因此，本发明的目的是提供利用定形粒状运动现象适用于批量(bulk)效应自动(robotic)控制的系统和方法。用于多个物体的自动控制系统包括接受物体的容器。将多个微粒放置在容器中，并提供为多个微粒施加能量的部件，以在该部件中建立定形粒状运动，从而形成多个重复的垂直方向驻波。提供与能量施加部件相耦合的信号发生器，用于将具有预定波形的能量在相对另一个驻波的预定位置上施加到驻波的动态位置上。驻波预定位置将物体动态地设置到预定的结构中。在另一个方面，提供了适用于多个物体的自动控制方法，其中提供了容器并且在容器中提供了多个微粒。在容器中添加了需要控制的多个物体，并且多个微粒由带有预定波形的能量来搅拌，使其产生驻波图形。微粒驻波图形动态地设置该物体。将基片定位在容器中，并且使得该基片能适于在上面粘合物体。
图2是显示采用C60分子作为微粒的定形粒状运动的示意图。
图3是显示本发明一个实施例的示意方框图。
图3A是显示用于本发明专利申请主题的能量施加系统替换结构的示意方框图。
图4是显示由本发明专利申请主题的被操纵物体的示意图。
图5是显示本发明专利申请主题的替换实施例的示意图。
图5A是显示图5所示的本发明的示范电场发射电极装置实施例的示意图。
图6是显示本发明替换实施例中需操纵物体的示意图。
图6A是显示来源于本发明计算机模拟的库仑电场强度的三维绘图示意图。
图7是显示在第一位置设置基片的本发明替换实施例的示意方框图。
图8是显示在第二位置设置基片的本发明替换实施例的示意方框图。
图9是显示在凝胶中放置需操纵物体的本发明示意图。
图10是显示需操纵的物体是碳纳米管的本发明示意图。
图11A，11B，11C是显示通过本发明的各种方法使碳纳米管变形的示意图。
图12是显示带有反馈的本发明的示意图。
具体参考图1和图3，所示的系统100在其容器120中放置了多个微粒110。能量施加系统140将能量施加到容器120来振动其中的至少一个壁，例如底壁122。壁122的振动在微粒110中建立了定形粒状运动，以形成多个垂直方向重复的驻波112。可以振动多个壁来获得驻波112的特别图形。在容器120中也提供了需要控制的多个物体130。在带有物体130的驻波112的微粒110之间的碰撞动态设置了符合驻波的物体。在以“条纹”方式形成驻波的地方，能够实现使物体成行。通过使用复合波形施加能量的方法来形成驻波图形，驻波能量能够位于预定位置。
能量施加系统140可以包括一种或更多种由信号源150驱动的振动传动装置142。振动传动装置142可以是诸如机电或压电器件，它机械耦合到容器壁122。另外的压电器件可以集成结构的形式合并到底壁结构中。信号源150包括至少一个信号发生器154，它能够输出有预定波形来驱动振动传动装置142的电子信号。从信号发生器154输出的信号可以是非正弦振荡信号来形成微粒介质110的非均匀间距的驻波。
如图3A所示，能量施加系统140可以由多个振动传动装置142a-142n形成，各个装置分别由信号源150驱动。信号源150可以由多路输出的单个信号发生器构成，或者，如图所示，由多个信号发生器154a-154n构成，各自都具有分别与振动传动装置142a-142n相耦合的输出145a-145n。为了与容器120中介质所形成的最终振动图形相同，信号发生器154a-154n与控制器152相耦合，控制器向各个信号发生器154a-154n提供控制信号并且可以接收各个信号发生器状态。控制器152可以是编程来控制信号发生器的微处理器或个人计算机。多个振动传动装置142a-142n可以是分立器件或在容器的一个或更多的壁中集成形成的。
继续参考图3并且另外参考图4，施加到容器120中微粒110的能量建立了垂直驻波112，该驻波通过多个物体相互间的碰撞同时机械控制了多个物体130。在带有各自物体130的驻波中的微粒间会发生多次碰撞，其中施加的力由方向箭头102表示，它将物体动态定位于与驻波相一致的位置上。这样，在驻波建立特定图形处(例如，条纹，正方形，六边形，等等)的位置上，可动态设置物体，使之能够与这些图案形相一致。通过控制施加到微粒110能量的波形和频率能够如所需建立图形。举例说，被控制的物体可以是集成电路芯片，分立电路元件，传导元件，或机械元件。该物体的动态设置能够代表多个同时形成的基本相同的电路或图形。类似地，被控制的物体可以是装配到多个基本相同的机械部件或系统的机械元件。正如将图7实施例所描述的，基片134设置在容器120中并且适合于在其表面粘结物体130。
通过将能量施加到微米尺度的微粒来建立在容器120中的垂直振动使微粒下降到微米尺度的微粒粒状运动。不过，为了控制纳米尺度物体，就需要建立在纳米尺度微粒中建立定形粒状运动，这到目前为止还没有完成。
关于在纳米尺度微粒间引导定形粒状运动，存在着许多关于通过纳米尺度微粒与容器壁碰撞使附加能量聚焦至微粒的问题。在容器振荡壁中的不完全性能量导致在微粒的横向波动速度中的各相异性并且振荡壁的法线力将很可能不均匀地以纳米尺度分布到微粒上，导致具有低断裂能量的微粒中断振荡。另外，对物理振荡壁的精确控制需要产生纳米尺度间距的驻波，这用现有技术的变换器不易完成。
为了克服这些问题，将由线105代表的空间均匀电场施加到容器120的部分108上，如图5所示。通过利用充电微粒110’，振荡电场模拟垂直振动表面，垂直加速微粒。采用这样小尺寸的微粒产生了其它必需要解决的问题。布朗运动必须最小化，微粒内部碰撞需要适当地释放能量，并且微粒自身需要有足够的结构强度来避免在碰撞中碎裂。选择使用纳米尺度微粒，具有定形粒状运动的微粒必须采用振荡电场来建立，并且单个分子有封闭网状(cage)结构。这样的封闭网状结构如C60分子，其结构基本上是球形。其它有类似特性的分子，诸如C80，C140，C180和C240也可以用作纳米尺度的微粒。C60分子，称作勃克明斯特富勒烯(buckminsterfullerene)分子或“巴基球”，它能够被充电荷并且有足够的强度来经受当定形粒状运动建立时发生的多次重复碰撞。如图2所示，勃克明斯特富勒烯分子用作微粒110’并且通过施加一种或更多种振荡电场建立垂直驻波112，其中驻波与被机械加速的较大微粒的运动相一致。
为了垂直加速微粒110’，微粒110’被充电并且系统100’的能量施加系统140包括电场发射系统145，其含有多个设置在接近容器120处的电极以在容器中建立一个或更多个振荡电场。在至少两个电极板之间设置微粒110’，由信号源150提供具有预定波形的电信号加至电极上。这个结构模拟了垂直振动表面来建立微粒的定形粒状运动。微粒110’的垂直驻波112将动态设置纳米尺度物体130。但是，取代由机械碰撞控制，可由库仑场控制纳米尺度的物体，各个物体的尺寸直径或最小的外侧轮廓尺寸小于10微米。
现在参考图5A，这可作为用于在容器120中建立所需电场所设置电极的例子。通过在围绕容器120的充相反电荷的电极板144和146之间形成电场可获得充电微粒110’的加速。虽然所示平板144和146为环形，但这仅仅是举例，并且可在脱离这里体现的本发明概念的条件下以不同形状来形成。
另外参考图6，在平板144和146之间建立的振荡场将能量加到充电微粒110’，能量增加引起振荡，但不必是周期性的。这样形成的各个驻波建立了相应的场106，这些场对各自物体130都施加了明显的库仑力，这些物体自身具有与各相应的106相互作用的场104。
被控制的物体130可以是不带电的，或是充电的并且其极性与粒状驻波112的充电极性相同或相反，以建立物体的预定结构或使之变形。其中物体130带电荷，有相对于典型驻波112的极性，并且在其间建立了吸引力。如在下面的段落中所讨论的，通过在容器120中产生的驻波图形所建立的库仑电荷能够用于使物体变形到预定的结构，或相反地仅仅把它们设置为特定的图形，或使用电荷的差异来排序物体。
继续参考图5A，电极板144和146电子耦合到信号源150，信号源提供了具有预定波形的振荡信号来建立在容器120中的微粒110’所需的驻波图形。如图3和3A所讨论的，可由一个或更多的信号发生器构成信号源150，信号发生器能够内部编程或通过使用外部控制器编程来合成所需的波形图形。可以傅里叶级数来表示所产生的信号波形，其中所选择的系数提供了所需形状的输出信号波形。通过控制施加到板144，146的信号波形形状，能够控制微粒驻波位置。因此，也能够控制驻波所产生场的形状或布局。通过控制微粒110’的驻波所产生场的形状或布局，物体130能够被设置为预定的图形，或采用其它的已知方法操作。
通过组合在容器120中建立的多个电场可以进一步控制驻波的位置。除在电极板144和146之间建立场外，还可以在各个相对侧电极对143之间建立另外的场，这些场可以在接近容器120的地方添加。基本上一起围绕着容器120的多个侧电极143，各自通过具有预定波形的信号分别被激励。另一种方法是将电极板144，146分成多个部分，各个部分分别被激励这种结构可以单独地使用，或结合多个侧电极143，并且类似于使用多个图3A实施例的振动传动装置。
为了说明可获得的控制程度，参考如图6A所示的三维点图。点图显示了由计算机模拟得到的场强分布。该模拟显示了库仑场能够以预定图形分布，符合微粒驻波分布，其中驻波的分布是由容器中建立的电场强度图形所控制的。
采用这里描述的方法和系统所控制的纳米尺度物体包括分子二极管，分子晶体管，分子逻辑器件或其它由单个分子形成的电路，具有“导线”功能的分子结构，具有医疗/药理重要性的分子，等等。该方法也可以用于控制和装配计算机元件，其它新型纳米计算机，和纳米机械。
虽然人们对由单个分子制成的电子器件和电路的发展很有兴趣，人们也对能够用作将分子和其它纳米尺度电路结合成更复杂功能的互连传导元件结构有巨大的兴趣。一种很有发展潜力的传导元件是碳纳米管。通过调整微粒110’驻波的位置，诸如纳米管之类的物体就能够设置成预定的电路图形。为了能产生可使用电路图形，需要将纳米管130涂覆在基片上，从而将分子电路元件组合成更复杂的电路。
参见图7，显示了将物体130涂覆到基片上的一种方法。在这个例子中，基片134放置在物体130上面，其中基片134的下表面用于粘合物体。这样的“适用方法”可以是选择具有结合物体130亲合力的基片材料，提供物体130和基片134间键合的涂覆应用，或施加特殊的电荷到基片134上以吸引物体130。在建立定形粒状运动之前或之后，可以将基片134放置在容器120中或上面。一旦物体130被放置到底部基片的表面，基片可以与容器120分离并且传递到下一个处理操作，这可以包括将基片分离成多个单个元件，就象将大晶片分离为多个集成电路芯片。于是，多个基本相同并且可分离的纳米电路或电路图形能够被同时形成。
在多个微粒110’和基片134底部表面之间放置物体的空间124可以填充介质，诸如真空，气体，流体，或凝胶。这类介质要便于处理，或有利于被控制的物体的微粒特性，或易于将微粒材料用作微粒。
现在参考图8，显示了放置物体130并且施加到基片上的另一种方法。该结构中，将基片134设置到物体130和微粒110’之间，并具有通过基片134作用在物体130上的驻波112所产生的电场。物体130能够通过上述方法粘合到基片134上，或在放置物体之后处理，以将它们粘贴到基片134。基片134能够形成放置微粒110’的容器120部分的罩子。因此，在微粒110’和基片134之间的空间124可以填充促进所需特性的所需介质，诸如使用真空以减小将引入的气体或流体分子的阻力。在基片134上面，空间126可以填充相同或不同的介质。例如，如果物体130是以液体方式批量处理而制成的分子电路，则该液体可以保持在空间126中直到物体130被放置在所需的结构。在另一方面，该微粒可以放置在被抽空的空间中以减小它们运动的阻力。
当排序分子进行医疗/药理应用时，在空间126中的介质可以是凝胶。如图9所示，凝胶放置在基片134上面，并且将物体130a和130b以不同的方向放置以产生由微粒110’驻波112形成的电场，其中微粒110’是非凝胶介质。这样的凝胶广泛用于电泳处理。在纳米尺度微粒中建立的定形粒状运动提供了对电泳处理的更精确的控制，以及具有以两维或三维的方式进行该项处理的能力。
现在参考图10，图中显示了放置在基片134上的碳纳米管130c。除了在基片134上的精确位置放置纳米管130c，此外，微粒110’的驻波112能够用于使纳米管130c变形。该变形的范围从纳米管的电子特性不受影响的轻微角度偏移或平移一直到能够产生纳米管电子特性变化的扭结。于是，如图11A，11B和11C所示，在驻波采用条纹112’的形式时，充负电的纳米管130c将使其与带相反极性电荷的相关条纹112’对准。这样，在图11C中，当相关的条纹112’为弓形时，纳米管130C将同样地弯曲到弓形形状。如图11A所示，弓形半径为小时，纳米管130c将弯曲到“扭结”的程度，其中纳米管的电子特性受到影响。如图11B所示，除了这样的变形，纳米管130c能够从一个位置转换到另一个。当驻波被设置成更复杂的图形时，纳米管130c能够同样地变形到更复杂的形状。
这样，通过将有预定波形的振荡信号施加到电场发射系统145就能够有选择性地形成定形粒状图形结构的预定拓扑结构。由电场发射系统145建立的电场接着将能量施加到布置在容器120中的充电微粒110’，该能量足以建立在微粒中的定形粒状运动。充电微粒110’的定形粒状运动由各个驻波组成，其中驻波产生的电场用于动态设置物体。通过使用电场来建立定形粒状运动，纳米尺度微粒，诸如C60能够用于控制纳米尺度物体。纳米尺度物体，诸如定义为碳纳米管或聚苯撑分子线的导线，限定分子电子器件的分子，量子计算机元件，或纳米机械元件，从而能够整体地控制。
对较大的微米和毫米尺度的器件，可使用振动变换器取代容器120的壁将能量添加到微粒从而建立定形粒状运动。然后通过操纵在驻波和对应物体中微粒间的碰撞，可以将定形粒状运动形成的驻波用于控制物体。如图7所示的结构中关于基片的设置，由容器壁振动位移而产生的驻波所控制物体能够用于粘合到基片的下表面以在其表面提供多个基本相同的图形。
如上面所述，通过指定表示由功率源150提供波形的一个或多个傅里叶级数的预定系数，可建立预定的微粒驻波图形。在分立步骤中可以执行物体控制，并且来自功率源150的信号波形可根据预定程序随时间改变。不过，如果从功率源150输出的波形是基于操纵而主动改变，就能够更精确地进行对物体的控制。图12的系统100”显示了这样的反馈结构。如上所述，信号源150提供了有所建立波形的信号来提供微粒的预定驻波图形。功率源150的输出耦合到能量施加系统140，用于将功率源输出的能量传送到容器120中的微粒。如上所述，能量施加可以是机械的或电子的。
另外，自动化控制系统100”包括检测系统160，对功率源150输出的一种或多种波形的调整提供反馈，从而调整容器120中驻波的位置。当系统100”以平行方式控制多个物体130时，检测系统160监测一部分(至少一个)物体的位置和/或其它特性。根据所检测位置或其它测量特性，检测系统160提供一个输出到功率源150，从而改变一种或多种输出波形。检测系统160可以包括用于检测物体位置的光学/图象或扫描探针显微镜装置。可以包括电子和/或光学监测来检测当物体被控制时物体其它特性的变化。这样，能够使用原子力显微镜的探针来接触被控制的碳纳米管，将探针与电子监测装置相耦合，用来测量诸如纳米管的电传导，并且探测其中“扭结”的结构。例如，采用一种反馈来提供更精确的物体控制。
多个物体自动控制的方法包括以下步骤，即提供容器，该容器能以高频率产生快速微粒回弹，并且在容器中提供多个微粒。将被控制的物体添加到容器中并且用具有预定波形的能量来振动微粒以产生相应的驻波图形(也就是，定形粒状运动)。驻波图形动态设置该物体，其中“设置”可以是由电子器件所定义的预定物体电路结构或由电子传导结构所定义的电子电路的图形。物体的设置也可以形成其它类型的部件。该方法也包括在容器中放置基片，其中基片适合于在那里粘合物体。基片的放置能够在微粒振动之前或之后。通过振动容器壁可以获得多个微粒的振动。在微粒充电为预定极性时，另一种振动微粒的方法是建立容器中的振荡电场。被操纵的物体尺寸小于10微米，也就是，直径小于10微米，或物体最外部轮廓的最小尺寸小于10微米，并且物体可以是单个分子。
微粒自身可以是单个分子，其中这样的分子有封闭网状结构，例如勃克明斯特富勒烯分子。在从真空，气体，流体和凝胶这些物质中所选择的介质中能够独立地提供微粒和物体。采用这种方法，能够在基片上形成多个基本相同的纳米结构(例如，电子，量子，或机械)。这样，就可以平行的方法制造多个电路，电路图形，系统，机械，或部件，形成了批量制造过程。
虽然本发明在描述时结合了特殊的形式和实施例，可以预期在不背离本发明精神或范围的情况下可以对上述讨论的内容进行各种修改。例如，只要不背离在附加权利要求中所限定的本发明的精神或范围，等价元件可以取代在说明书中所显示和描述的元件，一些特征可以相对其它特征独立使用，并且在一些情况下，元件的特定位置可以是相反的或被插入。