1959年，诺贝尔物理学奖获得者、加州理工学院Richard Feyman教授在其著名演讲《在底部还有很大空间》中问到：“为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？”
1981年，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,STM)的发明为人们揭示了一个可见的原子、分子世界，使人们观测物质分子、原子成为可能。发明者Gerd Binning和Heinrich Rohrer也于1986年获得了诺贝尔物理学奖。
1984年，Richard Feyman在他的另外一次演讲中又提出了一个问题：“制造极其微小的、有可移动部件的机器的可能性有多大？”
Richard Feyman 图片来源https://physicsworld.com/a/richard-feynman-from-a-to-z/
2016年，三位科学家Jean-Pierre Sauvage、Sir J.Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa因发明了“行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”获得了诺贝尔化学奖，生动形象地说明了微纳制造的发展历程。
Jean-Pierre Sauvage、Sir J.Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa
以上历程，仅仅是微纳制造技术发展的一个缩影，却生动形象地说明了微纳制造对认识和改造物质世界所做出的巨大贡献。正如中国古代道家典籍《庄子》中描述的蜗牛两根触角上的两个小国家，两根蜗牛触角就是它们的整个世界；又如中国古语所言“螺蛳壳里做道场”、“小天地里大乾坤”，微纳制造及其打造的微/纳机械电子系统将人类社会带进了一个设计和制造的全新领域。
1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后陆续开发出了尺寸为50-500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等微机械。1987年，美国加利福尼亚大学伯克利分校研制出转子直径为60-120μm的硅微静电机，显示出利用硅微加工工艺制造可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。
硅微型压力传感器及硅微静电机 图片来源https://cn.bing.com/images/
20世纪80年代末，美国15名科学家提出“小机器、大机遇：关于新兴领域——微动力学的报告”的国家建议书，声称“由于微动力学（微系统）在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”；此建议得到美国有关机构的重视，这些机构连续大力投资，并把微纳米技术和航空航天、信息作为科技发展的三大重点。
此后，微纳制造在不到30年的时间里，开辟了一个又一个全新的制造领域和产业，微传感器、微执行器、微型构件、微光学元件等微纳器件在航空航天、国防、汽车、生物医学、环境监测等领域展现了良好的应用前景。
如同微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，微纳制造也将对人类社会产生新一轮的影响。内置多种微传感器的智能手机，己经成为人们生活中不可或缺的一部分；汽车工业中大量采用了微传感器和微加速器，提高了人们的舒适性和安全性；医用微系统可以进行视网膜手术、发现并去除癌细胞、修补受损血管等，为人类征服绝症带来了希望；
芯片实验室（LOC)可以把生物医学或化学等领域中的样品制备、生化反应、分离检测等操作过程集成于几平方厘米甚至几百平方毫米的微小芯片上，完成只有在专业实验室用传统方法才能完成的分析和检测；柔性电子突破了传统微电子的设计方法，并在任意形状柔性衬底上实现纳米特征-微纳结构-宏观器件的大面积集成。
微纳制造技术面向的是微米、纳米甚至更小尺度下的加工，其意义在于：①系统或器件的微型化具有降低功耗、缩小体积、便于携带、提高系统可靠性等优点；②节省原材料，利于实现批量生产，大大降低生产成本，同时促进多功能组件的高度集成；③纳米效应（如量子效应、小尺度效应、表面与界面效应以及隧道效应等），利用这类奇异的纳米效应，可使功能体系展示出许多新奇的特性与功能。
然而，当微纳器件的特征尺寸进一步缩小以后，受纳米效应等因素的影响，构件材料本身的力学、热学、电学以及生物学等性质将发生很大的变化，超出了宏观理论所能解释的范畴，使人们无法有效预测并调控微纳结构尺度和性能，成为限制微纳制造发展的瓶颈。因此，微纳制造技术虽然取得了长足的发展，但也面临着巨大的挑战。
1.微纳尺度下的物理效应
相比于宏观结构，微纳尺度下的器件具有更大的比表面积，因此很多在传统理论中被忽略的力和场此时可能会起到主导作用。例如，微纳制造中特有的“黏附”问题，就是由于在微纳尺度下，表面应力如毛细引力、范德瓦耳斯力、氢键和静电力等起主导作用引起的，而这些表面应力在宏观尺度下通常是可以忽略不计的；又如，微纳结构的润湿行为中，表面应力占据主导作用。
另一方面，当材料尺寸降到微米/纳米尺度后，宏观尺度下的相关理论己无法完全准确地适用。例如，当特征尺寸缩小到l00nm以下时，宏观传热学下的基于声子扩散的傅里叶定律己无法完全准确地适用于微纳尺度下的热学分析，宏观尺寸下的热传导是一个线性响应的输运过程，而在微纳尺度下的热输运是非线性的，因此，热流密度并不正比于温度梯度。
2.微纳制造的新原理、新方法
传统的集成电路（1C)工艺受衍射极限、量子效应、微纳尺度下的热传效应等的限制，器件最小特征尺寸难以进一步缩小。2015年，《纽约时报》撰文指出摩尔定律在集成电路制造业的神话即将被打破;摩尔本人也认为摩尔定律到2020年就会黯然失色。因而，人们对微纳制造新原理、新方法的探索一直未曾停止。
纳米压印、丝网印刷、飞秒激光刻蚀、聚焦离子束刻蚀、3D打印等各类新型微纳制造工艺层出不穷，被广泛应用于柔性微纳结构制备、生物组织器官制造、跨尺度结构加工等领域。例如，科学家采用类似传统铸造的方法，通过原子层沉积技术（ALD)在蝇眼的表面沉积一层氧化铝，然后高温锻烧去除生物模版，氧化铝被高温烧结，从而复制出蝇眼结构的跨尺度微纳结构，这一“微纳铸造”目前己经发展成为人们探明大自然中微纳结构的有效方法之一。
然而，从科学原理上来看，这些方法都属于自上而下的微纳制造工艺，如同传统的光刻工艺，需要事先加工高精度的“模板”，工艺流程烦琐，加工精度也受限于“模板”的结构尺寸。相对于自上而下的加工方法，自下而上的加工方法是微纳加工的重要技术和特点之一，它使人们利用单个原子或分子（或纳米材料），在微纳尺度创造新的结构、新的材料、新的功能成为可能。
受天然超疏水荷叶表面微纳分级结构的启发，科学家基于电场辅助的高分辨喷墨打印(E-jet打印)微纳制造系统，结合微流控芯片技术，发展了一种制备防水可变视场的仿生人工复眼的新方法。在聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上制备了分级结构的微透镜阵列和纳透镜阵列，所制造的人工复眼展现了良好的防水性能，可调节视场和可变焦距。
基于天然蜻蜓复眼和天然荷叶超疏水结构的仿生人工复眼的示意图
图片来https://doi.org/10.1007/s40820-020-00499-x
另外，在原子分子尺度从下而上制造微纳系统，以组装方法为例，由于自组装过程的复杂性，尚难以找到如物理定律一样的普遍规律来控制自组装，因为组装条件的不同，相同材料或结构会产生不同的组装结果，具有不同的形态和性质。
1.新型微纳材料的合成与器件
零维、一维和二维纳米材料如量子点、纳米线、纳米管以及石墨烯、二维层状过渡金属硫族化合物（TMDC)等由于量子尺寸效应、表面效应及介电限域效应等而具有许多新颖、优异的性能，使应用此类材料制备的微纳器件具有十分优异的性能，成为未来微纳器件的重要研究方向。
2011年，加利福尼亚大学伯克利分校利用石墨烯覆盖在硅光波导上制备的光调制器的调制速度为1GHz,且有望达到500GHz,而其面积仅为25|im2,为世界上最小的光调制器。
基于新型纳米材料的器件制备通常需要先合成出材料，然后采用自下而上的加工方法将其“堆叠”而成。其中亟待解决的两类关键科学问题是高质量、物性可调纳米材料的合成机理以及高精度、自下而上的器件制备原理，这些问题的解决将极大地推动新型微纳器件的研究与应用。
2.微纳器件的仿生制造与生物兼容性
在人们所处的生物界里，从壁虎能够在垂直的表面爬行，到五彩缤纷的蝴蝶翅膀，这些令人惊奇的生物现象都可以从其微纳结构里寻找到答案。基于此，微纳制造领域的科研工作者进行了大量与生物功能体类似的微纳结构研制，以期模仿各种生物体的行为功能，制造出“蜘蛛侠”、“超人”等。
但迄今为止，这一愿景尚未实现，问题主要在于：一方面，仿生微纳结构制造并不是宏观制造的缩小版本。在微纳米世界，没有了杠杆、金属钳和阀门等在宏观世界中常见的机械组件，同时在纳米尺度，基于连续介质假设的力学模型需要重新审视；实用的仿生微纳结构的制造却是一项极其复杂的工程，目前的微纳米加工工艺还不能制备出结构尺寸和形貌精确匹配的仿生微纳结构。
另一方面，生物体本身就是一个精密的“微纳米系统”，将微纳米技术应用于生物学领域，需要二者具备完美契合的“接口”，也就是人们常说的生物兼容性。将微纳制造与生物学交叉融合以解决一系列的医学难题如治疗癌症、抗衰老等，需实现微纳系统与生物体的兼容性，即从微纳尺度下深入掌握生物体与仿生微纳系统相互作用的本质和科学原理。
3.微纳尺度下的测量问题
门捷列夫曾说过“科学是从测量开始的”，而对于微纳制造，尚缺一把“尺子”。纳米制造和应用是以研究纳米材料和器件在复杂环境中的准确可靠测量为基础的，无论这些纳米材料还是纳米器件具有什么功能，首先需要对其结构特点有一个定量表征。随着新材料和新工艺的不断引入，纳米器件的特征尺寸普遍进入亚l00nm量级，其性能受几何尺寸和纳米粗糙度的影响越来越显著。
但是，传统的测量与表征方式如扫描电子显微镜（SEM)、原子力显微镜（AFM)、接触式探针轮廓仪、共聚焦显微镜等逐渐无法满足技术发展的需求，如高深宽比纳米结构仍无合适的测量原理和方法。
此外，为了保证量值传递的准确性以及对相关测量仪器如SEM、AFM等进行校准，需要研制各种纳米标准样板进行量值溯源和比对。然而，采用何种制备原理及方法才能获得尺寸、精度可控的纳米标准样板还需不断探索，纳米标准样板的溯源理论和体系还未能建立，这在很大程度上制约了微纳制造技术的发展。
作为认识和改造微观世界的重要手段，微纳制造技术经过多年的发展己经取得了显著的成绩并得到了广泛的应用，但仍存在着大量科学难题尚未解决：
1.微观尺度下的物理机理和物理效应无法完全用传统理论来解释；
2.传统的加工原理与方法己经无法满足微纳制造过程中对特征尺寸和精度的需求；
3.尺度的缩小使得微纳测量问题己经成为制约微纳制造发展的突出问题。
要解决这些科学问题，任重而道远。但是我们确信：在“微纳”的“小天地”里，会有更为广阔的“大乾坤”，在微纳制造这个“螺蛳壳”的“道场”里，还会不断诞生更多的传奇故事。
来源于老千和他的朋友们，作者孙千
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简介：兰红波，二级教授，博士，博士生导师，无党派人士，山东省增材制造工程技术研究中心主任，青岛市3D打印工程研究中心主任。国家有突出贡献中青年专家，入选国家百千万人才工程，国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者特聘专家，山东省有突出贡献的中青年专家，青岛市首批创新领军人才。中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会常务委员，国际标准化组织（ISO）增材制造(ISO/TC261)标委会委员，全国增材制造标委会（SAC/TC562）委员，国家知识产权局中国专利审查技术专家。迎难而上，在国内率先开展微纳3D打印研究微纳尺度3D打印是增材制造和微纳制造的前沿技术，被美国麻省理工学院《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术，目前已经被用于航空航天、生物医疗、国防军事、新型电子电路等诸多领域，显示出广阔的工业化应用前景。但是，由于微纳3D打印技术难度大，门槛高，涉及机械、材料、控制、电子等多学科交叉，该技术基本被美国、德国、日本、韩国等少数国家所垄断。兰红波教授带领团队成员迎难而上，在国内率先开展微纳3D打印的研究，凝心聚力，经过近十年的研究和攻关，提出并建立了一种原创性的微纳增材制造新技术：电场驱动喷射沉积微纳3D打印，围绕该技术，从成形原理、理论模型、数值模拟、关键技术和装备、实验研究和工艺优化、工程应用等多个方面开展了系统深入的研究。研制出国内首台具有完全自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，打破微纳3D打印被美国、德国等少数国家垄断，并将该技术应用到高性能柔性透明导电膜、透明电极、透明电加热/电磁屏蔽、共形天线、柔性电子、可降解心血管支架和组织支架、微透镜、功能梯度材料、3D结构电子、高分辨率液态金属打印等多个领域和行业。相关研究成果在国际顶尖期刊《Advanced Materials》（SCI影响因子：30.849）、国内顶级期刊《科学通报》和《中国科学》等发表高水平学术论文29篇，授权美国和中国发明专利15项，申请国际PCT发明专利5项，申请中国发明专利21项；获软件著作版权4项；美国、瑞典、新加坡等国际会议邀请报告10次。潜心研究，团队“微纳尺度3D打印”专利数量居全球首位根据国家知识知识产权局的分析报告，兰红波教授团队“微纳尺度3D打印”专利数量居全球首位。美国3M和劳伦斯利弗莫尔国家实验室排在第二和第三位；德国弗劳恩霍夫研究促进协会位列第四。这标志着兰红波教授团队在微纳尺度3D打印领域的研究和创新成果方面处于国际第一梯队。近年来，兰红波教授先后主持国家自然科学基金纳米制造的基础研究重大研究计划、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划等14项纵向项目。以第一作者和通讯作者在国际顶尖期刊Advanced Materials、国内顶尖期刊科学通报、中国科学、机械工程学报等发表高水平学术论文48篇，SCI/EI论文110篇。以第一作者出版英文学术专著1部，参编英文学术著作4部（Book Chapter）。以第一发明人授权美国发明专利3项，中国发明专利42项，国际PCT发明专利8项。以第一完成人获得软件著作权4项。制定国家标准5项。以第一完成人获山东省技术发明二等奖1项，山东省高等学校优秀科研成果奖一等奖1项，中国产学研合作创新奖1项。美国、日本、瑞典、墨西哥等重要国际学术会议邀请报告14次。作为负责人，2014年组织申报的“青岛市3D打印工程研究中心”，被青岛市发展和改革委员会获批建设，并完成中心的建设和验收。2018年组织申报的“山东省增材制造工程技术研究中心”被山东省科技厅批准建设。这是山东省首个增材制造和3D打印专业化科研和成果转化平台，在引领山东省和青岛市增材制造这一前沿学科方向和战略性新兴产业发展做出重要贡献。在产学研合作方面的贡献，2018年获得中国产学研合作促进会颁发的“中国产学研合作创新奖”。在国内率先倡导开展微纳增材制造技术的研究，为微纳增材制造这一前沿学科方向的发展做出积极贡献。发表了国内第一篇微纳尺度3D打印的学术文章（中国科学：技术科学，2015）。负责撰写了微纳增材制造技术路线图（中国机械工程技术发展路线图（第二版），2016）；负责“微纳增材制造”“电流体动力喷射打印”等新增加词条的撰写（中国大百科全书第三版，2018）。负责起草国家标准“微纳增材制造”等术语（国家标准 增材制造 术语GB/T 35351-2017）。2015年7月代表国家标准委参加在德国柏林举办的增材制造ISO/TC 261国际标准会议，这是我国首次以P成员参加增材制造国际标准会议。倾心指导，助力人才培养和团队建设兰红波教授积极培养微纳3D打印的青年人才，团队已经累积培养博士后、博士研究生、硕士研究生90余人。他指导的研究生钱垒和许权分别获得2019年度和2020年度山东省优秀硕士论文。兰红波教授带领的3D打印与智能制造创新团队在成长过程中所形成的团队文化是指引团队继续奋进的源动力。他经常勉励团队青年教师，一定要在科研道路上耐得住寂寞，坐得了冷板凳。近一年来，兰红波教授团队在微纳3D打印和增材制造等方面取得多项重要成果：2021年5月，团队朱晓阳副教授再次在国际顶尖期刊《Advanced Materials》上发表微纳3D打印的最新研究成果。2021年张广明和杨建军副教授研究成果发表在国内顶尖期刊《科学通报》；2021年朱晓阳副教授研究成果发表在国际权威期刊ACS Applied Materials & Interfaces（Q1，9.229）；2021年张广明副教授研究成果发表机械工程领域权威期刊Virtual and Physical Prototyping（Q1，8.092）；2021年侯章浩副教授研究成果发表在复合材料领域权威期刊Composites Science and Technology（Q1，8.528）；2020年郭鹏飞副教授研究成果发表在材料腐蚀领域权威期刊Corrosion Science（Q1，7.205）。2020年12月兰红波教授主持的山东省自然科学基金重大基础研究项目“面向增材制造的高性能功能梯度材料设计与控形控性研究”获批（ZR2020ZD04），项目经费300万元。2020年11月团队参与制定两项增材制造国家标准正式发布。兰红波带领的“3D打印与智能制造”团队获得2019年感动理工年度人物荣誉。目前承担山东省泰山学者团队和山东省青创团队两个团队人才项目。近4年，团队承担国家自然科学基金5项，山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等省部级科研项目15项。2021年1月出版的由中国机械工程学会编著《2018-2019机械工程学科发展报告（机械制造）》在增材制造专题报告的“增材制造前沿探索”中介绍了该项技术和相关研究成果。研制的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机目前已由青岛五维智造科技有限公司进行成果转化。编辑：冀春鑫审核：白天