格式规范。程序员的程序员的11层搂层搂楼楼层
46、层职职称称特点特点成才途径成才途径1 菜菜鸟鸟 懂计算机的基本懂计算机的基本操作操作,掌握一门基掌握一门基本的编程语言。本的编程语言。如：如：C。读一本应用基础读一本应用基础,及及C语言程序设计语言程序设计,将书中的内容操作将书中的内容操作熟练即可。熟练即可。2 大大虾虾 掌握一种开发环掌握一种开发环境境,如：如：C+；学；学习常用的各种数习常用的各种数据结构与算法据结构与算法。努力努力23年年,阅读并阅读并实践实践C+程序设计程序设计和和数据结构与算数据结构与算法法,略知一些其他略知一些其他专业知识。专业知识。3 牛牛人人 了解编译器的原了解编译器的原理理,了解操作系统了解操作系统的内部机制
47、的内部机制,了解了解处理器的基础知处理器的基础知识识,深入学习更多深入学习更多的数据结构与算的数据结构与算法。法。掌握掌握3050本书。本书。以数据结构算法来以数据结构算法来说说,至少要看至少要看510本这方面的著作。本这方面的著作。4 大大牛牛写操作系统写操作系统,或写或写编译器编译器,或懂得或懂得TCP/IP协议的底协议的底层实现层实现,或写一个或写一个服务器服务器,或写一个或写一个数据库。数据库。掌握掌握200400本专本专业书业书,经常关注网经常关注网络和期刊杂志上的络和期刊杂志上的各种最新信息。各种最新信息。5 专专家家 做基础研究做基础研究,例如例如研究非数值计算。研究非数值计算。
48、掌握掌握5001000本本以上的专业书籍以上的专业书籍,经常到专业学术站经常到专业学术站点下载论文学习。点下载论文学习。6 学学者者 熟悉各种基础性的熟悉各种基础性的结构与算法结构与算法,并在并在前人的基础上进行前人的基础上进行一些改进。注意这一些改进。注意这里的改进是学术层里的改进是学术层面的创新面的创新,是基础是基础研究方面的创新。研究方面的创新。将基础问题的各种将基础问题的各种解决方法都编写解决方法都编写 一遍一遍,并比较各种并比较各种方法的区别和适用方法的区别和适用范围。某天脑袋里范围。某天脑袋里灵光一现灵光一现,突然间突然间发现更好的方法。发现更好的方法。7 大大师师 设计一个全新算
49、法设计一个全新算法,或设计一种重要的或设计一种重要的编程语言。编程语言。提供原创的思路和提供原创的思路和方法方法,解决前人没解决前人没有解决的问题。有解决的问题。8 科科学学家家 开创一门分支学科开创一门分支学科,或在某个分支学科或在某个分支学科里作出里程碑式的里作出里程碑式的重大贡献。例如：重大贡献。例如：开创数据结构与算开创数据结构与算法这门学科法这门学科,提出巴提出巴科斯范式。科斯范式。提出一整套思路与提出一整套思路与方法方法,解决一系列解决一系列问题。问题。9 大大科科学学家家 开创一门大学科。开创一门大学科。例如：彻底解决自例如：彻底解决自然语言的机器翻译然语言的机器翻译这门学科中的
50、核心这门学科中的核心问题问题,或在人工智或在人工智能、机器视觉能、机器视觉(图图像识别像识别)方面有突方面有突破性的发现。破性的发现。需要一点运气或需要一点运气或集前人之大成。集前人之大成。10 大大哲哲 告诉我们人类发现能力告诉我们人类发现能力所能达到的极限。例如：所能达到的极限。例如：揭开计算机算法设计能力揭开计算机算法设计能力的极限。或发现一套计算的极限。或发现一套计算机可以理解的数学公理系机可以理解的数学公理系统统,使计算机具有真正意义使计算机具有真正意义上的逻辑思维和推理能力。上的逻辑思维和推理能力。集前人之大集前人之大成成,并提出并提出一个基本一个基本思想思想,奠定奠定一门学科的一
