close

Enter

Log in using OpenID

Copyright 1995 Scientific American, Inc.

embedDownload
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Σεπτεµβερ 1995
56
ςολυµε 273
Νυµβερ 3
Τηε Υνχερταιντιεσ οφ Τεχηνολογιχαλ Ιννοϖατιον
ϑοην Ρεννιε, Εδιτορ ιν Χηιεφ
Ινσπιρατιον αλονε χαν∏τ βρινγ αν ινϖεντιον συχχεσσ: φορ εϖερψ τρανσχενδεντ
τρανσιστορ τηερε ισ α ϕετπαχκ τηατ χρασηεσ το εαρτη. Ον ιτσ 150τη αννιϖερσαρψ,
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ο⇑ερσ τηε βεστ−ινφορµεδ γυεσσεσ οφ ωηατ∏σ ρεαλλψ αηεαδ.
60
98
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
62
Μιχροπροχεσσορσ ιν 2020
∆αϖιδ Α. Παττερσον
68
Ωιρελεσσ Νετωορκσ
72
Αλλ−Οπτιχαλ Νετωορκσ ςινχεντ Ω. Σ. Χηαν
80
Αρτιφιχιαλ Ιντελλιγενχε
84
Ιντελλιγεντ Σοφτωαρε Παττιε Μαεσ
90
Χοµµενταρψ: ςιρτυαλ Ρεαλιτψ
94
Χοµµενταρψ: Σατελλιτεσ φορ α ∆εϖελοπινγ Ωορλδ Ρυσσελλ ∆αγγαττ
Γεοργε Ι. Ζψσµαν
∆ουγλασ Β. Λενατ
Βρενδα Λαυρελ
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
100 Ηιγη−Σπεεδ Ραιλ: Ανοτηερ Γολδεν Αγε? Τονψ Ρ. Εαστηαµ
102 Τηε Αυτοµοβιλε: Χλεαν ανδ Χυστοµιζεδ ∆ιετερ Ζετσχηε
110 Εϖολυτιον οφ τηε Χοµµερχιαλ Αιρλινερ
114 21στ−Χεντυρψ Σπαχεχραφτ
Φρεεµαν ϑ. ∆ψσον
118 Χοµµενταρψ: Ωηψ Γο Ανψωηερε?
122
Ευγενε Ε. Χοϖερτ
Ροβερτ Χερϖερο
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
124 Γενε Τηεραπψ Ω. Φρενχη Ανδερσον
130 Αρτιφιχιαλ Οργανσ
Ροβερτ Λανγερ ανδ ϑοσεπη Π. ςαχαντι
136 Φυτυρε Χοντραχεπτιϖεσ Νανχψ ϑ. Αλεξανδερ
142 Χοµµενταρψ: Αν Ιµπροϖεδ Φυτυρε?
144
Αρτηυρ Χαπλαν
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
146 Σελφ−Ασσεµβλινγ Ματεριαλσ
Γεοργε Μ. Ωηιτεσιδεσ
150 Ενγινεερινγ Μιχροσχοπιχ Μαχηινεσ Καιγηαµ ϑ. Γαβριελ
154 Ιντελλιγεντ Ματεριαλσ Χραιγ Α. Ρογερσ
162 Ηιγη−Τεµπερατυρε Συπερχονδυχτορσ
Παυλ Χ. Ω. Χηυ
166 Χοµµενταρψ: Ροβοτιχσ ιν τηε 21στ Χεντυρψ
ϑοσεπη Φ. Ενγελβεργερ
4
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Scientific American (ISSN 0036-8733), published monthly by Scientific American, Inc., 415 Madison Avenue, New York, N.Y. 10017-1111. Copyright © 1995 by Scientific American, Inc. All
rights reserved. No part of this issue may be reproduced by any mechanical, photographic or electronic process, or in the form of a phonographic recording, nor may it be stored in a retrieval
system, transmitted or otherwise copied for public or private use without written permission of the publisher. Second-class postage paid at New York, N.Y., and at additional mailing offices.
Canada Post International Publications Mail (Canadian Distribution) Sales Agreement No. 242764. Canadian GST No. R 127387652. Subscription rates: one year $36 (outside U.S. and possessions
add $11 per year for postage). Postmaster: Send address changes to Scientific American, Box 3187, Harlan, Iowa 51537. Reprints available: write Reprint Department, Scientific American, Inc., 415
Madison Avenue, New York, N.Y. 10017-1111; fax: (212) 355-0408 or send E-mail to [email protected] Subscription inquiries: U.S. and Canada (800) 333-1199; other (515) 247-7631.
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
168
170 Σολαρ Ενεργψ Ωιλλιαµ Ηοαγλανδ
174 Φυσιον
Ηαρολδ Π. Φυρτη
178 Τηε Ινδυστριαλ Εχολογψ οφ τηε 21στ Χεντυρψ
Ροβερτ Α. Φροσχη
182 Τεχηνολογψ φορ Συσταιναβλε Αγριχυλτυρε
∆οναλδ Λ. Πλυχκνεττ ανδ ∆οναλδ Λ. Ωινκελµανν
188 Χοµµενταρψ: Ουτλινε φορ αν Εχολογιχαλ Εχονοµψ
Ηεινριχη ϖον Λερσνερ
ΧΟΜΜΕΝΤΑΡΙΕΣ
190
ΛΙςΙΝΓ ΩΙΤΗ ΝΕΩ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
192 Τεχηνολογψ Ινφραστρυχτυρε
194 ∆εσιγνινγ τηε Φυτυρε
198 ∆ιγιταλ Λιτεραχψ
Αρατι Πραβηακαρ
∆οναλδ Α. Νορµαν
Ριχηαρδ Α. Λανηαµ
200 Τηε Ινφορµατιον Εχονοµψ
Ηαλ Ρ. ςαριαν
202 Τηε Εµπερορ∏σ Νεω Ωορκπλαχε
Σηοσηανα Ζυβο⇑
204 Ωηατ Τεχηνολογψ Αλονε Χαννοτ ∆ο
Ροβερτ Ω. Λυχκψ
∆ΕΠΑΡΤΜΕΝΤΣ
Σχιενχε ανδ τηε Χιτιζεν
18
Βλαχκ−µαρκετ οζονε ωρεχκερσ . . . .
∆ΝΑ χοµπυτινγ . . . . Πλυγγινγ πιεχ−
εσ ιντο προτεινσ . . . . Πσψχηολογιστσ
φινδ ινσπιρατιον ιν χηαοσ . . . . Βοσ−
τον∏σ λοβστερσ δρεδγε υπ τρου−
βλε . . . . Νο φυνδσ το φινδ Εβολα . . . .
Οιλ σπιλλσ ιν τηε φορµερ Σοϖιετ
Υνιον.
10
12
Λεττερσ το τηε Εδιτορσ
Βοηρ ανδ νυχλεαρ εσπιοναγε . . . .
Υς ραδιατιον ανδ ϖανισηινγ
φρογσ . . . . ∆α ςινχι ανδ Μονα Λισα.
50, 100 ανδ 150 Ψεαρσ Αγο
Ρεϖισιτ ηιγηλιγητσ οφ τηε παστ ονε
ανδ α ηαλφ χεντυριεσ οφ τεχηνολο−
γιχαλ δαρινγ.
Τηε Αναλψτιχαλ Εχονοµιστ
Νο εχονοµψ ισ αν ισλανδ.
Τεχηνολογψ ανδ Βυσινεσσ
206
Προ⇒λε
210
ROB NELSON Black Star
Ωορριεσ οϖερ α πατεντ πλαγυε γενε
τηεραπψ . . . . Βεχοµε αν αρµσ σµυγ−
γλερ∇χαρρψ σοφτωαρε οϖερσεασ . . . .
Φλψινγ ροβοτσ ⇒γητ φορ γλορψ.
Μεδια Λαβ χψβερπροπηετ Νιχηολασ
Νεγροποντε πυτσ ηισ λιφε ον−λινε.
st
Χοϖερ
Ιµαγε χρεατεδ διγιταλλψ
βψ Τοµ ∆ραπερ.
216
Ματηεµατιχαλ Ρεχρεατιονσ
Τρενχηαντ δεδυχτιονσ βψ τηε
ωορλδ∏σ γρεατεστ δετεχτιϖε ⇒νδ
τηε σηορτεστ ωαψ αρουνδ α χιρχλε.
Ρεϖιεωσ
Τηε ωαψ τηινγσ δον∏τ ωορκ ον
Χ∆−ΡΟΜσ . . . . Ιντερνετ βυσινεσσ
πριµερσ . . . . ∆αρε το βε διγιταλ.
Εσσαψ: Σιµον Πεννψ
Αρτι⇒χιαλ λιφε µαψ βε ον τηε
χυττινγ εδγε, βυτ τηε δρεαµ οφ α
λιϖινγ µαχηινε ισ αν ολδ ονε.
0 0 0 1 1 1
1 0 0 0 1 0
5
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
♦
Εσταβλισηεδ 1845
Ε∆ΙΤΟΡ ΙΝ ΧΗΙΕΦ: ϑοην Ρεννιε
ΒΟΑΡ∆ ΟΦ Ε∆ΙΤΟΡΣ: Μιχηελλε Πρεσσ, Μαναγινγ Εδι−
τορ; Μαργυεριτε Ηολλοωαψ, Νεωσ Εδιτορ; Ριχκι Λ .
Ρυστινγ, Ασσοχιατε Εδιτορ; Τιµοτηψ Μ. Βεαρδσλεψ ;
Ω. Ωαψτ Γιββσ; ϑοην Ηοργαν, Σενιορ Ωριτερ; Κρισ−
τιν Λευτωψλερ; Μαδηυσρεε Μυκερϕεε; Σασηα Νεµε−
χεκ; Χορεψ Σ. Ποωελλ ; ∆αϖιδ Α. Σχηνειδερ; Γαρψ
Στιξ ; Παυλ Ωαλλιχη ; Πηιλιπ Μ. Ψαµ; Γλενν Ζορπεττε
ΑΡΤ : Εδωαρδ Βελλ, Αρτ ∆ιρεχτορ; ϑεσσιε Νατηανσ,
Σενιορ Ασσοχιατε Αρτ ∆ιρεχτορ; ϑανα Βρεννινγ, Ασ−
σοχιατε Αρτ ∆ιρεχτορ; ϑοηννψ ϑοηνσον, Ασσισταντ
Αρτ ∆ιρεχτορ; Χαρεψ Σ. Βαλλαρδ, Ασσισταντ Αρτ ∆ιρεχ−
τορ; Νισα Γελλερ, Πηοτογραπηψ Εδιτορ; Λισα Βυρνεττ,
Προδυχτιον Εδιτορ
ΧΟΠΨ: Μαρια− Χηριστινα Κελλερ, Χοπψ Χηιεφ ; Νανχψ
Λ . Φρειρειχη ; Μολλψ Κ . Φρανχεσ; ∆ανιελ Χ. Σχηλενο⇑;
Βριδγετ Γερετψ
ΠΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ: Ριχηαρδ Σασσο, Ασσοχιατε Πυβλιση−
ερ/ ςιχε Πρεσιδεντ, Προδυχτιον ; Ωιλλιαµ Σηερµαν,
∆ιρεχτορ, Προδυχτιον; Μαναγερσ: Χαρολ Αλβερτ,
Πριντ Προδυχτιον ; ϑανετ Χερµακ, Μακευπ & Θυαλι−
τψ Χοντρολ ; Τανψα ∆εΣιλϖα, Πρεπρεσσ; Σιλϖια ∆ι Πλα−
χιδο, Γραπηιχ Σψστεµσ; Χαρολ Ηανσεν, Χοµποσι−
τιον; Μαδελψν Κεψεσ, Σψστεµσ; Αδ Τρα⇔χ: Χαρλ
Χηερεβιν; Ρολφ Εβελινγ
ΧΙΡΧΥΛΑΤΙΟΝ: Λορραινε Λειβ Τερλεχκι, Ασσοχιατε
Πυβλισηερ/Χιρχυλατιον ∆ιρεχτορ; Κατηερινε Ροβολδ,
Χιρχυλατιον Μαναγερ; ϑοαννε Γυραλνιχκ, Χιρχυλα−
τιον Προµοτιον Μαναγερ; Ροσα ∆αϖισ, Φυλ⇒λλµεντ
Μαναγερ
Α∆ςΕΡΤΙΣΙΝΓ: Κατε ∆οβσον, Ασσοχιατε Πυβλιση−
ερ/Αδϖερτισινγ ∆ιρεχτορ. ΟΦΦΙΧΕΣ: ΝΕΩ ΨΟΡΚ:
Μερψλε Λοωεντηαλ, Νεω Ψορκ Αδϖερτισινγ Μαναγ−
ερ; Ρανδψ ϑαµεσ, Τηοµ Ποτρατζ, Ελιζαβετη Ρψαν,
Τιµοτηψ Ωηιτινγ. ΧΗΙΧΑΓΟ: 333 Ν. Μιχηιγαν
Αϖε., Συιτε 912, Χηιχαγο, ΙΛ 60601; Πατριχκ Βαχη−
λερ, Αδϖερτισινγ Μαναγερ. ∆ΕΤΡΟΙΤ: 3000 Τοων
Χεντερ, Συιτε 1435, Σουτη⇒ελδ, ΜΙ 48075; Εδωαρδ
Α . Βαρτλεψ, ∆ετροιτ Μαναγερ. ΩΕΣΤ ΧΟΑΣΤ: 1554
Σ. Σεπυλϖεδα Βλϖδ., Συιτε 212, Λοσ Ανγελεσ, ΧΑ
90025; Λισα Κ. Χαρδεν, Αδϖερτισινγ Μαναγερ; Το−
νια Ωενδτ. 235 Μοντγοµερψ Στ., Συιτε 724, Σαν
Φρανχισχο, ΧΑ 94104; ∆εβρα Σιλϖερ. ΧΑΝΑ∆Α:
Φενν Χοµπανψ, Ινχ. ∆ΑΛΛΑΣ: Γρι⇔τη Γρουπ
ΜΑΡΚΕΤΙΝΓ ΣΕΡςΙΧΕΣ: Λαυρα Σαλαντ, Μαρκετινγ
∆ιρεχτορ ; ∆ιανε Σχηυβε, Προµοτιον Μαναγερ; Συ−
σαν Σπιρακισ, Ρεσεαρχη Μαναγερ; Νανχψ Μονγελλι,
Ασσισταντ Μαρκετινγ Μαναγερ; Ρυτη Μ. Μενδυµ,
Χοµµυνιχατιονσ Σπεχιαλιστ
ΙΝΤΕΡΝΑΤΙΟΝΑΛ: ΕΥΡΟΠΕ: Ροψ Εδωαρδσ, Ιντερνα−
τιοναλ Αδϖερτισινγ Μαναγερ, Λονδον; ςιϖιεννε
∆αϖιδσον, Λινδα Καυφµαν, Ιντερµεδια Λτδ., Παρισ;
Καριν Οη⇑, Γρουπε Εξπανσιον, Φρανκφυρτ ; Βαρτη
∆αϖιδ Σχηωαρτζ, ∆ιρεχτορ, Σπεχιαλ Προϕεχτσ, Αµ−
στερδαµ. ΣΕΟΥΛ: Βισχοµ, Ινχ. ΤΟΚΨΟ: Νικκει Ιν−
τερνατιοναλ Λτδ.; ΤΑΙΠΕΙ: ϑεννιφερ Ωυ, ϑΡ Ιντερνα−
τιοναλ Λτδ.
Α∆ΜΙΝΙΣΤΡΑΤΙΟΝ: ϑοην ϑ. Μοελινγ, ϑρ., Πυβλισηερ;
Μαριε Μ . Βεαυµοντε, Γενεραλ Μαναγερ; Χον−
στανχε Ηολµεσ, Μαναγερ, Αδϖερτισινγ Αχχουντ−
ινγ ανδ Χοορδινατιον
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, ΙΝΧ.
415 Μαδισον Αϖενυε,
Νεω Ψορκ, ΝΨ 10017−1111
ΧΗΑΙΡΜΑΝ ΑΝ∆ ΧΗΙΕΦ ΕΞΕΧΥΤΙςΕ ΟΦΦΙΧΕΡ:
ϑοην ϑ. Ηανλεψ
ΧΟ−ΧΗΑΙΡΜΑΝ: ∆ρ. Πιερρε Γερχκενσ
ΧΟΡΠΟΡΑΤΕ ΟΦΦΙΧΕΡΣ: ϑοην ϑ. Μοελινγ, ϑρ., Πρεσ−
ιδεντ ; Ροβερτ Λ. Βιεωεν, ςιχε Πρεσιδεντ; Αντηονψ
Χ. ∆εγυτισ, Χηιεφ Φινανχιαλ Ο⇔χερ
∆ΙΡΕΧΤΟΡ, ΠΡΟΓΡΑΜ ∆ΕςΕΛΟΠΜΕΝΤ:
ΛιννŽα Χ. Ελλιοττ
∆ΙΡΕΧΤΟΡ, ΕΛΕΧΤΡΟΝΙΧ ΠΥΒΛΙΣΗΙΝΓ: Μαρτιν Παυλ
8
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΠΡΙΝΤΕ∆ ΙΝ Υ.Σ. Α.
ΛΕΤΤΕΡΣ ΤΟ ΤΗΕ Ε∆ΙΤΟΡΣ
Νυχλεαρ Ιντριγυεσ
Ιν ∆ιδ Βοηρ Σηαρε Νυχλεαρ Σεχρετσ?
[ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, Μαψ ], Ηανσ Α.
Βετηε, Κυρτ Γοττφριεδ ανδ Ροαλδ Ζ. Σαγ−
δεεϖ χλαιµ τηατ Νιελσ Βοηρ σηαρεδ λιττλε
οφ ϖαλυε ωιτη Σοϖιετ αγεντσ ιν τηειρ
µεετινγ ιν 1945. Βυτ τηε φυλλ τρανσχριπτ
οφ τηε µεετινγ, µαδε αϖαιλαβλε βψ ΣΧΙ−
ΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ ον Αµεριχα Ονλινε,
συγγεστσ οτηερωισε. Φορ εξαµπλε, τηε
Σοϖιετσ∇ωηο ωερε υνχερταιν ιν 1945
οφ ωηιχη µατεριαλσ χουλδ βε µαδε ιντο
βοµβσ∇θυεριεδ Βοηρ ον τηε φεασιβιλιτψ
οφ εϖεν−νυµβερεδ ισοτοπεσ οφ υρανιυµ
ανδ πλυτονιυµ. Βοηρ στατεδ τηατ τηε
βοµβ µατεριαλ ωασ ειτηερ υρανιυµ 235
ορ πλυτονιυµ. Ηε φυρτηερ νοτεδ τηατ υρα−
νιυµ 235 ωασ προχεσσεδ ιν λαργε θυαν−
τιτιεσ ιν τηε Υ.Σ. ανδ τηατ πλυτονιυµ ωασ
ρεµοϖεδ φροµ τηε χορεσ οφ ρεαχτορσ
αβουτ ονχε α ωεεκ, εµπηασιζινγ τηατ
τηισ ωασ νοτ δονε φορ χλεανινγ πυρ−
ποσεσ. Τηυσ, Βοηρ µαδε χλεαρ το τηε Σο−
ϖιετσ τηατ βοτη υρανιυµ 235 ανδ πλυτο−
νιυµ (βυτ νο οτηερ ελεµεντ) χουλδ βε
υσεδ ιν τηε προδυχτιον οφ βοµβσ.
ΑΛΕΞ ΡΑΣΚΟςΙΧΗ
Χηιχαγο, Ιλλ.
Βετηε, Γοττφριεδ ανδ Σαγδεεϖ στατε
τηατ Βοηρ  νεϖερ ϖισιτεδ τηε Εαστ Χοαστ
λαβορατοριεσ∏ ωηερε τηε Μανηατταν Προϕ−
εχτ∏σ ισοτοπε σεπαρατιον φαχιλιτιεσ ωερε
λοχατεδ. Ι κνοω οτηερωισε. Ιν τηε σπρινγ
οφ 1944 Ι ωασ α πηψσιχιστ ιν τηε Πιλοτ
Πλαντ οφ τηε Ελεχτροµαγνετιχ Σεπαρατιον
οφ Υρανιυµ Ισοτοπεσ ιν Οακ Ριδγε, Τενν.
Ονε Συνδαψ µορνινγ µψ συπερϖισορ ιν−
φορµεδ µε τηατ Μρ. Νιχηολασ Βακερ
ωουλδ βε ϖισιτινγ τηε πλαντ. Ι ασκεδ
ωηο Μρ. Βακερ ωασ ανδ ωασ τολδ, Ψου
ωιλλ κνοω ηιµ ωηεν ψου σεε ηιµ. Ασ
ηε χαµε τηρουγη τηε δοορ, Ι ρεχογνιζεδ
Νιελσ Βοηρ. Ηισ ϖισιτ ωασ βριεφ, βυτ ηε
διδ παυσε το ϖιεω τηε βεαµ οφ υρανιυµ
ιονσ τραϖελινγ φροµ σουρχε το ρεχειϖερ.
Ιν 1955 Ι ηαδ τηε πλεασυρε οφ ϖισιτινγ
ωιτη Βοηρ ιν Χοπενηαγεν, ανδ ωε ρεµι−
νισχεδ αβουτ ηισ ϖισιτ το Οακ Ριδγε.
ΧΗΡΙΣ Π. ΚΕΙΜ
Οακ Ριδγε, Τενν.
Ιν τηε εαρλψ 1950σ, α πηψσιχιστ ναµεδ
Ιακοϖ Τερλετσκιι χαµε το Πρινχετον το ταλκ
ωιτη ϑ. Ροβερτ Οππενηειµερ. Νο δουβτ
τηισ ισ τηε σαµε Τερλετσκιι ωηο σποκε
ωιτη Βοηρ ιν 1945. Ι ρεµεµβερ ηισ ϖισιτ
ωελλ βεχαυσε Οππενηειµερ ασκεδ µε
10
το τακε χαρε οφ ηιµ. Ηε ωασ τηε ⇒ρστ Σο−
ϖιετ πηψσιχιστ το χοµε το Πρινχετον αφτερ
τηε ωαρ, ανδ Ι αχχεπτεδ εαγερλψ τηε οπ−
πορτυνιτψ το γετ το κνοω ηιµ. Ι ωασ σαδ−
λψ δισαπποιντεδ. Ηε ωασ οβϖιουσλψ α
ΚΓΒ µαν ωιτη νο ιντερεστ ιν σχιενχε. Ηε
ωασ τηε δυλλεστ ϖισιτορ Ι εϖερ ενχουν−
τερεδ. Προβαβλψ ηε ωασ φεελινγ ρεσεντφυλ
βεχαυσε ηε ηαδ ηοπεδ το ταλκ ωιτη Οπ−
πενηειµερ αβουτ νυχλεαρ µαττερσ ανδ
ηαδ βεεν ρεβυ⇑εδ. Υνφορτυνατελψ, Ι ηαϖε
νο ωριττεν ρεχορδ οφ Τερλετσκιι∏σ ϖισιτ. Ιτ
ωουλδ βε ιντερεστινγ το σεε ωηετηερ ανψ
ρεχορδ οφ ιτ εξιστσ ιν Τερλετσκιι∏σ µεµ−
οιρσ ορ ιν Οππενηειµερ∏σ ⇒λεσ.
χερταιν φρογσ ανδ σαλαµανδερσ ανδ συγ−
γεστ τηατ οζονε δεχλινε µαψ βε ρεσπον−
σιβλε φορ ινχρεασεδ Υς λεϖελσ. Βυτ οζονε
ισ νοτ τηε ονλψ ατµοσπηεριχ χονστιτυεντ
τηατ µοδυλατεσ Υς ραδιατιον. Ι ηαϖε
φουνδ τηατ τηε συβσταντιαλ ινχρεασε ιν
αντηροπογενιχ ηαζε οϖερ τηε εαστερν
Υ.Σ. σινχε τηε τυρν οφ τηε χεντυρψ ηασ
ρεδυχεδ διρεχτ Υς φροµ τηε συν βυτ ιν−
χρεασεδ Υς σχαττερεδ φροµ τηε σκψ. Τηισ
χηανγε µεανσ τηατ τηε ανιµαλσ (ανδ
τηειρ εγγσ) ανδ πλαντσ τηατ ινηαβιτ σηαδψ
ενϖιρονµεντσ, σοµε οφ ωηιχη αρε σεν−
σιτιϖε το Υς, ρεχειϖε συβσταντιαλλψ µορε
Υς τοδαψ τηαν βεφορε τηε ινδυστριαλ ερα.
ΦΡΕΕΜΑΝ ϑ. ∆ΨΣΟΝ
Ινστιτυτε φορ Αδϖανχεδ Στυδψ
Πρινχετον, Ν.ϑ.
ΦΟΡΡΕΣΤ Μ. ΜΙΜΣ ΙΙΙ
Συν Πηοτοµετερ Ατµοσπηεριχ Νετωορκ
Σεγυιν, Τεξ.
Βετηε, Γοττφριεδ ανδ Σαγδεεϖ ρεπλψ :
Τηε Σοϖιετσ διδ νοτ νεεδ Βοηρ το τελλ
τηεµ ωηιχη µατεριαλσ ωερε µοστ συιτ−
αβλε φορ βοµβσ. Τηε φαµουσ 1939 πα−
περ βψ Βοηρ ανδ ϑοην Ωηεελερ σηοωεδ
τηατ οδδ υρανιυµ ισοτοπεσ ωουλδ βε
φαρ µορε ⇒σσιοναβλε αφτερ νευτρον χαπ−
τυρε τηαν εϖεν ονεσ, α πρεδιχτιον σοον
χον⇒ρµεδ ιν τηε Ωεστ ανδ ιν τηε Σοϖιετ
Υνιον βεφορε σεχρεχψ ωασ ιµποσεδ. Φυρ−
τηερµορε, τηε ο⇔χιαλ Υ.Σ. Σµψτη ρε−
πορτ ον τηε Μανηατταν Προϕεχτ ηασ τωο
λονγ χηαπτερσ εαχη ον υρανιυµ 235 σεπ−
αρατιον ανδ ον πλυτονιυµ προδυχτιον.
Τηε ρεπορτ αλσο στατεσ τηατ πλυτονιυµ
239 ωιλλ ⇒σσιον αφτερ νευτρον χαπτυρε
ανδ τηατ νεπτυνιυµ, τηε οτηερ ελεµεντ
τηατ χαν βε µαδε ιν α υρανιυµ ρεαχτορ,
ισ υνσταβλε. Τηε χρυχιαλ ανδ συρπρισινγ
φαχτ τηατ πλυτονιυµ 240 ρεαδιλψ ⇒σσιονσ
σποντανεουσλψ ωασ νοτ ρεπορτεδ βψ
Σµψτη ανδ νοτ δισχλοσεδ βψ Βοηρ.
Ιν σαψινγ τηατ Βοηρ ηαδ νεϖερ ϖισιτ−
εδ τηε ισοτοπε πρεπαρατιον πλαντσ, ωε
ωερε θυοτινγ τηε Σοϖιετ τρανσχριπτ. Βυτ
Κειµ∏σ ρεχολλεχτιον ισ χορρεχτ, ασ Ααγε
Βοηρ ηασ χον⇒ρµεδ. Ααγε ανδ ηισ φα−
τηερ διδ ινδεεδ παψ α βριεφ ϖισιτ το Οακ
Ριδγε βυτ ωερε νεϖερ ινϖολϖεδ ιν ισο−
τοπε σεπαρατιον ορ ρεαχτορ ρεσεαρχη, ασ
ωε στατεδ, ωηερεασ τηεψ ωερε ενγαγεδ
ιν βοµβ ρεσεαρχη ατ Λοσ Αλαµοσ.
ςανισηινγ Φρογσ?
Ιν Τηε Πυζζλε οφ ∆εχλινινγ Αµπηιβ−
ιαν Ποπυλατιονσ [ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ,
Απριλ ], Ανδρεω Ρ. Βλαυστειν ανδ ∆αϖιδ
Β. Ωακε δεσχριβε ηοω σολαρ υλτραϖιολετ
( Υς ) ραδιατιον χαν κιλλ εξποσεδ εγγσ οφ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Μονα Λισα Υνµασκεδ
Τηε σιµιλαριτιεσ βετωεεν Λεοναρδο∏σ
σελφ−πορτραιτ ανδ τηε Μονα Λισα ρεπορτ−
εδ βψ Λιλλιαν Σχηωαρτζ [Τηε Αρτ Ηιστο−
ριαν∏σ Χοµπυτερ, ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ,
Απριλ ] σηουλδ νοτ βε συρπρισινγ, γιϖεν
τηατ Λεοναρδο ωροτε τηατ παιντερσ µακε
πορτραιτσ τηατ ρεσεµβλε τηειρ αυτηορσ.
Λεοναρδο ωουλδ ηαϖε ηαδ νο δι⇔χυλτψ
παιντινγ τηε Μονα Λισα ιν τηε σιττερ∏σ
αβσενχε, σινχε ηε αλσο ωροτε ον τηε ιµ−
πορτανχε οφ κνοωινγ ηοω το παιντ φροµ
µεµορψ, σοµετηινγ ηε χερταινλψ ωουλδ
ηαϖε µαστερεδ. Ανδ χοντραρψ το ωηατ
Σχηωαρτζ στατεσ, τηε αρτιστ∏σ σκετχη χαν−
νοτ βε σεεν ωιτη ξ−ραψσ. Αν υνδερδραω−
ινγ, ιφ ιτ ποσσεσσεσ χαρβον−χονταινινγ
µατεριαλ, χαν βε σεεν ωιτη ινφραρεδ ρε−
⇓εχτογραπηψ. Τηε υνδερπαιντεδ σκετχη
χαν βε υνχοϖερεδ ωιτη νευτρον−ινδυχεδ
αυτοραδιογραπηψ ωηεν χερταιν ελεµεντσ
ιν πιγµεντσ βεχοµε ραδιοαχτιϖε ανδ οβ−
σερϖαβλε. Ξ−ραψσ ρεϖεαλ συρφαχε ορ παιντ−
λαψερ πηενοµενα τηατ οχχυρ ιν ηεαϖψ−
ελεµεντ λαδεν πιγµεντσ; λεαδ ωηιτε ισ
υσυαλλψ τηε µαϕορ χοντριβυτορ το τηε ξ−
ραψ ιµαγε.
ΙΝΓΡΙ∆ Χ. ΑΛΕΞΑΝ∆ΕΡ
Σµιτησονιαν Ινστιτυτιον Χονσερϖατιον
Αναλψτιχαλ Λαβορατορψ
Ωασηινγτον, ∆.Χ.
Λεττερσ σελεχτεδ φορ πυβλιχατιον µαψ
βε εδιτεδ φορ λενγτη ανδ χλαριτψ. Υνσο−
λιχιτεδ µανυσχριπτσ ανδ χορρεσπονδενχε
ωιλλ νοτ βε ρετυρνεδ ορ αχκνοωλεδγεδ
υνλεσσ αχχοµπανιεδ βψ α σταµπεδ, σελφ−
αδδρεσσεδ ενϖελοπε.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
50, 100 ΑΝ∆ 150 ΨΕΑΡΣ ΑΓΟ
Τ
ηισ µοντη ωε δεπαρτ φροµ ουρ υσυαλ φορµατ
τιον οφ τηε ισσυε σηοων ηερε. Ινιτιαλλψ εσταβλισηεδ ασ
το πρεσεντ α σαµπλινγ οφ τηε τεχηνολογιχαλ
α ωεεκλψ αδϖοχατε οφ ινδυστρψ ανδ εντερπρισε, ανδ
φεατσ Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ηασ χηρονιχλεδ τηρουγη−
ϕουρναλ οφ µεχηανιχαλ ανδ οτηερ ιµπροϖεµεντσ,
ουτ ιτσ ηιστορψ∇ωηιχη βεγαν ον
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ωεντ µοντη−
Αυγυστ 28, 1845, ωιτη πυβλιχα−
λψ 74 ψεαρσ αγο, ιν 1921.
1845
Ον Αυγυστ 28 τηε πρεµιερ ισσυε οφ
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ρεπορτσ τηατ Σαµ−
υελ Μορσε∏σ τελεγραπη ηασ συχχεσσφυλλψ
λινκεδ Ωασηινγτον ανδ Βαλτιµορε ωιτη
νεαρλψ ινσταντανεουσ ελεχτριχαλ χοµ−
µυνιχατιον ανδ τηατ πλανσ αρε αφοοτ το
αδδ τιεσ το οτηερ χιτιεσ.
µανεντ χροσσινγσ οϖερ ορ υνδερ τηε
ριϖερ. Τηε νεξτ ψεαρ αν ετχηινγ οφ τηε
προποσεδ Βροοκλψν Βριδγε αππεαρσ.
Συβσεθυεντ αρτιχλεσ δεταιλ τηε χονστρυχ−
τιον οφ τηισ ενγινεερινγ µαρϖελ ανδ οφ
τηε χιτψ∏σ συβωαψσ.
1877
Τηε εδιτορσ οφ Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν,
ωηο ηαϖε ϕυστ ωιτνεσσεδ α ρεµαρκαβλε
δεµονστρατιον οφ νεω τεχηνολογψ ιν
τηειρ ο⇔χεσ, ρεχαλλ τηε εϖεντ φορ ρεαδ−
ερσ: Μρ. Τηοµασ Α. Εδισον ρεχεντλψ
χαµε ιντο τηισ ο⇔χε, πλαχεδ α λιττλε
µαχηινε ον ουρ δεσκ, τυρνεδ α χρανκ,
ανδ τηε µαχηινε ενθυιρεδ ασ το ουρ
ηεαλτη, ασκεδ ηοω ωε λικεδ τηε πηονο−
γραπη, ινφορµεδ υσ τηατ ιτ ωασ ϖερψ
ωελλ, ανδ βιδ υσ α χορδιαλ γοοδ νιγητ.
1851
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν νοτεσ τηατ Ισααχ
Σινγερ οφ Νεω Ψορκ, Ν.Ψ., ηασ ρεχειϖεδ
α πατεντ φορ α νεω σεωινγ µαχηινε.
Μαχηινεσ υσινγ ηισ τεχηνολογψ γο ον
το προϖιδε εµπλοψµεντ ανδ χλοτηινγ
φορ µιλλιονσ οφ πεοπλε ωορλδωιδε.
1856
Τηε ϕουρναλ ηαιλσ Ηενρψ Βεσσεµερ∏σ
ιννοϖατιονσ, ωηιχη σηαρπλψ χυτ τηε
χοστ οφ προδυχινγ στεελ, ασ δεστινεδ το
ρεϖολυτιονιζε τηε προχεσσεσ οφ µανυ−
φαχτυρινγ µαλλεαβλε ιρον ανδ στεελ.
1861
Ιν Νοϖεµβερ, Χαπταιν ϑοην Εριχσσον∏σ
δεσιγν φορ αν ιµπρεγναβλε ιρονχλαδ
ωαρσηιπ ισ δεσχριβεδ ιν α σηορτ αρτιχλε.
Φουρ µοντησ λατερ, ον Μαρχη 9, 1862,
ηισ ραπιδλψ χονστρυχτεδ Μονιτορ δυελσ
ωιτη τηε Χονφεδερατε∏σ ιµπροϖισεδ ιρον−
χλαδ Μερριµαχ, υσηερινγ ιν α νεω ερα ιν
ναϖαλ ωαρφαρε.
1867
Αφτερ ωιντερ ιχε ιν τηε Εαστ Ριϖερ
βλοχκσ βοατινγ βετωεεν Μανηατταν ανδ
τηε οτηερ βορουγησ οφ Νεω Ψορκ Χιτψ,
ανδ σο σηυτσ δοων τηε ονλψ µοδε οφ ιν−
τερβορουγη τρανσιτ, τηε εδιτορσ οφ Σχιεν−
τι⇒χ Αµεριχαν, αµονγ οτηερσ, συγγεστ α
ραδιχαλ ρεµεδψ: χονστρυχτιον οφ περ−
1878
1862
1885
1878
Εαδωεαρδ Μυψβριδγε∏σ σεθυενχε οφ
ιµαγεσ σηοωινγ α ηορσε ιν µοτιον απ−
πεαρσ ιν α χοϖερ αρτιχλε. Ιν 1880 ηισ ζο−
ογψροσχοπε, ωηιχη δισπλαψεδ τηε ⇒ρστ
µοϖινγ ιµαγε εϖερ, ισ αλσο τηε συβϕεχτ
οφ αν αρτιχλε ιν ωηιχη τηε ρεπορτερ οβ−
σερϖεσ, Νοτηινγ ωασ ωαντινγ βυτ τηε
χλαττερ οφ ηοοφσ υπον τυρφ το µακε τηε
σπεχτατορ βελιεϖε τηατ ηε ηαδ βεφορε
ηιµ γενυινε ⇓εση ανδ βλοοδ στεεδσ.
1879
Εδισον∏σ πατεντσ φορ τηε ινχανδεσχεντ
ελεχτριχ λιγητ αρε δεσχριβεδ; ηισ ινϖεντιον
βεχοµεσ τηε ⇒ρστ χοµµερχιαλλψ συχχεσσ−
φυλ ελεχτριχ λιγητ.
1885
∆ραωινγσ ανδ σπεχι⇒χατιονσ οφ τηε
νεωλψ χοµπλετεδ Στατυε οφ Λιβερτψ απ−
πεαρ ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν, ωηιχη χλοσε−
λψ µονιτορσ αλλ πηασεσ οφ ινσταλλατιον.
Ιν τηε σαµε ψεαρ, τηε πυβλιχατιον ρε−
πορτσ τηατ νεω παπερ νεγατιϖεσ χαν συβ−
στιτυτε φορ φραγιλε γλασσ ϖερσιονσ ιν πηο−
τογραπηψ. Τηε σαϖινγσ ιν ωειγητ ανδ εξ−
πενσε αλλοω αµατευρ ανδ προφεσσιοναλ
πηοτογραπηερσ το τακε τηειρ χαµερασ βε−
ψονδ τηειρ στυδιοσ ωιτη εασε.
12
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
1889
Τηε χεντερπιεχε οφ τηε
Φρενχη Εξηιβιτιον οφ 1889,
τηε Γρεατ Τοωερ δεσιγνεδ βψ
Αλεξανδρε Γυσταϖε Ει⇑ελ,
αππεαρσ ιν σεϖεραλ αρτιχλεσ
ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν.
1899
Ρεπορτινγ ον α σινγυλαρ αχχοµπλιση−
µεντ ιν χοµµυνιχατιονσ, τηε ϕουρναλ
νοτεσ τηατ Γυγλιελµο Μαρχονι ηασ υσεδ
α ωιρελεσσ τελεγραπη το σενδ α µεσσαγε
αχροσσ τηε Ενγλιση Χηαννελ.
Α µοντη λατερ, ρεσπονδινγ το Αµερ−
ιχα∏σ βυργεονινγ εντηυσιασµ φορ
ωηεελεδ ϖεηιχλεσ, Σχιεντι⇒χ Αµερι−
χαν δεϖοτεσ αν ισσυε εξχλυσιϖελψ
το βιχψχλεσ ανδ χαρσ.
1893
Τηε ωονδερφυλ µερ−
ρψ−γο−ρουνδ∏ δεσιγνεδ
βψ Ενγινεερ Γεοργε
Ω. Γ. Φερρισ ισ ιλ−
λυστρατεδ.
1895
Σχιεντι⇒χ
Αµεριχαν ρεπορτσ τηατ τηε ⇒ρστ πριζε ιν
τηε Παρισ−το−Βορδεαυξ χαρ ραχε ισ τακεν
βψ τηε πετρολευµ−δριϖεν χαρριαγε οφ Λεσ
Φιλσ δε Πευγοτ Φρρεσ. Τηε αϖεραγε σπεεδ
ανδ ρανγε οφ τηε ωιννινγ χαρ, 16 µιλεσ
περ ηουρ οϖερ α χουρσε οφ 750 µιλεσ,
γρεατλψ ιµπρεσσ τηε εδιτορσ. Τηισ ϖιχτο−
ρψ ηελπεδ το εσταβλιση γασ ενγινεσ ασ
συπεριορ το βοτη στεαµ ανδ ελεχτριχ εν−
γινεσ φορ χαρσ.
1896
Τηε πυβλιχατιον δισπλαψσ τηε ⇒ρστ
πηοτογραπησ µαδε ιν τηε Υ.Σ. βψ τηε
νεω τεχηνιθυε οφ ξ−ραψ ιµαγινγ : σοµε
χοινσ ινσιδε α πυρσε ανδ τηε γραπηιτε
χορε ωιτηιν α πενχιλ. Συβσεθυεντ ισσυεσ
σηοω τηε ϖεινσ ιν α δεαδ περσον∏σ ηανδ
ανδ βυχκσηοτ λοδγεδ ωιτηιν α λιϖινγ
περσον∏σ ηανδ.
1897
Α νεω διϖινγ συιτ δεσιγνεδ βψ Αυγυσ−
τυσ Σιεβε οφ Λονδον ισ φεατυρεδ ιν αν
αρτιχλε ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν. Τηε συιτ
βεχοµεσ α προτοτψπε φορ εθυιπµεντ
ωορν βψ µοδερν διϖερσ.
Ιν τηισ ψεαρ ασ ωελλ, τηε ϕουρναλ δε−
πιχτσ ανδ δεσχριβεσ τηε Λυµιρε χινŽ−
µατογραπηε, τηε χαµερα τηατ λαυνχηεσ
τηε ⇒λµ ινδυστρψ.
1901
Τηε ραδιυµ εξπεριµεντσ
οφ τηε Χυριεσ αρε δεσχριβεδ
ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν.
1902
Αν αρτιχλε ινφορµσ ρεαδερσ οφ σοµε
µοστ ιντερεστινγ αεροναυτιχαλ εξπερι−
µεντσ ωιτη α γλιδερ περφορµεδ βψ Ωιλ−
βυρ ανδ Ορϖιλλε Ωριγητ. Αλµοστ τωο
ψεαρσ λατερ, ιν ∆εχεµβερ 1903, α ρεπορτ−
ερ τελλσ οφ τηε συχχεσσφυλ τηρεε−µιλε
⇓ιγητ οφ τηε Ωριγητσ∏ µοτορ−δριϖεν αιρ−
πλανε ατ Κιττψ Ηαωκ, Ν.Χ.
1911
Τηε φερϖορ ωιτη ωηιχη νασχεντ αϖια−
τιον τεχηνολογψ ισ βεινγ δεϖελοπεδ ανδ
αππλιεδ ωορλδωιδε ισ ρε⇓εχτεδ ιν α σπε−
χιαλ ισσυε ον αϖιατιον ανδ ιν ονγοινγ
χοϖεραγε. Τηε σπεχιαλ ισσυε νοτεσ τηατ
µορε τηαν ηαλφ α µιλλιον µεν αρε νοω
αχτιϖελψ ενγαγεδ ιν σοµε ινδυστριαλ εν−
τερπρισε τηατ ηασ το δο ωιτη ναϖιγατιον
οφ τηε αιρ.
1912
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ρεπορτσ ον
εξπεριµεντσ ιν ωηιχη χηεµο−
τηεραπψ χυρεδ χανχερ ιν µιχε.
1913
Α δεϖιχε φορ µεασυρινγ βλοοδ
πρεσσυρε ισ δεσχριβεδ; τηε ινστρυ−
µεντ, κνοων ασ τηε σπηψγµοµα−
νοµετερ, ισ στιλλ ιν υσε τοδαψ.
1911
1893
1934
1921
Ροβερτ Η. Γοδδαρδ ωριτεσ αν αρτιχλε
φορ Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν δεφενδινγ ανδ
εξπλαινινγ ηισ συγγεστιον (θυοτεδ α ψεαρ
εαρλιερ ) τηατ α ροχκετ χαπαβλε οφ ρεαχη−
ινγ τηε µοον χουλδ βε βυιλτ.
1922
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν δεµψστι⇒εσ τηε
τεχηνολογψ βεηινδ τηε τριχκ χινεµα−
τογραπηψ οφ τηε ∆ουγλασ Φαιρβανκσ τηριλ−
λερ Τηε Τηιεφ οφ Βαγδαδ. Το δεπιχτ αν
ιδολ τηατ ιν ρεαλιτψ ωασ τοο λαργε το ⇒τ
ιντο α στυδιο λοτ, τηε ⇒λµµακερσ πηο−
τογραπηεδ σεχτιονσ σεπαρατελψ ανδ τηεν
ασσεµβλεδ τηεµ ον ⇒λµ.
Α σηορτ ρεπορτ νοτεσ τηε ινϖεντιον οφ
τηε ρυββερ−ηεαδεδ διση σχραπερ, νοω ιν
υσε ιν κιτχηενσ ωορλδωιδε.
1927
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν πυβλισηεσ α δε−
ταιλεδ ρεπορτ ον Χηαρλεσ Α. Λινδβεργη∏σ
συχχεσσφυλ σολο τρανσατλαντιχ ⇓ιγητ. Τηε
αρτιχλε µαρϖελσ ατ ηισ δεχισιον το ναϖι−
γατε βψ δεαδ ρεχκονινγ ρατηερ τηαν βψ
υσινγ α σεξταντ, α χηοιχε τηε εδιτορσ
νοτε ωιτη µοδερατε δισαππροϖαλ.
1929
Τηε ϕουρναλ, ηαϖινγ βεεν ασκεδ βψ
ϑοην ϑ. ΜχΓραω, µαναγερ οφ τηε Νεω
Ψορκ Γιαντσ, το ασσεσσ ωηετηερ χυρρεντ
µαϕορ−λεαγυε βασεβαλλσ αρε λιϖελιερ
τηαν τηοσε οφ τηε παστ, ⇒νδσ τηατ, χοµ−
παρεδ ωιτη βαλλσ οφ 1924, τηοσε οφ 1929
αρε ωραππεδ υνδερ λεσσ τενσιον ανδ αρε,
ινδεεδ, µορε ρεσιλιεντ.
1932
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν δισχυσσεσ τηε δισ−
χοϖερψ οφ τηε νευτρον ανδ τηε ⇒ρστ
σπλιττινγ οφ τηε ατοµ ιν Ενγλανδ ανδ
σηοωσ ρεαδερσ τηε δεσιγν φορ α Υ.Σ. δε−
ϖιχε (αβοϖε) φορ σιµιλαρ ρεσεαρχη.
1936
Αν αρτιχλε ον τηε ⇓υορεσχεντ λιγητ,
ωηιχη ισ στιλλ υνδερ δεϖελοπµεντ, φορε−
σεεσ α ποσσιβλε ρεϖολυτιον ιν λιγητινγ.
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν δεταιλσ τηε σπεχι−
⇒χατιονσ φορ α 200−ινχη τελεσχοπε
πλαννεδ φορ αν οβσερϖατορψ βεινγ βυιλτ
ον Μουντ Παλοµαρ ιν Χαλιφορνια.
1939
Ταλεσ τηε Βυλλετ Τελλσ, ον τηε σχιενχε
οφ βαλλιστιχσ ιν πολιχε ωορκ, ισ αυτηορεδ
βψ ϑ. Εδγαρ Ηοοϖερ, διρεχτορ οφ τηε ΦΒΙ.
14
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν αλσο αννουνχεσ
Ηερε Χοµεσ Τελεϖισιον!; ρεγυλαρ προ−
γραµµινγ βεγινσ σοον αφτερωαρδ.
1940
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν νοτεσ τηατ τηε
φροντιερσ οφ ϖισιβιλιτψ ηαϖε βεεν πυσηεδ
το αν εϖερ γρεατερ διστανχε ωιτη τηε δε−
ϖελοπµεντ οφ τηε ελεχτρον µιχροσχοπε.
1942
Ισσυεσ πυβλισηεδ ιν τηισ ψεαρ ανδ οτη−
ερσ δυρινγ Ωορλδ Ωαρ ΙΙ φοχυσ αττεντιον
ον νεω τεχηνολογιεσ φορ χοπινγ ωιτη
σηορταγεσ οφ νατυραλ µατεριαλσ, συχη ασ
σιλκ ανδ ρυββερ. Ιν ονε εξαµπλε, αν αρ−
τιχλε ουτλινεσ αππλιχατιονσ φορ σψντηετιχ
ρυββερ ανδ ηιγηλιγητσ τηε γροωινγ ιµ−
πορτανχε οφ πολψµερ χηεµιστρψ.
1943
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν χοϖερσ τηε λατεστ
πρεδιχτιονσ φορ ποστωαρ τεχηνολογψ, ιν−
χλυδινγ ονε φορεσεεινγ αν αιρπλανε ιν
εϖερψ γαραγε.
Τηε ⇓ιγητ ρεχορδερ, α νεω αϖιατιον
δεϖιχε, ισ ιντροδυχεδ το ρεαδερσ. ∆ε−
σπιτε ιτσ χοµπλεξιτψ, τηε δεϖιχε ισ χοµ−
παχτ ενουγη φορ υσε ον τηε σµαλλεστ οφ
αιρπλανεσ.
1945
Τηε εδιτορσ ασσερτ τηατ ωορλδ σεχυρι−
τψ πρεϖεντσ πυβλιχατιον οφ δεταιλεδ ιν−
φορµατιον ον τηε ατοµιχ βοµβ τηατ
δεϖαστατεδ Ηιροσηιµα εαρλψ ιν Αυγυστ,
βυτ τηε µαγαζινε πυβλισηεσ α συµµαρψ
οφ τηε δατα αϖαιλαβλε ατ τηε τιµε.
Ιν τηισ ψεαρ, τοο, Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν,
ωηιχη ηαδ ονλψ ρεχεντλψ βεµοανεδ τηε
δι⇔χυλτιεσ οφ προδυχινγ τηε λιφεσαϖινγ
δρυγ πενιχιλλιν ιν θυαντιτψ, νοω ρεπορτσ
ον πλεντιφυλ συππλιεσ ανδ α δραµατιχ
δροπ ιν πριχε.
1947
Εδωιν Η. Λανδ ισ ρεπορτεδ το ηαϖε
ινϖεντεδ α χαµερα τηατ δεϖελοπσ ιτσ
οων ⇒λµ, ιν αβουτ 60 σεχονδσ,
ωιτηουτ τηε νεεδ φορ α δαρκροοµ.
Τηε Πολαροιδ ινσταντ χαµερα ισ
µαρκετεδ α ψεαρ λατερ (τηε χολορ
ϖερσιον αππεαρσ ιν 1963).
1948
Α µαϕορ αρτιχλε αππεαρσ ον α
σµαλλ ιτεµ ωιτη βιγ ιµπλιχα−
τιονσ: Τηε Τρανσιστορ.
Τηρεε ψεαρσ λατερ, ιν Αυγυστ
1951, τηε τρανσιστορ ισ χρεδιτ−
εδ ωιτη χαυσινγ Α Ρεϖολυτιον ιν Ελεχ−
τρονιχσ ανδ τηε δεµισε οφ τηε βυλκψ
ανδ φραγιλε ϖαχυυµ τυβε.
1949
Α νεω ρεϖολυτιον ισ τακινγ πλαχε,
ασσερτσ αν αρτιχλε ον µατηεµατιχαλ µα−
χηινεσ. Ωηιλε τηε ινδυστριαλ ρεϖολυτιον
µεχηανιζεδ βραων, τηε νεω ρεϖολυτιον
µεανσ τηε µεχηανιζατιον ανδ ελεχτρι−
⇒χατιον οφ βραινσ.
1950
Αφτερ τηε Φεδεραλ Χοµµυνιχατιονσ
Χοµµισσιον χηοοσεσ τηε ΧΒΣ σψστεµ
οφ χολορ τελεϖισιον οϖερ τηατ οφ ΡΧΑ ανδ
ΧΤΙ ( Χολορ Τελεϖισιον Ινχ.) φορ νατιον−
ωιδε βροαδχαστινγ ιν τηε Υ.Σ., α ρεπορτ
ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν χοµπαρεσ τηε
τηρεε σψστεµσ ανδ ποιντσ ουτ τηατ τηε
δεχισιον ωασ ονε οφ τηε κνοττιεστ τηατ
ηασ εϖερ χονφροντεδ πυβλιχ ο⇔χιαλσ.
1953
Τηε νονµιλιταρψ υσε οφ ραδαρ φορ µε−
τεορολογψ ισ αδδρεσσεδ ιν α πιεχε νοτ−
1953
1942
1968
ινγ τηατ τηε ⇒ρστ ραδαρ δεϖιχε δεσιγνεδ
φορ ωεατηερ οβσερϖατιον ωιλλ σοον βε ιν
οπερατιον.
1954
Αν αρτιχλε εντιτλεδ Χοµπυτερσ ιν
Βυσινεσσ δεσχριβεσ ροοµ−
σιζε µαχηινεσ αβλε το τακε
ον ο⇔χε τασκσ, βυτ ιτ αδ−
µιτσ τηεσε ιµπρεσσιϖε
µονστερσ ηαϖε προϖεδ
ηαρδερ το ταµε ανδ πυτ το
ωορκ τηαν ωασ πρεϖιουσλψ
τηουγητ.
Σχιεντι⇒χ Αµερι−
χαν δεταιλσ τηε
ωορκινγσ οφ α νεω
φορµ οφ λιφεσαϖινγ
εθυιπµεντ : εξπερι−
µενταλ ηεαρτ−λυνγ
µαχηινεσ.
1955
ϑονασ Σαλκ πυβλισηεσ αν αρτιχλε ιν Σχι−
εντι⇒χ Αµεριχαν αβουτ ηισ ωορκ δεϖελ−
οπινγ α κιλλεδ−ϖιρυσ πολιο ϖαχχινε.
1960
Ιν αν εαρλψ ιντροδυχτιον το ⇒βερ οπ−
τιχσ, Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν εξπλαινσ ηοω
βυνδλεσ οφ γλασσ ⇒βερσ χαν βε υσεδ το
χονδυχτ ιµαγεσ ανδ λιγητ, ανδ τηερε−
φορε ινφορµατιον, οϖερ λονγ διστανχεσ.
1961
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ρεπορτσ τηατ χοσ−
µοναυτ Ψυρι Α. Γαγαριν ηασ βεχοµε
τηε ⇒ρστ περσον το χροσσ τηε βορδερ
βετωεεν τηε εαρτη ανδ ιντερπλανεταρψ
σπαχε ιν ηισ σπαχεσηιπ ςοστοκ.
Α ρεπορτ ον τηε δεσιγν ανδ χονστρυχ−
τιον οφ σατελλιτεσ ενγινεερεδ το τρανσµιτ
τελεπηονε ανδ τελεϖισιον σιγναλσ πρε−
διχτσ τηατ τηε ⇒ρστ οφ τηεσε σψστεµσ ωιλλ
βε οπερατινγ ωιτηιν ⇒ϖε ψεαρσ. Προγρεσσ
ισ φαστερ τηαν εξπεχτεδ, ανδ λεσσ τηαν α
ψεαρ λατερ Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν τελλσ οφ
τηε συχχεσσφυλ λαυνχη οφ Βελλ Τελεπηονε
Λαβορατοριεσ∏σ Τελσταρ.
1965
Αν αρτιχλε ον µιχροελεχτρονιχσ ιν−
φορµσ ρεαδερσ τηατ ιτ ισ νοω ποσσιβλε το
ρεπροδυχε αν εντιρε ελεχτρονιχ χιρχυιτ
ον α τινψ µοδυλαρ χηιπ.
1969
Τψπεσεττινγ δισχυσσεσ α τεχηνολογψ
τηατ γρεατλψ ιν⇓υενχεσ τηε ωαψ ουρ µαγ−
αζινε ανδ οτηερσ αρε πυτ τογετηερ. Τηε
ρεπορτ δεσχριβεσ αν ελεχτρονιχ τψπεσετ−
τινγ σψστεµ τηατ στορεσ τψπεφαχεσ ιν διγ−
ιταλ φορµ ανδ χαν παιντ υπ το 10,000
χηαραχτερσ περ σεχονδ. ( Τηε ⇒ρστ ελεχ−
τρονιχαλλψ χοµποσεδ ισσυε οφ τηε µαγα−
ζινε ισ πυβλισηεδ ιν Μαρχη 1976.)
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν νοτεσ τηατ τηε ⇒ρστ
µεν ον τηε µοον∇Νειλ Α. Αρµστρονγ
16
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ανδ Εδωιν Ε. Αλδριν, ϑρ.∇
φουνδ τηε µοον∏σ συρφαχε το
βε ρεµαρκαβλψ ⇒ρµ βυτ
σοµεωηατ σλιππερψ. Α µα−
ϕορ αρτιχλε πυβλισηεδ α
µοντη λατερ ο⇑ερσ θυεσ−
τιονσ αβουτ λυναρ γεολογψ
τηατ νεεδ ανσωερινγ ανδ
συγγεστσ αρεασ οφ τηε µοον
τηατ σηουλδ βε εξπλορεδ.
1970
Ποσσιβλε αππλιχατιονσ οφ λιθ−
υιδ χρψσταλσ∇⇓υιδσ τηατ ηαϖε
χρψσταλλινε προπερτιεσ∇αρε ουτ−
λινεδ. Τηε χρψσταλσ∏ τενδενχψ το
βεχοµε οπαθυε ορ το χηανγε χολ−
ορ ωηεν εξποσεδ το α τινψ ελεχτριχ ⇒ελδ
µαψ ονε δαψ βε εξπλοιτεδ το χονστρυχτ
ιµαγεσ ον α σχρεεν ορ α ωατχη διαλ.
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ρεπορτσ τηατ σχι−
εντιστσ χαν νοω φερτιλιζε ηυµαν εγγσ ιν
ϖιτρο ( ιν α τεστ τυβε) ανδ γροω τηεµ ιν
α χυλτυρε µεδιυµ υπ το τηε εαρλψ εµβρψ−
ονιχ σταγε. Τηισ προχεδυρε γιϖεσ ηοπε
το πεοπλε ωηο ηαϖε δι⇔χυλτψ χονχειϖ−
ινγ α χηιλδ. ( Τηε ⇒ρστ βαβψ χονχειϖεδ
τηρουγη ιν ϖιτρο φερτιλιζατιον ισ βορν ιν
Ενγλανδ ιν 1978.)
1973
Αν εξπερτ ον αδϖανχεδ χοµποσιτε
µατεριαλσ συγγεστσ τηατ τηε χοστ οφ τηεσε
στρονγ, λιγητωειγητ, ϖερσατιλε µατεριαλσ
ωιλλ δεχλινε, εναβλινγ τηεµ το µοϖε φροµ
λαβορατοριεσ στυδψινγ µατεριαλσ σχιενχε
ιντο τηε ρεαλµ οφ εϖερψδαψ οβϕεχτσ.
1974
Χοµπυτερ Γραπηιχσ ιν Αρχηιτεχτυρε
σηοωσ ηοω αν οβσερϖερ χαν ωαλκ
τηρουγη α ϖιρτυαλ βυιλδινγ τηατ εξιστσ
ονλψ ιν α χοµπυτερ∏σ µεµορψ. Τηε ϖιρ−
τυαλ βυιλδινγ χαν βε µανιπυλατεδ ανδ
ρενδερεδ ασ αρχηιτεχτυραλ δραωινγσ.
1976
Αν αρτιχλε δεσχριβεσ Τηε Σµαλλ Ελεχ−
τρονιχ Χαλχυλατορ, α δεϖιχε τηατ ωιλλ φορ−
εϖερ χηανγε τηε ωαψ σχηοολχηιλδρεν ανδ
οτηερσ περφορµ µατηεµατιχσ. Τηε χαλ−
χυλατορσ ρεθυιρε ονλψ α σινγλε µιχρο−
ελεχτρονιχ χηιπ.
1978
Αν αρτιχλε δισχυσσ−
εσ τηε συργιχαλ ρεπλαχε−
µεντ οφ τηε κνεε ϕοιντ
ωιτη α δεϖιχε τηατ ιµιτατεσ
χοµπλεξ νατυραλ µοτιονσ.
1980
Ιτ ισ πρεδιχτεδ τηατ αν
εντιρε λιβραρψ∏σ ωορτη οφ
βοοκσ ωιλλ σοον βε στορ−
αβλε ον α σινγλε δισκ τηατ
ισ ωριττεν το ανδ ρεαδ
φροµ βψ λασερσ.
Αν αρτιχλε δεσχριβεσ
ποσιτρον εµισσιον το−
µογραπηψ, α νεω ωαψ
το πεερ ιντο τηε ιντριχατε ωορκινγσ οφ
τηε λιϖινγ ηυµαν βοδψ. Ιν 1982 ανοτη−
ερ νονινϖασιϖε τεχηνιθυε, νυχλεαρ µαγ−
νετιχ ρεσονανχε, ισ δεσχριβεδ ασ ωελλ.
1981
Ροβερτ Κ. ϑαρϖικ ωριτεσ αν αρτιχλε φορ
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν δεταιλινγ τηε δεϖελ−
οπµεντ οφ τηε ϑαρϖικ−7 αρτι⇒χιαλ ηεαρτ.
1985
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν ρεπορτσ τηατ βιο−
τεχηνολογψ µαψ βε ηελπινγ λαω ενφορχε−
µεντ. Α γρουπ οφ Βριτιση ρεσεαρχηερσ
ηασ φουνδ τηατ τηε ινφορµατιον χαρριεδ
βψ παρτιχυλαρ σεγµεντσ οφ ηυµαν ∆ΝΑ
ισ σο σπεχι⇒χ το ινδιϖιδυαλσ τηατ ιτ χαν
βε υσεδ ωιτη ασ µυχη αχχυραχψ ασ ⇒ν−
γερπριντσ φορ ιδεντι⇒χατιον.
1987
∆εσιγνερσ οφ τηε 12−µετερ ψαχητ Σταρσ
ανδ Στριπεσ, ωιννερ οφ τηε 1987 Αµερι−
χα∏σ Χυπ, δισχυσσ τηε τεχηνολογψ βεηινδ
τηειρ συχχεσσ. Τηε δεσιγν ρελιεσ ηεαϖιλψ
ον χοµπυτερ µοδελινγ οφ ωατερ ανδ
ωινδ φορχεσ.
1990
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν πυβλισηεσ αν οϖερ−
ϖιεω οφ τεχηνολογιεσ τηατ µαψ ρεϖολυ−
τιονιζε τηε αυτοµοβιλε, ινχλυδινγ νεω
µατεριαλσ, αδϖανχεδ αεροδψναµιχσ,
δασηβοαρδ ναϖιγατιοναλ σψστεµσ ανδ
σµαρτ ροαδσ.
Τηε µαγαζινε δεσχριβεσ µετηοδσ φορ
αν εµεργινγ µεδιχαλ τεχηνολογψ κνοων
ασ γενε τηεραπψ τηατ ισ αβουτ το βε τεστ−
εδ ιν τηε ⇒ρστ φεδεραλλψ αππροϖεδ χλινι−
χαλ τριαλ.
∆εϖελοπµεντ οφ τεχηνολογψ φορ µα−
νιπυλατινγ ανδ οβσερϖινγ µαττερ ον αν
ατοµιχ σχαλε ισ σαιδ το βε α ηαρβινγερ
οφ α νεω αγε οφ θυαντυµ ελεχτρονιχ
ανδ οπτιχαλ δεϖιχεσ.
1991
Ιν α σινγλε−τοπιχ ισσυε, Χοµµυνιχα−
τιονσ, Χοµπυτερσ ανδ Νετωορκσ, ιννο−
ϖατορσ συχη ασ Μιχηαελ Λ. ∆ερτουζοσ,
Νιχηολασ Π. Νεγροποντε ανδ Μιτχηελλ
Καπορ αδϖισε ρεαδερσ ον ηοω το ωορκ,
πλαψ ανδ τηριϖε ιν χψβερσπαχε.
Ρεαδερσ λεαρν ηοω σχιεντιστσ, υσινγ
ρατιοναλ ορ στρυχτυρε−βασεδ δεσιγν,
χυστοµ−ταιλορ δρυγ µολεχυλεσ το εξερτ
σπεχι⇒χ ε⇑εχτσ ιν τηε βοδψ.
1994
Ιµαγεσ µαδε βψ ποσιτρον εµισσιον
τοµογραπηψ ανδ µαγνετιχ ρεσονανχε
ιµαγινγ λιτεραλλψ σηοω τηε ηυµαν µινδ
ατ ωορκ.
1995
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν λοοκσ ατ τεχηνολ−
ογψ τηατ αιµσ το ρεπροδυχε ιν αθυατιχ
ροβοτσ τηε εξτραορδιναρψ ε⇔χιενχψ δισ−
πλαψεδ ιν νατυρε βψ σωιµµινγ ⇒ση; τηε
ρεσυλτσ µαψ ονε δαψ βε υσεδ το ρεδυχε
σηιππινγ φυελ χοστσ ανδ ινχρεασε τηε
µανευϖεραβιλιτψ οφ σηιπσ ιν χροωδεδ
σηιππινγ λανεσ ωορλδωιδε.
Τηε µαγαζινε συγγεστσ στεπσ τηατ
χαν βε τακεν νοω το ενσυρε τηατ τηε
διγιταλ ρεχορδσ µαδε τοδαψ ωιλλ στιλλ βε
ρεαδαβλε ιν τηε φυτυρε δεσπιτε τηε ινεϖ−
ιταβλε χηανγεσ τηατ ωιλλ οχχυρ ιν ηαρδ−
ωαρε ανδ σοφτωαρε.
1983
1974
1994
1977
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν δεσχριβεσ τηε νεω
χρυισε µισσιλε, ωηιχη υσεσ ραδαρ ανδ α
χοµπυτερ το φολλοω αν ονβοαρδ ελεχ−
τρονιχ µαπ το ιτσ ταργετ. Τηε µισσιλε ποσ−
εσ α µαϕορ χολδ ωαρ προβλεµ: αρµσ−χον−
τρολ οβσερϖερσ χαννοτ διστινγυιση βε−
τωεεν νυχλεαρ ανδ νοννυχλεαρ ϖερσιονσ.
Αλαν Χ. Καψ, ωριτινγ αβουτ τηε περ−
σοναλ χοµπυτερ, συγγεστσ τηατ ωιτηιν α
δεχαδε µανψ πεοπλε ωιλλ ηαϖε αχχεσσ το
νοτεβοοκ−σιζε χοµπυτερσ τηατ ωιλλ ηαν−
δλε τηε τασκσ χαρριεδ ουτ βψ τηε λαργε
χοµπυτερσ χυρρεντλψ ιν υσε.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
17
ΣΧΙΕΝΧΕ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΧΙΤΙΖΕΝ
Τηε Τρεατψ Τηατ Ωορκεδ∇Αλµοστ
Ωιλλ τηε βλαχκ µαρκετ φορ ΧΦΧσ σηορτ−χιρχυιτ τηε Μοντρεαλ Προτοχολ?
Α
βυιλδινγσ ιν τηε Υ.Σ. Βυτ σινχε 1986,
προδυχτιον οφ νεω ΧΦΧσ ιν τηισ χουντρψ
ηασ φαλλεν 75 περχεντ, τηανκσ το τηε
Μοντρεαλ Προτοχολ; ον Νεω Ψεαρ∏σ ∆αψ,
1996, ιτ ωιλλ χεασε αλτογετηερ. Μεαν−
ωηιλε φεδεραλ εξχισε ταξεσ ον νεω ανδ
ιµπορτεδ ΧΦΧσ, ωηιχη χοστ ονλψ αβουτ
∃2 περ πουνδ το µακε, ηαϖε γροων το
∃5.35 περ πουνδ ανδ χοντινυε το ρισε.
Τηε δραµατιχαλλψ σηρινκινγ συππλψ
ανδ σηαρπλψ ρισινγ ταξεσ αρε συπποσεδ
το πυση πεοπλε το ρεπλαχε ορ χονϖερτ
STEPHEN FERRY Gamma Liaison
σ α ρυλε, ιντερνατιοναλ ενϖιρονµεν−
ταλ τρεατιεσ τενδ το βε ποορλψ φο−
χυσεδ, ραρελψ ρατι⇒εδ ανδ ηαρδλψ
ενφορχεδ. Ονε νοταβλε εξχεπτιον∇σο
φαρ∇ισ τηε Μοντρεαλ Προτοχολ, α 1987
αγρεεµεντ ρατι⇒εδ βψ 149 χουντριεσ το
πηασε ουτ προδυχτιον οφ τηε χηλορο⇓υο−
ροχαρβονσ (ΧΦΧσ) τηατ σχιεντιστσ ηαϖε
χονϖινχινγλψ ιµπλιχατεδ ιν τηε δεστρυχ−
τιον οφ τηε εαρτη∏σ οζονε λαψερ.
Βυτ α σεριεσ οφ ρεχεντ βυστσ βψ φεδερ−
αλ αυτηοριτιεσ ηασ ρεϖεαλεδ α τηριϖινγ
ΤΡΑΝΣΙΤΙΟΝ φροµ οζονε−δεπλετινγ ΧΦΧσ το ηψδρογεν−βεαρινγ ΗΧΦΧσ∇υσεδ ιν µιλ−
λιονσ οφ ηοµε αιρ−χονδιτιονερσ∇ισ τηρεατενεδ βψ α βλαχκ µαρκετ φορ ΧΦΧσ.
βλαχκ µαρκετ φορ ιλλιχιτ ΧΦΧσ τηατ τηρεατ−
ενσ το σλοω σιγνι⇒χαντλψ τηε τρανσιτιον
το λεσσ ηαρµφυλ συβστιτυτεσ ιν τηε Υ.Σ.
Αλτηουγη ο⇔χιαλσ ασσερτ τηατ τηεψ αρε
ον τοπ οφ τηε σιτυατιον, τηεψ αδµιτ τηεψ
δο νοτ κνοω τηε σχοπε οφ τηε ιλλεγαλ ιµ−
πορτσ ανδ χαννοτ πρεδιχτ τηειρ γροωτη:
αγεντσ εστιµατε τηατ ιν Μιαµι τηε χηεµ−
ιχαλσ αρε σεχονδ ονλψ το δρυγσ ιν δολλαρ
ϖαλυε. Σοµε ωαρν τηατ χοντραβανδ ΧΦΧσ
ωιλλ ποσε α λαργερ προβλεµ φορ Ευροπε.
ΧΦΧσ αρε στιλλ υσεδ ασ ρεφριγεραντσ ιν
σοµε 100 µιλλιον χαρσ, 160 µιλλιον ηοµε
ρεφριγερατορσ, ⇒ϖε µιλλιον χοµµερχιαλ
ρεφριγερατορσ ανδ φοοδ δισπλαψ χασεσ,
ανδ 70,000 αιρ χονδιτιονερσ φορ λαργε
18
τηειρ χοολινγ εθυιπµεντ σο τηατ ιτ ρυνσ
ον λεσσ ηαρµφυλ συβστιτυτεσ, ωηιχη αρε
νοω ωιδελψ αϖαιλαβλε. Βυτ τηατ τρανσι−
τιον ισ γοινγ σλοωλψ, ανδ τηε σκψροχκετ−
ινγ πριχεσ φορ ΧΦΧσ χρεατε α ηυγε ινχεν−
τιϖε φορ σµυγγλινγ. Ιτ∏σ ϖερψ λυχρατιϖε,
σαψσ Κειτη Σ. Πραγερ, α Υ.Σ. Χυστοµσ αγεντ
ιν Μιαµι. Ψου χαν µακε µιλλιονσ.
Ινδεεδ, σιξ πεοπλε ιν φουρ σεπαρατε
χασεσ ηαϖε βεεν χηαργεδ ωιτη αττεµπτ−
ινγ το σµυγγλε α τοταλ οφ 8.166 µιλλιον
πουνδσ οφ ΧΦΧσ ιντο τηε Υ.Σ. ωιτηουτ
παψινγ τηε ταξ. (Φιϖε οφ τηε δεφενδαντσ
ωερε χονϖιχτεδ ανδ µαψ φαχε πρισον
τερµσ.) Ιφ σολδ ατ µαρκετ πριχε, τηατ
θυαντιτψ χουλδ νετ σοµε ∃40 µιλλιον.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Ωε δον∏τ ρεαλλψ κνοω ηοω µυχη ισ
χοµινγ ιν, αδµιτσ ∆αϖιδ Λεε οφ τηε Εν−
ϖιρονµενταλ Προτεχτιον Αγενχψ∏σ στρατο−
σπηεριχ προτεχτιον διϖισιον. Βυτ ειγητ
µιλλιον πουνδσ ισ εθυιϖαλεντ το 10 περ−
χεντ οφ τηε Υ.Σ.∏σ τοταλ λεγαλ προδυχτιον
οφ ΧΦΧσ τηισ ψεαρ. Λεε ρεπορτσ τηατ ∆υ
Ποντ ανδ ΑλλιεδΣιγναλ, τωο µαϕορ ΧΦΧ
προδυχερσ, αρε χοµπλαινινγ τηατ τηεψ
σιµπλψ χαννοτ µοϖε τηειρ ινϖεντορψ,
εϖεν τηουγη ψου ωουλδ εξπεχτ α λοτ οφ
δεµανδ. Τηε µαρκετ, τηε χοµπανιεσ
χηαργε, ισ ⇓οοδεδ ωιτη χοντραβανδ.
Ιφ, ασ σοµε ωορρψ, τηε γοϖερνµεντ ισ
νο µορε ε⇑εχτιϖε ατ ηαλτινγ ΧΦΧ σµυγ−
γλινγ τηαν ατ ιντερδιχτινγ δρυγσ, τηεν
10 τιµεσ ασ µυχη µατεριαλ γετσ τηρουγη
ασ ισ ιντερχεπτεδ. Τηατ φεαρ ισ φυελεδ βψ
τηε φαχτ τηατ τηε σµυγγλερσ χαυγητ σο
φαρ αλλ λαβελεδ τηειρ χαργο προπερλψ ασ
ρεφριγεραντ βυτ φαλσελψ χλαιµεδ τηατ ιτ
ωασ δεστινεδ φορ πορτσ ουτσιδε τηε Υ.Σ.
Προβαβλψ µανψ οτηερσ δισγυισε ΧΦΧ χψλ−
ινδερσ ασ τηοσε οφ οτηερ γασεσ; τηεψ ωιλλ
βε ηαρδερ το χατχη. Ιφ τηε αναλογψ βε−
τωεεν ΧΦΧσ ανδ δρυγσ ισ ϖαλιδ, ιν 1996
τηε βλαχκ µαρκετ µαψ χοµπλετελψ χουν−
τεραχτ τηε ε⇑εχτσ οφ τηε βαν.
Τηερε αρε, ηοωεϖερ, γοοδ ρεασονσ το
συσπεχτ τηατ τηε ωορστ ωιλλ νοτ ηαππεν.
Μανψ βυσινεσσεσ ηαϖε στοχκπιλεδ
ενουγη ΧΦΧσ το κεεπ τηειρ εθυιπµεντ
ρυννινγ φορ ψεαρσ, σαψσ Εδωαρδ Ω.
∆οολεψ οφ τηε Αιρ Χονδιτιονινγ ανδ Ρε−
φριγερατιον Ινστιτυτε. Ανδ τηε µαρκετ
φορ δοµεστιχαλλψ ρεχψχλεδ φρεον [ωηιχη
ισ ταξ−εξεµπτ ] ισ γροωινγ λικε τοπσψ.
Μορε ιµπορταντ, ΧΦΧσ αρε γενεραλλψ
σολδ το βυσινεσσεσ, ωηιχη αρε υνλικελψ
το ινϖιτε α ρυν−ιν ωιτη τηε Ιντερναλ Ρεϖ−
ενυε Σερϖιχε βψ κνοωινγλψ βυψινγ συχη
γοοδσ. Ανδ φεω βυιλδινγ µαναγερσ ωιλλ
ρισκ δαµαγινγ ∃100,000 χηιλλερ υνιτσ
βψ ρε⇒λλινγ τηεµ ωιτη χοολαντ φροµ αν
υνκνοων σουρχε. Αναλψσισ οφ σειζεδ ιλ−
λεγαλ ΧΦΧ−12, φορ ινστανχε, ηασ ρεϖεαλεδ
τηατ σοµε σαµπλεσ χονταιν υπ το 50 περ−
χεντ µορε µοιστυρε ανδ 1,000 περχεντ
µορε χονταµιναντσ τηαν τηε ινδυστρψ
στανδαρδ, ποιντσ ουτ ∆αϖιδ Στιρπε, εξεχ−
υτιϖε διρεχτορ οφ τηε Αλλιανχε φορ Ρε−
σπονσιβλε Ατµοσπηεριχ Πολιχψ.
Ωε∏ρε µορε χονχερνεδ ωιτη τηε αυ−
τοµοτιϖε σεχτορ, σαψσ Τοµ Λανδ, ωηο
ισ διρεχτινγ τηε ΧΦΧ πηασεουτ φορ τηε
ΕΠΑ. Φλψ−βψ−νιγητ µεχηανιχσ ωορκινγ
ουτ οφ τηε βαχκσ οφ τρυχκσ αρε νοτ τοο
χονχερνεδ ωιτη πυριτψ. Χηεαπ, ιλλεγαλ
ΧΦΧσ µιγητ σεεµ τοο γοοδ οφ α δεαλ ον
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
τηε στρεετ φορ σοµε τεχηνιχιανσ το πασσ
υπ. Ηε ποιντσ το ονε αυτοµοτιϖε αιρ−
χονδιτιονινγ σηοπ οωνερ ωηο ωασ ρε−
χεντλψ χηαργεδ ωιτη σµυγγλινγ 60,000
πουνδσ οφ ΧΦΧσ φροµ Μεξιχο.
Τηε ΕΠΑ ηασ α ποτεντιαλλψ ποωερφυλ
ωεαπον αγαινστ συχη σµαλλ−τιµε χυσ−
τοµερσ φορ βοοτλεγ ΧΦΧσ: τηειρ χοµ−
πετιτορσ. Τηε αγενχψ ηασ σετ υπ αν 800
νυµβερ ασ α τιπ λινε ανδ ηασ βεεν πασσ−
ινγ ον λεαδσ το τηε ΙΡΣ. Ιτ∏σ α δογ−εατ−
δογ ωορλδ, ανδ ιφ σοµεονε τηινκσ τηειρ
χοµπετιτορ ισ οβταινινγ ΧΦΧσ ατ λοω
χοστ ωιτηουτ παψινγ ταξ, τηεψ αρε γοινγ
το ⇒νκ, Λανδ σαψσ. Ωε∏ϖε βεεν γεττινγ
αν αϖεραγε οφ τηρεε τιπσ α ωεεκ.
Ευροπε µαψ ηαϖε α ηαρδερ τιµε µακ−
ινγ τηε Μοντρεαλ Προτοχολ στιχκ. Χυσ−
τοµσ ο⇔χιαλσ βελιεϖε τηατ µανψ οφ τηε
ιλλιχιτ ΧΦΧσ εντερινγ τηε Υ.Σ. αρε προ−
δυχεδ ιν φορµερ Σοϖιετ βλοχ χουντριεσ.
Ιν Μαψ, Ρυσσια, Βελαρυσ, Υκραινε, Πολανδ
ανδ Βυλγαρια αλλ ασκεδ φορ εξτενσιονσ,
χιτινγ εχονοµιχ δι⇔χυλτιεσ. Μανψ ιν τηε
ενϖιρονµενταλ χοµµυνιτψ εξπεχτ Πρεσ−
ιδεντ Βορισ Ν. Ψελτσιν το αννουνχε φορ−
µαλλψ τηατ Ρυσσια ισ νοτ χοµπλψινγ ωιτη
τηε τρεατψ. Ιτ ισ νοτ χλεαρ ηοω οτηερ
χουντριεσ ωουλδ ρεαχτ.
Ιφ Ρυσσια φαλτερσ, τηε ρεστ οφ Ευροπε
µαψ ⇒νδ ιτ δι⇔χυλτ το χοµπλψ ασ ωελλ.
Σµυγγλινγ ισ αλωαψσ εασιερ βψ λανδ τηαν
βψ σεα. Ανδ δεσπιτε τηε Ευροπεαν
Υνιον∏σ αδοπτιον οφ α ΧΦΧ µανυφαχτυρ−
ινγ βαν ονε ψεαρ εαρλιερ τηαν τηε Υ.Σ.,
τηε Υ.Σ. ηασ µαδε µορε προγρεσσ ιν
σωιτχηινγ το ΧΦΧ αλτερνατιϖεσ, ΕΠΑ ο⇔−
χιαλσ σαψ. Α νυµβερ οφ Αµεριχαν εξ−
Χαλχυλατινγ ωιτη ∆ΝΑ
Γενετιχ µατεριαλ σολϖεσ µατηεµατιχαλ προβλεµσ
Τ
ηισ παστ ψεαρ, σεϖεραλ χοµπυτερ
σχιεντιστσ δρεω υπ πλανσ φορ µακ−
ινγ βιοχηεµιχαλσ σολϖε προβλεµσ
τηατ στυµπ εϖεν τηε µιγητιεστ οφ ελεχ−
τρονιχ µαχηινεσ. Ιν τηεσε σχηεµεσ, δατα
αρε ρεπρεσεντεδ βψ στρινγσ οφ ∆ΝΑ βασε
παιρσ ινστεαδ οφ βιναρψ διγιτσ, ανδ χαλχυ−
Φ ΙΕΛ∆ Ν ΟΤΕΣ
Τηε Μοστ ∆ανγερουσ
Ανιµαλ
ϑ
JIM BRANDENBURG Minden Pictures
ay O’Keeffe smiles widely when I
ask him about the hazards of his
fieldwork on South African rivers.
Why is not immediately clear: perhaps
it is from the pleasure of the brai, this
congenial cookout that H. Randall Hepburn, a dean at Rhodes University, is
hosting for his top scientists. Or maybe
he is eavesdropping, as I am, on an alcohol-amplified debate raging in the
kitchen on whether life was planted on
the earth by an alien civilization or an
infested asteroid.
20
λατιονσ αρε χαρριεδ ουτ βψ συχη χοµµον
µανιπυλατιονσ ασ χοµβινινγ, χοπψινγ
ανδ εξτραχτινγ στρανδσ. Τηε µετηοδσ ρε−
µαιν µοστλψ υντεστεδ. Τηεψ αρε νειτηερ
οβϖιουσ νορ ιµµεδιατελψ υσεφυλ. Βυτ τηε
φαχτ τηατ τηεψ χουλδ χονχειϖαβλψ ωορκ
ηασ χαυσεδ θυιτε α στιρ.
But as O’Keeffe starts to answer, the
source of his smile becomes apparent:
I have given him the opportunity to recount one of his favorite stories. “This
happened a couple of years ago on the
Olifants River in Kruger Park,” he begins. As director of the Institute for Water Research at Rhodes, O’Keeffe spends
much of his time traipsing in the handful of rivers, most of them dammed and
polluted, that supply South
Africa with one of its most
precious resources. “A lot
of research is done in Kruger, but it is a terrifically
dangerous place,” he says.
“The water is full of bilharzia [a parasite that causes schistosomiasis] and,
worse, crocodiles.
“Now, although we researchers are all fully informed theorists on all aspects of wild game, we haven’t a clue
about how to avoid being eaten or run
over. So it’s the unenviable job of a
large, cheerful chap named Gerhard
Strydom, the senior technical officer on
the Kruger Park Rivers Research Program, to shepherd us around.
“One day Gerhard took several postgraduate students out on the river in a
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
περτσ βελιεϖε Ευροπεαν ρεγυλατορσ µαψ
σοον φαχε θυιτε α σχαρε ασ τηεψ ρεαλιζε
τηατ τηε τρανσιτιον ωιλλ τακε λονγερ τηαν
εξπεχτεδ. Τηε ρεσυλταντ σπικε ιν δε−
µανδ χουλδ λεαδ το ραµπαντ γροωτη ιν
τηε βλαχκ µαρκετ φορ ΧΦΧσ.
Ωηετηερ γοϖερνµεντσ χαν βρινγ τηε
τρα⇔χ ιν ΧΦΧσ υνδερ χοντρολ µαψ ωελλ
δετερµινε τηε φυτυρε οφ τηε Μοντρεαλ
Προτοχολ. Ωε∏ϖε βεεν ωορκινγ υνδερ
τηε ασσυµπτιον τηατ τηε οζονε ισσυε ισ
σολϖεδ, σαψσ ϑοσεπη Μενδελσον οφ
Φριενδσ οφ τηε Εαρτη. Βυτ νονε οφ ουρ
µοδελσ πρεδιχτινγ ωηεν ΧΦΧ ρελεασεσ
ωιλλ πεακ ανδ ωηεν τηε οζονε ηολε ωιλλ
χλοσε υπ τακε ιντο αχχουντ σµυγγλινγ
ανδ λαργε χουντριεσ τηατ δον∏τ χοµπλψ.
Τηοσε δεταιλσ µαψ φορχε πλαννερσ βαχκ
το τηε δραωινγ βοαρδ. ∇Ω. Ωαψτ Γιββσ
Ινδεεδ, σοµε 200 ρεσεαρχηερσ ⇓οχκεδ
το Πρινχετον Υνιϖερσιτψ τηισ παστ σπρινγ
το δισχυσσ τηε ποτεντιαλ οφ βιοµολεχυλαρ
χοµπυτινγ. Τηε ⇒ελδ βεγαν λαστ φαλλ
ωηεν Λεοναρδ Μ. Αδλεµαν οφ τηε Υνι−
ϖερσιτψ οφ Σουτηερν Χαλιφορνια ωορκεδ
ουτ α τεστ−τυβε σολυτιον το α ϖαριατιον οφ
τηε τραϖελινγ σαλεσµαν προβλεµ. Τηε
χηαλλενγε ισ το ⇒νδ α ρουτε βετωεεν
σοµε νυµβερ οφ χιτιεσ τηατ στοπσ ατ
εαχη ονε ονλψ ονχε. Αδλεµαν χαρεφυλλψ
collapsible plastic boat of dubious stability. They threw a large seine net into
the water. The Olifants receives a lot of
effluent from mines outside the park,
and the researchers have been netting
fish to look at the accumulation of heavy
metals in various tissues.
“So Gerhard and the students began
pulling the net up over the gunwales
when all of a sudden they noticed that
along with the fish they had caught a
large crocodile. Everyone panicked. The
boat went rocking, and Gerhard pitched
forward into the net. With the croc.
“Now, there was really no danger—
the crocodile was more interested in
getting away than in biting anyone—
until one of the male students in this
tottering skiff pulled out a pistol he
had secreted on his person and began
blasting away in the general direction
of the reptile. Both Gerhard and the
croc immediately surrendered,” O’Keeffe
continues, throwing up his hands comically. “One of the rounds actually hit
the animal, and it managed to get free
and swim away while Gerhard scrambled back into the boat,” he concludes,
pausing for a moment before giving the
moral. “The most dangerous thing by
far in Kruger is people walking around
carrying guns.”
—W. Wayt Gibbs
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Φορ αν ΣΑΤ ηαϖινγ ν ϖαριαβλεσ, α χοµ−
πυτερ µυστ σεαρχη τηρουγη 2 ν ποσσιβλε
σολυτιονσ. Σο ασ τηε νυµβερ οφ ϖαριαβλεσ
ινχρεασεσ, τηε ρεθυιρεδ χοµπυτινγ τιµε
ρισεσ εξπονεντιαλλψ. Παστ α σπεχι⇒χ ποιντ,
α χοµπυτερ χαννοτ, φορ χερταιν, φινδ τηε
ανσωερ.
Λιπτον∏σ πλαν τηεορετιχαλλψ ηολδσ
ενουγη ποωερ το χηυρν ουτ εξαχτ σολυ−
τιονσ το ϖερψ λαργε ΣΑΤ προβλεµσ. Βε−
χαυσε α τεστ τυβε χαν ηολδ ον τηε ορδερ
οφ 260 στρανδσ, ψου ηαϖε αϖαιλαβλε α ηυγε
νυµβερ οφ παραλλελ χοµπυτερσ, µορε
τηαν ωε χουλδ εϖερ δρεαµ αβουτ ιν α
σιλιχον ωορλδ, Λιπτον εξπλαινσ. Τηεσε
στρανδσ, τακεν τογετηερ, χουλδ βε πυτ
τηρουγη τηε µοτιονσ οφ σοµε βιλλιον βιλ−
λιον οπερατιονσ ατ ονχε. [Λιπτον] ηασ
σηοων τηατ χερταιν προβλεµσ αρε παρτιχ−
υλαρλψ αµεναβλε το τηε ∆ΝΑ τεχηνιθυεσ
τηατ αρε χυρρεντλψ αϖαιλαβλε, Αδλεµαν
στατεσ. Ιν αδδιτιον το τηε ΣΑΤ σχηεµε,
Λιπτον ανδ τωο γραδυατε στυδεντσ ηαϖε
σινχε δεϖισεδ βιοχηεµιχαλ ταχτιχσ φορ
χραχκινγ τηε Νατιοναλ Σεχυριτψ Αγενχψ∏σ
δατα ενχρψπτιον στανδαρδ σψστεµ.
Αδλεµαν ισ χυρρεντλψ ωορκινγ ωιτη α
γρουπ οφ σχιεντιστσ φροµ τηε Υνιϖερσιτψ
οφ Σουτηερν Χαλιφορνια ανδ τηε Χαλιφορ−
νια Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ το τρψ το
βυιλδ α προτοτψπε µολεχυλαρ χοµπυτερ
Εχτοπλασµ Ρειγνσ
∆ον∏τ ωιπε ψουρ φεετ ον µιχροβιαλ µατσ
Ω
το σολϖε ΣΑΤ προβλεµσ. Ονε µαϕορ οβ−
σταχλε τηεψ φαχε ισ τηατ τηεσε οπερατιονσ
αρε φαρ φροµ περφεχτ; φορ λαργε προβ−
λεµσ, ερρορσ ιν χοπψινγ ορ χοµβινινγ
στρανδσ χουλδ αχχυµυλατε. Ωε στιλλ
ηαϖε α λονγ ωαψ το γο, σαψσ ∆αϖιδ Κ.
Γι⇑ορδ οφ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε
οφ Τεχηνολογψ. Τηε ινιτιαλ ωορκ ισ εν−
χουραγινγ, βυτ ιτ ισ ονλψ βασεδ ον ονε
εξπεριµεντ, ανδ ιτ ονλψ σολϖεδ α παρτιχ−
υλαρ χλασσ οφ προβλεµσ.
Εϖεν σο, Λιπτον πρεδιχτσ τηατ βασιχ
αππλιχατιονσ οφ τηισ ρεσεαρχη ωιλλ σοον
χοµε αβουτ, ινχλυδινγ µορε ε⇔χιεντ
µεανσ φορ ∆ΝΑ ⇒νγερπριντινγ. Γι⇑ορδ
αδδσ τηατ περηαπσ βιοµολεχυλαρ χοµ−
πυτινγ µιγητ σοµεδαψ λεαδ το σµαρτ
δρυγσ, ωηιχη ωουλδ αδϕυστ τηειρ ε⇑εχτσ
αφτερ χοµπλετινγ σιµπλε ιν ϖιϖο χαλχυλα−
τιονσ. Ιφ αλλ ελσε φαιλσ, Αδλεµαν συγγεστσ
τηατ τηε ωορκ µαψ σηεδ λιγητ ον ηοω
χελλσ στορε ανδ µανιπυλατε ινφορµατιον.
Ηε σαψσ ιτ ισ τοο σοον το τελλ ωηετηερ
µολεχυλαρ χοµπυτερσ ωιλλ εϖερ τακε ο⇑.
Ι τηινκ τηε ϖαλυε οφ τηισ ϕουρνεψ,
τηουγη, δοεσ νοτ δεπενδ ον τηε αν−
σωερ το τηατ θυεστιον, ηε αδδσ. Τηερε
µαψ βε ιµπορταντ χοννεχτιονσ βετωεεν
βιολογψ ανδ χοµπυτερ σχιενχε; τηε
µολεχυλαρ χοµπυτερ ισ α ϖεηιχλε φορ
⇒νδινγ τηατ ουτ. ∇Κριστιν Λευτωψλερ
οξψγεν, περφορµσ α υνιθυε φυνχτιον ιν
ωηατ ισ α τινψ, ηιγηλψ ρεγυλατεδ, λαψερεδ
εχοσψστεµ. Αλτηουγη ιτ ισ νοτ χλεαρ ηοω
τηεψ φορµ, τηε µατσ συρϖιϖε τηρουγη
χοοπερατιον: δι⇑ερεντ σπεχιεσ οφ βαχτε−
ρια πηοτοσψντηεσιζε ασ ωελλ ασ χψχλε νι−
τρογεν, συλφατεσ, πηοσπηορυσ ανδ χαρ−
βον διοξιδε. Τηεψ χψχλε αλλ νυτριεντσ ιν−
τερναλλψ, ρεθυιρινγ ονλψ νιτρογεν, ωατερ
ανδ συνλιγητ φροµ τηε ουτσιδε.
Ματ χοµµυνιτιεσ ιν δι⇑ερεντ παρτσ οφ
τηε ωορλδ χονταιν µανψ οφ τηε σαµε εσ−
σεντιαλ ελεµεντσ, βυτ εαχη ηασ α υνιθυε
στρυχτυρε. ςαριουσ τεξτυρεσ
ηαϖε ινσπιρεδ νιχκναµεσ συχη
ασ εχτοπλασµ, φορ α παρτιχυ−
λαρλψ µυχιλαγινουσ µατ, ανδ
βριε, φορ ονε χοϖερεδ ωιτη α
χηαλκψ ωηιτε ⇒λµ. Ωηεν χυτ
ιντο τιδψ πιεχεσ φορ αναλψσισ,
ηιλε λοοκινγ φορ Ινδια, Χηριστο− γετιχ σεαρχη φορ τηε µοδερν χουσιν οφ
πηερ Χολυµβυσ µαδε ηισ ⇒ρστ πριµορδιαλ οοζε.
Νεω Ωορλδ λανδφαλλ ιν τηε Βα−
Μιχροβιαλ µατσ∇χοµποσεδ µοστλψ οφ
ηαµασ. Φιϖε ηυνδρεδ ψεαρσ λατερ, ιν τηατ χψανοβαχτερια, ορ βλυε−γρεεν αλγαε, ανδ
γρεατ τραδιτιον οφ εξπλορατιον, ιντρεπιδ διατοµσ∇δο νοτ λοοκ λικε µυχη ιν τηε
µιχροβιολογιστσ αλσο χοµε το τηεσε ισ− ωαψ οφ λιφε, βυτ τηεψ αρε ρεµαρκαβλε. Τηε
λανδσ. Τηεσε ρεσεαρχηερσ αρε χολλεχτινγ µιχροσχοπιχ τηρεαδσ οφ αλγαε ωεαϖε το−
σαµπλεσ οφ µιχροβιαλ µατσ, κνοων ασ αλ− γετηερ, φορµινγ α χαρπετ. Εαχη λαψερ,
γαλ µατσ∇τηε λιφε−φορµ ωιτη τηε λονγεστ, δεπενδινγ ον ιτσ εξποσυρε το λιγητ ανδ
ιφ νοτ τηε µοστ διστινγυισηεδ,
λινεαγε ον τηε εαρτη.
Βιολογιστσ Ηανσ Ω. Παερλ
ανδ ϑαµεσ Λ. Πινχκνεψ οφ τηε
Υνιϖερσιτψ οφ Νορτη Χαρολινα
ατ Χηαπελ Ηιλλ ωιλλ ποκε
αρουνδ ιν πρεττψ µυχη ανψ
µυχκ ιν σεαρχη οφ τηεσε µατσ,
ωηιχη χαν ηαϖε τηε χονσισ−
τενχψ οφ γελατινουσ σλιµε,
δριεδ µυδ ορ ανψτηινγ ιν βε−
τωεεν. Τηε σχιεντιστσ δριϖε
τηε υνπαϖεδ ροαδσ οφ τηε Βα−
ηαµασ, ϕολτεδ ανδ ϕαρρεδ βψ
τηειρ ανχιεντ τρυχκ. Τηεψ
χλαµβερ οϖερ τρεαχηερουσ
βλυ⇑σ πυµµελεδ βψ τηε Ατ−
λαντιχ Οχεαν το ⇒νδ τιδαλ
ποολσ χολονιζεδ βψ τηε αλγαε.
Ανδ τηεψ ωαδε ιντο τηε συλ−
φυρουσ, τυρβιδ ωατερσ οφ ηψ−
περσαλινε λακεσ ιν τηειρ ενερ− ΜΙΧΡΟΒΙΑΛ ΜΑΤΣ, µιχροσχοπιχ (λεφτ) ανδ ωηολε (ριγητ), προϖιδε χλυεσ το εχοσψστεµ δψναµιχσ.
22
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
CONRAD NEUMANN
χηοσε σηορτ ∆ΝΑ µολεχυλεσ το ενχοδε
φορ σεϖεν σεπαρατε χιτιεσ ανδ συνδρψ
ποσσιβλε λεγσ οφ τηε τριπ. Αφτερ σεϖεν
δαψσ ανδ α σεριεσ οφ λαβορατορψ στεπσ,
ονλψ χερταιν µολεχυλεσ ρεµαινεδ ιν τηε
⇒ναλ τεστ τυβε∇τηοσε τηατ τραχεδ ουτ
τηε χορρεχτ τουρ.
Αλτηουγη ινχρεδιβλψ χλεϖερ, τηε ρεσυλτ
σεεµεδ λεσσ τηαν χοµπελλινγ ατ ⇒ρστ
γλανχε. Α χοµπυτερ χαν µαπ τηε σαµε
ιτινεραρψ ιν σεχονδσ. Ανδ ωηερεασ διγι−
ταλ χοµπυτερσ λαχκ τηε ποωερ το προ−
δυχε τηε προπερ πατη βετωεεν, σαψ, 100
χιτιεσ, τηισ εξπεριµεντ γαϖε νο ρεαλ εϖι−
δενχε τηατ ∆ΝΑ ωουλδ δο ανψ βεττερ.
Μορεοϖερ, µανψ πρεσυµεδ τηε σχηεµε
ωασ σιµπλψ ωελλ συιτεδ το τηισ ονε προβ−
λεµ. Νο ονε τηουγητ ψου χουλδ δο οτη−
ερ κινδσ οφ χοµπυτατιονσ ωιτηουτ ⇒νδ−
ινγ νεω βιοχηεµιχαλ αγεντσ ⇒ρστ, σαψσ
Ριχηαρδ ϑ. Λιπτον οφ Πρινχετον.
Τηεν, ιν Απριλ, Λιπτον δεσχριβεδ µορε
γενεραλ µολεχυλαρ µεανσ φορ σολϖινγ α
ρελατεδ πυζζλε χαλλεδ τηε σατισφαχτιον
προβλεµ (ΣΑΤ). Ιν σηορτ, ΣΑΤ εξπρεσ−
σιονσ χονσιστ οφ λογιχαλλψ χοννεχτεδ
προποσιτιονσ (φορ εξαµπλε, Τηισ χιτψ
ηασ βεεν ϖισιτεδ), ανψ οφ ωηιχη χαν βε
τρυε ορ φαλσε. Τηε προβλεµ ισ το δετερ−
µινε ωηιχη προποσιτιονσ νεεδ το βε
τρυε φορ τηε εντιρε εξπρεσσιον το βε τρυε.
σοµε µατσ ρεσεµβλε βροωνιεσ, πινκ
ερασερσ ορ τηατ µεατ λοαφ σιττινγ ιν τηε
ρεφριγερατορ σινχε λαστ Μαψ.
Τηε µατσ∏ βιοδιϖερσιτψ µαψ βε τηειρ
τιχκετ το τηε φυτυρε. Σοµεδαψ τηεψ µαψ
βε υσεδ ιν σπαχε στατιονσ το ρεγενερατε
οξψγεν, Παερλ σαψσ. Εασιλψ χυλτιϖατεδ βε−
χαυσε τηεψ νεεδ ϖιρτυαλλψ νο νυτριεντσ,
µιχροβιαλ µατσ αρε υσεδ εξπεριµενταλλψ
το πυριφψ ωατερ ιν ε⇐υεντ ηολδινγ πονδσ
ανδ ιν ωαστε τρεατµεντ πλαντσ ιν τηε Υ.Σ.
Τηεψ χαν βρεακ δοων χοµπλεξ οργανιχ
µολεχυλεσ, συχη ασ πετρολευµ ηψδρο−
χαρβονσ ανδ πεστιχιδεσ, ανδ φυλ⇒λλ αν−
αεροβιχ βιοχηεµιχαλ νεεδσ, συχη ασ δενι−
τρι⇒χατιον ανδ µεταλ δισσολυτιον.
Ασ ιφ τηεσε σελφ−συ⇔χιεντ εντιτιεσ ωερε
νοτ ταλεντεδ ενουγη, σοµε εϖεν µακε
ροχκσ. Τηε βαχτερια πρεχιπιτατε χαλχιυµ
χαρβονατε ουτ οφ σεαωατερ, ωηιχη χαυσεσ
τηε µατσ το τυρν σλοωλψ το στονε. Τηε
ολδεστ κνοων φοσσιλσ, αβουτ τηρεε βιλλιον
ψεαρσ ολδ, χαλλεδ στροµατολιτεσ, αρε βυλ−
βουσ µασσεσ οφ χαλχι⇒εδ χψανοβαχτερια.
Τηε µατσ αλσο σερϖε ασ µοδελσ φορ
στυδψινγ τηε δψναµιχσ οφ βιγγερ εχο−
σψστεµσ, νοτ λεαστ βεχαυσε τηεψ ⇒τ ιν α
λαβορατορψ. Αλλ τηε µαϕορ βιογεοχηεµ−
ιχαλ χψχλεσ ανδ βιολογιχαλ φοοδ ωεβσ οχ−
χυρ ωιτηιν τηε υππερ φεω µιλλιµετερσ οφ
µιχροβιαλ µατσ, Παερλ νοτεσ. Ιτ ωουλδ
βε αναλογουσ το σθυεεζινγ α φεω ηυν−
δρεδ ηεχταρεσ οφ ραιν φορεστ ορ σεϖεραλ
χοραλ ρεεφσ ιντο α τινψ ϕαρ. Ηε ανδ Πινχκ−
νεψ ηαϖε βεεν υσινγ µατσ το υνδερστανδ
τηε προχεσσεσ τηατ λεαδ το δεϖαστατινγ
Νεω Λεττερσ φορ Αλπηαβετ Σουπ
Τηε νυµβερ οφ αµινο αχιδσ∇τηε βασισ φορ αλλ προτεινσ∇ϕυστ γρεω
Ι
ωαψσ το φορµ αλλ τηε προτεινσ ωε κνοω.
Αλτηουγη σχιεντιστσ ηαϖε ενϖισιονεδ χρε−
ατινγ χουντλεσσ υννατυραλ αµινο αχιδσ,
υντιλ νοω τηεψ ηαϖε βεεν ατ α λοσσ ασ το
ηοω το γετ τηεµ ιντο προτεινσ ιν τηε λιϖ−
ινγ χελλ.
Ρεσεαρχηερσ φροµ τηε Χαλιφορνια Ιν−
Βοοτ Χαµπ φορ Συργεονσ
magine trying to grasp an object with a pair of
foot-long chopsticks. Think about doing this without looking at the object directly. Rather squint at
the tip of each stick displayed in a picture on a color
television. Finally, consider that the objects
you are looking at are someone’s gallbladder or spleen.
Welcome to the hoary world of
the laparoscopic surgeon. Laparoscopy is a revolutionary technique
that allows surgical instruments and
a camera to travel into the body
through small incisions. Because it
is less invasive than ordinary surgery, patients can leave the hospital
within one or two days, rather than
a week. But studies have pointed to
insufficient training in laparoscopy that can lead to bleeding, infections and hernias.
So what should surgeons do to improve their laparoscopic technique? Go to boot camp. That, at
least, was the idea of James C. “Butch” Rosser, Jr., a 6′ 5′′, 300-pound-plus drill sergeant
type who may be considered by some of his
colleagues to harbor a sadistic sense of humor.
Rosser, director of endolaparoscopic surgery
at Yale University School of Medicine, conceived of a camp in which surgeons’ skills
would improve after playing a set of
hellishly difficult games.
Take Slam Dunk, for instance. This timed
24
στιτυτε οφ Τεχηνολογψ νοω σαψ τηεψ χαν
αδδ µορε χηαραχτερσ το τηε αλπηαβετ.
Τηε αβιλιτψ το ιντεγρατε νεω κινδσ οφ
αµινο αχιδσ ιντο προτεινσ χουλδ λεαδ το
δι⇑ερεντ φορµσ οφ πηαρµαχευτιχαλσ ανδ
το γρεατερ υνδερστανδινγ αβουτ τηε ιν−
νερ ωορκινγσ οφ χελλσ ανδ γενεσ∇βασι−
χαλλψ, ανψτηινγ το δο ωιτη προτεινσ.
Φορ αβουτ α δεχαδε, σχιεντιστσ ηαϖε
βεεν αβλε το αλτερ προτεινσ βψ ρεπλαχινγ
ονε νατυραλ αµινο αχιδ ωιτη ανοτηερ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
exercise requires that a recruit use the nondominant
hand to pick up black-eyed peas with a grasper,
miniature tweezers attached to a long shaft, the end
of which is hidden inside a box. The surgeon, who
watches the position of these mechanical digits on a
screen, must then manipulate the handle at the other end of the shaft to move the pea and drop it in a
tiny hole. Or experience
the Terrible Triangle:
surgeons use a curved needle to catch a loop attached
to the top of a wooden triangle. When they are not
engaged in play, campers
may be learning mind-conditioning skills. “Controlled
arrogance,” for example, purports to teach
them the confidence to face any eventuality in the operating room.
Rosser believes a graduate of boot camp should be able
to maneuver laparoscopic tools equally well with
both hands while observing the implements on
a screen. “We have to get those lazy left hands
off welfare and working for a living,” he quips.
The rigors of pea pinching and rope grabbing have been confronted by 400 trainees
so far. Dropping a few peas is nothing
compared to inadvertently severing a patient’s bile duct. That’s the reason that
no one winces when Rosser asks: “Slam
Dunk, anyone? ”
—Gary Stix
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
MICHAEL CRAWFORD
Τ
ηε ωορκ οφ προτεινσ ιν εϖερψ χελλ
µεµβρανε, ιν εϖερψ γενε ρεγυλα−
τορ ανδ ιν εϖερψ ενζψµε∇νοτ το
µεντιον ιν ηυνδρεδσ οφ οτηερ χελλυλαρ
αχτιϖιτιεσ∇δεπενδσ ον ϕυστ 20 αµινο
αχιδσ. Λικε τηε λεττερσ οφ αν αλπηαβετ,
τηεσε χοµπουνδσ χοµβινε ιν ϖαριουσ
προβλεµσ συχη ασ αλγαλ βλοοµσ ανδ
οξψγεν δεπλετιον ιν εστυαριεσ.
Συχη ενϖιρονµενταλ ρελεϖανχε ισ βψ
νο µεανσ λιµιτεδ το τηε πρεσεντ. ∆υρινγ
τηε Πρεχαµβριαν ερα, τηε ⇒ρστ τηρεε βιλ−
λιον ψεαρσ οφ τηε εαρτη∏σ ηιστορψ, βλυε−
γρεεν αλγαε ρειγνεδ. Ιν τηατ περιοδ χψανο−
βαχτερια ινφυσεδ τηε ατµοσπηερε ωιτη
οξψγεν ανδ εξτραχτεδ ενουγη χαρβον
διοξιδε το µακε τηε πλανετ ηοσπιταβλε
το οτηερ βεινγσ. Ασ α χονσεθυενχε, τηε
αλγαε ενδεδ τηειρ οων δοµινιον∇ατ
λεαστ, φορ νοω. Πηαρµαχευτιχαλ, αγριχυλ−
τυραλ, βιοτεχηνολογιχαλ, νυτριτιοναλ ανδ
οτηερ υσεσ φορ τηε γοο αρε βεινγ εξ−
πλορεδ. Σοµεδαψ ιτ µαψ βε εϖερψωηερε;
ψου µιγητ εϖεν εατ σηρεδδεδ µιχροβιαλ
µατ φορ βρεακφαστ.
∇Χηριστινα Στοχκ
Στρανδσ οφ ∆ΝΑ∇ωηιχη διχτατε τηε
µακευπ οφ εϖερψ προτειν ιν τηε βοδψ∇
χονσιστ οφ α σεριεσ οφ νυχλεοτιδεσ. Τηρεε
νυχλεοτιδεσ τογετηερ φορµ α χοδον; τηισ
υνιτ, ιν τυρν, σπεχιφιεσ ωηιχη οφ τηε 20
νατυραλ αµινο αχιδσ το ινχλυδε. Α µολε−
χυλε κνοων ασ τρανσφερ ΡΝΑ δελιϖερσ
τηισ αµινο αχιδ το τηε προτειν υνδεργο−
ινγ χονστρυχτιον. Βψ σωιτχηινγ χοδονσ,
ρεσεαρχηερσ ηαϖε βεεν αβλε το χηανγε
τηε αµινο αχιδ τηατ ωασ προδυχεδ∇βυτ
τηεψ ηαδ ονλψ 19 αλτερνατιϖεσ.
Τηε ποσσιβιλιτψ οφ ταµπερινγ ωιτη τηισ
προχεσσ∇ανδ τηερεβψ πυττινγ νοϖελ αµι−
νο αχιδσ ιντο προτεινσ∇αρισεσ βεχαυσε
τηρεε χοδονσ δο νοτ χορρελατε ωιτη ονε
οφ τηε στανδαρδ 20 οπτιονσ. Α σπεχιαλ
τρανσφερ ΡΝΑ µολεχυλε χαρρψινγ ανψ
αµινο αχιδ χαν βε δεσιγνεδ το ρεχογ−
νιζε ονε οφ τηεσε χοδονσ. Σο ωηενεϖερ
συχη α χοδον αππεαρσ ιν τηε ινστρυχ−
τιονσ φορ βυιλδινγ α προτειν, τηε σπεχιαλ
τρανσφερ ΡΝΑ µολεχυλε χαρριεσ ιτσ αχ−
χοµπανψινγ αµινο αχιδ∇νατυραλ ορ
υννατυραλ∇το τηε προτειν.
Βεχαυσε χελλσ χαννοτ µακε αλτερεδ
τρανσφερ ΡΝΑ, τηε χηαλλενγε ωασ ⇒γυρ−
ινγ ουτ ηοω το ιντροδυχε τηε ΡΝΑ ιντο
τηεµ. Σεϖεραλ ψεαρσ αγο Πετερ Γ. Σχηυλτζ
οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια ατ Βερκε−
λεψ πυτ υννατυραλ αµινο αχιδσ ιντο προ−
τεινσ∇βυτ ηισ αππροαχη ωορκεδ ονλψ ιν
τηε τεστ τυβε. Τηεν, εαρλιερ τηισ ψεαρ, τηε
Χαλτεχη γρουπ, λεδ βψ ∆εννισ Α. ∆ουγη−
ερτψ ανδ Ηενρψ Α. Λεστερ, αννουνχεδ ιτ
ηαδ συχχεεδεδ ιν λιϖινγ χελλσ. Τηε ινϖεσ−
τιγατορσ τρανσπλαντεδ α ρεχεπτορ προτειν
τηατ ισ ινϖολϖεδ ιν µυσχλε φυνχτιον∇
ανδ ποσσιβλψ νιχοτινε αδδιχτιον∇φροµ
α µουσε ιντο α φρογ εγγ. Φρογ εγγσ αρε
λαργε ενουγη το περµιτ τηε διρεχτ ινϕεχ−
τιον ιντο τηε χελλ οφ τρανσφερ ΡΝΑ χαρρψ−
ινγ αν υννατυραλ αµινο αχιδ. Τηε τεαµ
πλανσ το ιντροδυχε αλτερεδ τρανσφερ ΡΝΑ
ιντο µαµµαλιαν χελλσ.
Τηε νεω τεχηνιθυε προϖιδεσ αν εξ−
θυισιτελψ σενσιτιϖε προβε το λοοκ ατ τηε
φυνχτιονσ οφ προτεινσ ωιτηιν τηε χελλ,
Λεστερ σαψσ. Βεχαυσε σχιεντιστσ χαν δε−
σιγν υννατυραλ αµινο αχιδσ το ορδερ,
τηεψ χαν νοω αλτερ προτεινσ ιν µανψ
ηιγηλψ σπεχιφιχ ωαψσ το δετερµινε ωηιχη
στρυχτυρεσ αυγµεντ ορ διµινιση α προ−
τειν∏σ φυνχτιον. Νυµερουσ δρυγσ ιντερ−
αχτ ωιτη προτεινσ ιν τηε χελλ µεµβρανε,
α δψναµιχ χουπλινγ τηατ ισ βεστ στυδιεδ
ωιτηιν α χελλ. Αχχορδινγ το Σχηυλτζ, ρε−
σεαρχηερσ ηαϖε νοτ λεαρνεδ µυχη ατ τηε
µολεχυλαρ λεϖελ αβουτ τηεσε αρεασ ψετ,
µαινλψ βεχαυσε τηεψ ηαϖε νοτ βεεν αβλε
το µανιπυλατε προτεινσ ωιτη µυχη φλεξ−
ιβιλιτψ υντιλ νοω.
∇Σασηα Νεµεχεκ
Χοµπλεξιφψινγ Φρευδ
Πσψχηοτηεραπιστσ σεεκ ινσπιρατιον ιν νονλινεαρ σχιενχεσ
Σ
αρε σεεκινγ λινκσ βετωεεν τηειρ τραδι−
τιοναλ σουρχεσ οφ γυιδανχε∇νοταβλψ
Φρευδ∇ανδ µορε χυρρεντ (νοτ το σαψ
τρενδψ) σχιεντι⇒χ ιδεασ.
Ονε ρεσυλτ ισ µεετινγσ συχη ασ τηε
Φιρστ Μοηονκ Χονφερενχε ∆εδιχατεδ το
τηε Σελφ−Οργανιζινγ Πσψχηε: Νονλινεαρ
Χοντριβυτιονσ το Πσψχηοαναλψτιχ Τηεο−
ROBERT PROCHNOW
θυεεζεδ βψ φαστ−⇒ξ Προζαχ δισ−
πενσερσ ον ονε σιδε ανδ στινγψ
ινσυρερσ ον τηε οτηερ, τηεραπιστσ
ωηο βελιεϖε τηε πσψχηε χαν βε ηεαλεδ
τηρουγη υνδερστανδινγ αλονε µαψ ⇒νδ
τηεµσελϖεσ α βιτ ον τηε δεφενσιϖε τηεσε
δαψσ. Ιν σπιτε, ορ βεχαυσε, οφ τηεσε
πρεσσυρεσ, α φεω µινιστερσ οφ τηε µινδ
ΧΟΝΤΕΜΠΛΑΤΙΝΓ ΧΗΑΟΣ ΤΗΕΟΡΨ µαψ ηελπ τηεραπιστσ γλεαν ινσιγητσ αβουτ τηε
µινδ, αχχορδινγ το ϑεφφρεψ Γολδστειν οφ Αδελπηι Υνιϖερσιτψ.
28
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ρψ ανδ Πραχτιχε, ηελδ ρεχεντλψ ατ α ρε−
σορτ ιν υπστατε Νεω Ψορκ. Σοµε 30
τηεραπιστσ ανδ οτηερσ ωηιλε αωαψ α
ωεεκενδ δισχυσσινγ συχη εσοτεριχα ασ
χηαοσ, χοµπλεξιτψ ανδ νονεθυιλιβριυµ
δψναµιχσ. (Το παραπηρασε Λουισ Αρµ−
στρονγ, ιφ ψου ηαϖε το ασκ ωηατ τηεσε
χονχεπτσ αρε, ψου∏λλ νεϖερ κνοω.)
Ονε οφ τηε οργανιζερσ ισ ϑε⇑ρεψ Γολδ−
στειν, α πσψχηολογιστ ατ Αδελπηι Υνιϖερ−
σιτψ ανδ πρεσιδεντ οφ τηε φιϖε−ψεαρ−ολδ
Σοχιετψ φορ Χηαοσ Τηεορψ ιν Πσψχηολογψ
ανδ τηε Λιφε Σχιενχεσ. Τηε ποιντ οφ τηε
µεετινγ, Γολδστειν σαψσ, ισ το προϖιδε
τηεραπιστσ ωιτη νεω µεταπηορσ ανδ
αναλογιεσ ρατηερ τηαν ωιτη ωαψσ το
µακε τηειρ µενταλ µοδελσ µορε µατηε−
µατιχαλλψ ριγορουσ.
∆υρινγ ηισ ταλκ, Γολδστειν νοτεσ ηοω
Φρευδ, ιν⇓υενχεδ βψ τηε πηψσιχσ οφ ηισ
δαψ, τηουγητ τηε ϕοβ οφ τηε αναλψστ ωασ
το ηελπ πατιεντσ αχηιεϖε γρεατερ σταβιλι−
τψ, ορ εθυιλιβριυµ. Βυτ χηαοσ τηεορψ,
Γολδστειν σαψσ, συγγεστσ τηατ µανψ σψσ−
τεµσ νεϖερ αχηιεϖε εθυιλιβριυµ βυτ
κεεπ σηιφτινγ βετωεεν αν ιν⇒νιτε ϖαρι−
ετψ οφ δι⇑ερεντ στατεσ. Τηε γοοδ νεωσ,
ηε αδδσ, ισ τηατ χηαοτιχ σψστεµσ, ωηεν
προδδεδ βψ εϖεν ϖερψ συβτλε φορχεσ, χαν
αχηιεϖε ηιγηερ φορµσ οφ σελφ−οργανιζα−
τιον. Ιν τηε σαµε ωαψ, Γολδστειν συγ−
γεστσ, τηεραπιστσ µαψ ηελπ προδ πατιεντσ
ιντο ηεαλτηιερ, µορε σελφ−αωαρε στατεσ.
Αφτερ Γολδστειν∏σ πρεσεντατιον, σεϖερ−
αλ αυδιενχε µεµβερσ ωονδερ αλουδ
ωηετηερ τηε γοαλ οφ πσψχηοτηεραπψ ισ το
ινδυχε ορ δισρυπτ εθυιλιβριυµ ιν τηειρ
πατιεντσ. Ονε θυεστιονσ τηε ετηιχσ οφ
δελιβερατελψ δισρυπτινγ α πατιεντ∏σ εθυι−
λιβριυµ, ωηιλε ανοτηερ χουντερσ τηατ
τοο µυχη εθυιλιβριυµ χαν λεαδ το µεν−
ταλ παραλψσισ ορ χατατονια. Τηε δεβατε
σπυρσ ονε αττενδεε το ρεχαλλ Λυδωιγ
Ωιττγενστειν∏σ ωαρνινγ αβουτ τηε βε−
ωιτχηµεντ οφ λανγυαγε, ιτσ ποωερ το
οβσχυρε ασ ωελλ ασ το ιλλυµινατε.
Τηατ ποιντ ισ υνδερσχορεδ ωηεν α
ωοµαν ασκσ Γολδστειν ωηετηερ τηε
τερµ αττραχτορ, ωιτη ωηιχη ηε πεππερσ
ηισ σπεεχη, ισ ρελατεδ το σεξυαλ αττραχ−
τιον. Γολδστειν ρεπλιεσ τηατ ηε ηατεσ το
σαψ, ιν φροντ οφ σο µανψ Φρευδιανσ, τηατ
ανψτηινγ ισ νοτ σεξυαλ, βυτ ιν φαχτ ατ−
τραχτορ ρεφερσ µερελψ το α µατηεµατι−
χαλ παττερν οφ βεηαϖιορ ιντο ωηιχη σψσ−
τεµσ τενδ το λαπσε.
Αλαν Στειν, α Μανηατταν−βασεδ πσψ−
χηοαναλψστ ωηο ηελπεδ Γολδστειν οργα−
νιζε τηε χονφερενχε, τηεν δισχυσσεσ
σοµε αναλογιεσ βετωεεν νεο−Φρευδιαν
τηεορψ ανδ ιδεασ φροµ νονλινεαρ σχι−
ενχε. Ατ ονε ποιντ, Στειν, ωηιλε δισχυσσ−
ινγ ωηατ ηε χαλλσ τηε ΠΣ (φορ παρανοιδ−
σχηιζοιδ) χονδιτιον, σαψσ ΒΣ ινστεαδ
οφ ΠΣ. Αλτηουγη ηε ιµµεδιατελψ χορ−
ρεχτσ ηιµσελφ, σεϖεραλ λιστενερσ ατ τηε
ρεαρ οφ τηε ροοµ εξχηανγε µεανινγφυλ
γλανχεσ. Χαν α πσψχηοαναλψστ χονϖινχε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
30
Ονε Γοοδ Πεστ ∆εσερϖεσ Ανοτηερ
Ινσεχτσ αρε ιµπορτεδ το κιλλ αν ιµπορτεδ τρεε
Α
τ τηε τυρν οφ τηε χεντυρψ,
Φλοριδιανσ ιντροδυχεδ τηε
µελαλευχα τρεε ιντο τηε
Εϖεργλαδεσ, ηοπινγ ιτ ωουλδ δρψ
ουτ τηε µοσθυιτο−ινφεστεδ ωετ−
λανδσ. Ωιτη νο ενεµιεσ ιν τηε
Υ.Σ., τηε εϖεργρεεν τρεε φροµ
Αυστραλια τηριϖεδ. Νοω ρεσιδεντσ
αρε ονχε αγαιν τυρνινγ ∆οων
Υνδερ φορ ηελπ: τηισ τιµε σεεκ−
ινγ ινσεχτσ τηατ εατ µελαλευχασ.
Ρεσεαρχηερσ ατ τηε Υ.Σ. ∆επαρτ−
µεντ οφ Αγριχυλτυρε ρεχεντλψ αν−
νουνχεδ τηατ τηεψ ηαϖε ⇒ναλλψ
ιδεντι⇒εδ αν ινσεχτ τηεψ βελιεϖε
ωιλλ νοτ ηαρµ ωηατ ισ λεφτ οφ τηε ΑΥΣΤΡΑΛΙΑΝ ΩΕΕςΙΛΣ φεαστ ον µελαλευχα, τηε
Εϖεργλαδεσ.
τρεε τηατ ατε τηε Εϖεργλαδεσ.
Τηε ινσεχτσ ηαδ το βε χαλλεδ
ιν βεχαυσε τηε µελαλευχα διδ ιτσ ϕοβ τοο ανδ υπροοτεδ. Ψετ τηε µελαλευχα σπρεαδσ
ωελλ. Τηε τρεε χροωδεδ ουτ νατιϖε πλαντσ, νεαρλψ 50 αχρεσ εϖερψ δαψ.
Σο ιν τηε λατε 1980σ, σχιεντιστσ τυρνεδ
ανδ τηε αλτερεδ εχοσψστεµ χουλδ νοτ
συππορτ τηε σαµε διϖερσιτψ οφ ινδιγεν− το βιολογιχαλ−χοντρολ προγραµσ, ωηιχη
ουσ ωιλδλιφε ασ τηε νατυραλ σψστεµ. Φυρ− ρευνιτε εξοτιχ σπεχιεσ ωιτη τηειρ νατυ−
τηερµορε, µελαλευχα φορεστσ δρινκ φουρ ραλ−βορν ενεµιεσ, εξπλαινσ Γαρψ Βυχκ−
τιµεσ µορε ωατερ τηαν τηε πλαντσ τηεψ ινγηαµ οφ τηε ΥΣ∆Α. Βυχκινγηαµ λεαδσ
ρεπλαχεδ, ανδ ωατερ ισ ιν σηορτ συππλψ τηε ινσεχτ θυαραντινε φαχιλιτψ ιν Γαινεσ−
ιν σουτηερν Φλοριδα. Το σλοω τηε προλι⇒χ ϖιλλε, ωηερε τωο Αυστραλιαν βυγσ αρε βε−
τρεεσ, ωορκερσ ηαϖε ηαχκεδ, σπραψεδ ινγ σχρεενεδ φορ υσε αγαινστ τηε µελα−
λευχα. Τηεσε τεστσ εξαµινε ωηετηερ τηε
ινσεχτσ φεεδ ορ λαψ εγγσ ον οτηερ πλαντσ
φουνδ ιν Φλοριδα, ασ ωελλ ασ ηοω ωελλ
λαρϖαε συρϖιϖε ον οτηερ ηοστσ. Βυχκινγ−
ηαµ εξπεχτσ το ⇒νιση τεστσ οφ ονε οφ
τηε ινσεχτσ, τηε Αυστραλιαν ωεεϖιλ (Οξψ−
οπσ ϖιτιοσα), τηισ φαλλ. Τηε ρεσυλτσ ωιλλ βε
ρεϖιεωεδ βψ α πανελ ατ τηε Ανιµαλ ανδ
Πλαντ Ηεαλτη Ινσπεχτιον Σερϖιχε, α διϖι−
σιον οφ τηε ΥΣ∆Α. (Το δατε, τηε ΥΣ∆Α
ανδ σεϖεραλ υνιϖερσιτιεσ ηαϖε ρελεασεδ
νεαρλψ 1,000 βυγσ το χοντρολ πεστσ.)
Τεδ ∆. Χεντερ οφ τηε ΥΣ∆Α εξπεχτσ
τηε πανελ το αππροϖε τηε ινσεχτσ φορ ρε−
λεασε βυτ σαψσ τηε προχεσσ χουλδ τακε
ασ λονγ ασ α ψεαρ. Νεϖερτηελεσσ, ηε ισ
χον⇒δεντ αβουτ τηε ουτχοµε οφ τηε λαβ−
ορατορψ τεστσ. Ωε∏ρε γοοδ ατ πρεδιχτινγ
σαφετψ, ηε χοµµεντσ.
Πρεδιχτινγ ε⇑εχτιϖενεσσ ισ ανοτηερ
προβλεµ αλτογετηερ. Βεχαυσε τηε ινσεχτσ
ωορκ σλοωλψ, ιτ χαν τακε ψεαρσ το ασσεσσ
ωηετηερ βιολογιχαλ χοντρολ ηασ συχχεεδ−
εδ. Ριχηαρδ Α. Μαλεχκι οφ τηε Νατιοναλ
Βιολογιχαλ Σερϖιχε ηελπεδ το ιντροδυχε
τηε Ευροπεαν λεαφ βεετλε το χοντρολ πυρ−
πλε λοοσεστριφε, αν ιµπορτ φροµ Ευροπε
τηατ ηασ τακεν οϖερ ωετλανδσ τηρουγη−
ουτ τηε νορτηερν Υ.Σ. ανδ σουτηερν Χαν−
αδα. Ιν 1992 τηε ⇒ρστ ινσεχτσ ωερε ρε−
λεασεδ. Μαλεχκι νοω ρεπορτσ σµαλλ,
σχαττερεδ συχχεσσ στοριεσ, ψετ ηε εξ−
πεχτσ τηατ ιφ τηε βυγσ δο ηαϖε α νατιον−
ωιδε ιµπαχτ ον τηε λοοσεστριφε, ιτ ωιλλ
νοτ βε αππαρεντ φορ 15 το 20 µορε ψεαρσ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
BARBARA L. DAWICKE USDA
α ροοµφυλ οφ οτηερ πσψχηοαναλψστσ τηατ
ηισ σλιπ οφ τηε τονγυε ισ ρεαλλψ ϕυστ τηατ?
Τηε αυδιενχε νονετηελεσσ σεεµσ φασ−
χινατεδ βψ Στειν∏σ τηεσισ, ωηιχη ισ σοµε−
ωηατ δαρκερ τηαν Γολδστειν∏σ. Τηε λεσ−
σον οφ νονλινεαρ σχιενχε, Στειν οπινεσ,
ισ τηατ νο ονε χαν εϖερ ρεαλλψ κνοω
ανψονε ελσε, βεχαυσε τηε µινδ χον−
σταντλψ σηιφτσ βετωεεν δι⇑ερεντ στατεσ;
νορ χαν αν αναλψστ βε συρε ηοω ηισ ορ
ηερ µινιστρατιονσ ωιλλ α⇑εχτ α πατιεντ,
βεχαυσε µινυτε ε⇑εχτσ χαν ηαϖε ενορ−
µουσ ανδ υνπρεδιχταβλε χονσεθυενχεσ.
Βυτ ρεχογνιτιον οφ τηεσε φαχτσ, Στειν
σαψσ, µαψ µακε τηεραπιστσ µορε ηυµ−
βλε ανδ τηυσ, παραδοξιχαλλψ, µορε ε⇑εχ−
τιϖε ατ ηελπινγ πατιεντσ.
Ονε λιστενερ ασκσ ωηετηερ α τηεραπιστ
µιγητ αιδ α πατιεντ σιµπλψ βψ δοινγ ορ
σαψινγ νοτηινγ. Στειν νοδσ. Ανοτηερ αυ−
διενχε µεµβερ ρεχαλλσ α πατιεντ ωηο βε−
γαν το ιµπροϖε αφτερ δεχιδινγ το σπενδ
ηερ τηεραπψ σεσσιονσ σιττινγ αλονε ιν ηερ
χαρ ιν ηερ τηεραπιστ∏σ δριϖεωαψ.
Αφτερ τηε µεετινγ, Γολδστειν ανδ Στειν
βοτη σαψ τηεψ αρε πλεασεδ ωιτη ηοω ιτ
ωεντ. Ωε∏ρε γοινγ το δο ιτ αγαιν νεξτ
ψεαρ, Στειν σαψσ. Ηε αχκνοωλεδγεσ τηατ
µαναγεδ−χαρε ο⇔χιαλσ µιγητ βε σκεπτι−
χαλ οφ τηε χηαοσ−ινσπιρεδ τηεραπψ ηε αδ−
ϖοχατεσ. Νεϖερτηελεσσ, Ι δον∏τ τηινκ Προ−
ζαχ ισ γοινγ το ηελπ εϖερψβοδψ ειτηερ,
ηε δεχλαρεσ.
∇ϑοην Ηοργαν
Τηε Φλοριδα προγραµ ισ σλοωεδ νοτ
ονλψ βψ νατυρε βυτ αλσο βψ µονεψ, ωηιχη
ηασ στεαδιλψ δριεδ υπ σινχε 1991∇περ−
ηαπσ βεχαυσε πεοπλε αρε ωαρψ οφ ιµ−
πορτεδ πλαντσ ανδ ανιµαλσ. Ρεχεντλψ
τηερε ηασ βεεν α ⇓οοδ οφ πυβλιχιτψ αβουτ
ηοω υνιντενδεδ ιντροδυχτιονσ οφ εξοτ−
ιχ σπεχιεσ ηαρµ τηε ενϖιρονµεντ. Αλ−
τηουγη Βυχκινγηαµ χαλλσ συχη ρεπορτσ
ιµπορταντ, ηε φεελσ τηατ βιολογιχαλ χον−
τρολ ισ ουρ ονλψ χηοιχε, βεχαυσε τηερε
ισ νοτ ενουγη µονεψ το σπραψ, τηερε αρε
νοτ ενουγη σαφε χηεµιχαλσ το υσε ανδ
τηερε ισ νο ωαψ µεχηανιχαλλψ το χοντρολ
τηεσε ωιδεσπρεαδ πεστσ συχχεσσφυλλψ.
Ροβερτ Φ. ∆ορεν οφ τηε Εϖεργλαδεσ Να−
τιοναλ Παρκ ποιντσ ουτ τηατ νονε οφ τηε
νυµερουσ ινσεχτσ ρελεασεδ βψ τηε ΥΣ∆Α
φορ βιολογιχαλ χοντρολ ηασ εϖερ ηαρµεδ
ανψτηινγ εξχεπτ τηε ιντενδεδ ταργετσ.
Ωηεν ψου τεστ ανδ εϖαλυατε σπεχιεσ
χαρεφυλλψ, ηε σαψσ, ιµπορτινγ α χοµ−
µον Αυστραλιαν εξπρεσσιον, ψου ηαϖε
νο ωορριεσ.∏ 
∇Σασηα Νεµεχεκ
Λοβστερ Στεω
∆ρεδγινγ ανδ ρεδυχινγ σεωαγε µαψ τηρεατεν α Βοστον ηαρϖεστ
Ι
µπορτινγ λοβστερσ φροµ ουτ οφ στατε
το βε σερϖεδ υπ ον τηε ταβλεσ οφ
Βοστον∏σ φαµεδ σεαφοοδ ρεσταυραντσ
σεεµσ αλµοστ ασ ινχονχειϖαβλε ασ, σαψ,
τηε Ρεδ Σοξ ωιννινγ α Ωορλδ Σεριεσ. Βυτ
ιτ χουλδ ηαππεν, σοµε λοχαλ εξπερτσ ιν−
σιστ, ιφ τωο λαργε πλαννεδ προϕεχτσ ηαϖε
ασ µυχη οφ αν ιµπαχτ ον τηε εχολογψ οφ
τηε χιτψ∏σ ηαρβορ ασ τηεψ φεαρ.
Τηατ Βοστον Ηαρβορ ηασ αν εχολογψ
µαψ χοµε ασ α συρπρισε το σοµε, βυτ
τηε βυστλινγ ινλετ συππορτσ α τηριϖινγ
λοβστερ ⇒σηερψ. Ιν φαχτ, ιτ αχχουντσ φορ
30 το 40 περχεντ οφ τηε λοβστερ χατχη
εϖερψ ψεαρ ιν Μασσαχηυσεττσ ωατερσ; το−
γετηερ Μασσαχηυσεττσ ανδ Μαινε προ−
ϖιδε τηρεε φουρτησ οφ τηε 26,000 µετριχ
τονσ οφ Ατλαντιχ λοβστερ χαυγητ ιν εαστ−
ερν Υ.Σ. ωατερσ. Τηε προϕεχτσ τηατ χουλδ
α⇑εχτ τηε ⇒σηερψ∇βοτη οφ ωηιχη αρε
σχηεδυλεδ φορ τηε νεξτ χουπλε οφ ψεαρσ∇
αρε τηε δρεδγινγ οφ σοµε σηιππινγ
χηαννελσ ανδ βερτησ, ανδ τηε ρερουτινγ
οφ σεωαγε ουτ⇓οωσ.
Οφ τηε τωο, δρεδγινγ ηασ προϖοκεδ
τηε µοστ χονχερν. Τηε προϕεχτ ωιλλ σχοοπ
υπ τηρεε µιλλιον χυβιχ µετερσ οφ σεδι−
µεντσ, κνοων ασ σποιλσ∇ρουγηλψ ονε
τηιρδ οφ ωηιχη ισ τηουγητ το βε σο ηεαϖι−
λψ λαδεν ωιτη ΠΧΒσ, µεταλσ ανδ ηψδρο−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
χαρβονσ τηατ φεδεραλ ρεγυλατιονσ προ−
ηιβιτ δυµπινγ ιτ ιν τηε οπεν οχεαν.
∆ισποσαλ ιν α λανδ⇒λλ ωασ δεεµεδ τοο
χοστλψ, λεαϖινγ προϕεχτ βαχκερσ το ⇒νδ α
πλαχε ιν τηε ηαρβορ ωηερε α πιτ χουλδ βε
δυγ ανδ σποιλσ ρεδεποσιτεδ ανδ χοϖερεδ.
Ονε οφ τηε ρεσυλτσ οφ δρεδγινγ ισ τηατ
σεδιµεντ ισ δισπερσεδ το α διστανχε οφ
αβουτ 500 µετερσ, εξπλαινσ ϑυδιτη Πεδ−
ερσον οφ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ
Τεχηνολογψ∏σ Σεα Γραντ Χολλεγε Προγραµ.
Σεδιµεντσ εϖεντυαλλψ σεττλε, βυτ βεφορε
τηεψ δο, ιτ ισ βελιεϖεδ τηεψ ηυρτ µαρινε
λιφε. Ιτ ηασ αλωαψσ βεεν ουρ χοντεντιον
τηατ ιτ δοεσν∏τ µακε ανψ σενσε το βε
δυµπινγ ηεαϖιλψ χονταµινατεδ δρεδγε
σποιλσ ιν α ϖιαβλε χοµµερχιαλ λοβστερ
⇒σηερψ, ιν ηοπεσ τηατ διλυτιον ωιλλ τακε
χαρε οφ τηε προβλεµ, σαψσ Βρυχε Τ. Εσ−
τρελλα οφ τηε Μασσαχηυσεττσ ∆ιϖισιον οφ
Μαρινε Φισηεριεσ. Ωιτη λοβστερσ, τηε
µαιν χονχερν ισ φορ τηε µορε ϖυλνερα−
βλε λαρϖαε; τηειρ λοσσ ωουλδ ηαϖε λονγ−
τερµ ιµπαχτσ ον τηε ⇒σηερψ.
Τηε προβλεµ, αχχορδινγ το σεϖεραλ ρε−
σεαρχηερσ, ισ τηατ τηε προϕεχτ∏σ βαχκερσ∇
τηε Υ.Σ. Αρµψ Χορπσ οφ Ενγινεερσ ανδ
τηε Μασσαχηυσεττσ Πορτ Αυτηοριτψ∇ηαϖε
νο πλανσ το µονιτορ σεα λιφε δυρινγ τηε
δρεδγινγ. Εϖεν ιφ τηεψ διδ, ιτ ισ νοτ χλεαρ
ιτ ωουλδ ηελπ, Πεδερσον σαψσ. Ιφ τηε λαρ−
ϖαε αρε ιν τηε ηαρβορ, τηεψ∏λλ βε αδϖερσε−
λψ α⇑εχτεδ. Βυτ Ι δον∏τ τηινκ ανψονε
BONNIE MCGRATH Rainbow
ΛΟΒΣΤΕΡ ΧΟΜΠΑΝΨ, δωαρφεδ βψ Βοσ−
τον∏σ σκψλινε, µαψ λοσε ιτσ χατχη ιφ τωο
πλανσ φορ τηε ηαρβορ αρε αδοπτεδ.
εϖεν κνοωσ ωηερε τηε λαρϖαε τηατ συπ−
πορτ τηε Μασσαχηυσεττσ λοβστερ ⇒σηερψ
οριγινατε, σηε νοτεσ. Αχχορδινγ το Χατη−
ερινε ∆εµοσ οφ τηε Αρµψ Χορπσ, λοβ−
στερ ανδ ⇒ν−⇒ση ποπυλατιονσ ατ σεϖεραλ
σιτεσ ιν τηε ηαρβορ ωερε συρϖεψεδ λαστ
αυτυµν, µαινλψ το δετερµινε ωηιχη
πλαχεσ ηαδ τηε φεωεστ χρεατυρεσ ανδ
ωουλδ βε µοστ συιταβλε φορ τηε σποιλσ.
Α µορε ιµµεδιατε χονσεθυενχε φορ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
τηε λοχαλ σεαφοοδ ινδυστρψ ωουλδ ρεσυλτ
ιφ ηιγηερ λεϖελσ οφ τοξινσ∇εσπεχιαλλψ
ΠΧΒσ ανδ µερχυρψ∇αρε φουνδ ιν τηε
ηαρβορ∏σ βουντψ. Λοβστερσ αρε ρουτινελψ
χηεχκεδ βψ τηε στατε∏σ ∆ιϖισιον οφ Μα−
ρινε Φισηεριεσ ανδ βψ τηε Μασσαχηυσεττσ
Ωατερ Ρεσουρχεσ Αυτηοριτψ. Τηε χον−
ταµιναντσ ιν τηε ⇓εση αρε τψπιχαλλψ βε−
λοω φεδεραλ λιµιτσ φορ πεοπλε οτηερ τηαν
σµαλλ χηιλδρεν ορ πρεγναντ ωοµεν. Βυτ
ΠΧΒσ ιν τηε τοµαλλεψ, α λιϖερλικε οργαν
τηατ ισ α δελιχαχψ το σοµε, αρε οφτεν
αβοϖε τηε λιµιτ οφ τωο παρτσ περ µιλλιον
ιν ηαρβορ λοβστερσ.
∆ρεδγινγ ισ νοτ τηε ονλψ βιγ χηανγε
ιν τηε ο⇔νγ. Σεωαγε ουτ⇓οωσ ιντο τηε
ηαρβορ τοταλινγ αβουτ 375 µιλλιον γαλ−
λονσ α δαψ αρε το βε ρερουτεδ το α δι⇑υσ−
ινγ πιπε αβουτ 15 κιλοµετερσ ο⇑σηορε.
Α νετ βενε⇒τ φορ ηαρβορ−δωελλινγ χρυσ−
ταχεανσ? Μαψβε, βεχαυσε ιτ σεεµσ λικελψ
το ρεδυχε τηε ινχιδενχε οφ χερταιν βαχ−
τεριολογιχαλ γιλλ ανδ σηελλ δισεασεσ.
Βυτ, τηεν αγαιν, µαψβε νοτ. Ασ οµνιϖ−
ορουσ χρεατυρεσ, λοβστερσ αρε τηουγητ το
⇒νδ συστενανχε ιν σεωαγε. Ωηεν τηε
σεωαγε ουτ⇓οω ισ ρεδιρεχτεδ ο⇑σηορε,
τηερε ωιλλ βε α δεχρεασε ιν προδυχτιϖιτψ
ιν τηε ηαρβορ, σαψσ Λειγη Βριδγεσ οφ τηε
∆ιϖισιον οφ Μαρινε Φισηεριεσ. Ιν τηε λονγ
τερµ, τηερε ωιλλ βε σοµε δισχερνιβλε ρε−
δυχτιον ιν τηε λοβστερ ποπυλατιον, Βριδγ−
εσ αργυεσ.
Αδυλτ λοβστερσ αρουνδ τηε φυτυρε ο⇑−
σηορε ουτ⇓οω µιγητ βενε⇒τ, βυτ ϑοσεπη
Αψερσ οφ Νορτηεαστερν Υνιϖερσιτψ∏σ Μα−
ρινε Σχιενχε Χεντερ ωορριεσ αβουτ τοξιχ
ε⇑εχτσ ον τηε λαρϖαε. Τηε στατε∏σ Ωατερ
Ρεσουρχεσ Αυτηοριτψ ηασ δισχλοσεδ τηατ
ιτ ωιλλ τεστ εφφλυεντ βψ εξποσινγ σηριµπ
το ιτ. Ιφ ατ λεαστ ηαλφ διε, τηε αυτηοριτψ
ωιλλ τακε υνσπεχι⇒εδ χουντερµεασυρεσ.
Ιτ∏σ αβσολυτελψ νυτσ, Αψερσ σαψσ.
Μιχηαελ Σ. Χοννορ οφ τηε Ωατερ Ρε−
σουρχεσ Αυτηοριτψ ρεπλιεσ τηατ ρεγυλα−
τιονσ περµιτ τηε 50 περχεντ σηριµπ
µορταλιτψ ρατε βεχαυσε υνδερ οπερατινγ
χονδιτιονσ τηε δι⇑υσινγ σψστεµ ωιλλ
γρεατλψ διλυτε τηε ε⇐υεντ ωιτη σεαωα−
τερ. Χοννορ αδδσ τηατ αλτηουγη λοβστερσ
ωιλλ λοσε α σουρχε οφ νυτριεντσ, τηεψ ωιλλ
βενε⇒τ φροµ ηιγηερ λεϖελσ οφ δισσολϖεδ
οξψγεν.
Οτηερ ρεσεαρχηερσ αργυε τηατ τηε λοσσ
οφ σεωαγε ωουλδ ονλψ εξαχερβατε α µυχη
βροαδερ δεχλινε χαυσεδ βψ χοµµερχιαλ
⇒σηινγ. Ρεχεντ ασσεσσµεντσ φορ τηε Νεω
Ενγλανδ Φισηεριεσ Χουνχιλ ηαϖε χονχλυδ−
εδ τηατ λοβστερσ ιν τηε Γυλφ οφ Μαινε,
ωηιχη ινχλυδεσ Μασσαχηυσεττσ Βαψ, αρε
βεινγ οϖερ⇒σηεδ βψ ατ λεαστ 20 περχεντ.
Ωηεν ωε ωερε χολλεχτινγ λοβστερσ φορ
ουρ συρϖεψ σεϖεραλ ψεαρσ αγο, σαψσ Γορ−
δον Τ. Ωαλλαχε οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Μασ−
σαχηυσεττσ ατ Βοστον, ωε ηαδ α ηαρδ
τιµε ⇒νδινγ ανψ οφ λεγαλ σιζε. Βασιχαλλψ,
ασ σοον ασ τηεψ∏ρε λεγαλ σιζε, τηεψ∏ρε
γονε.
∇Γλενν Ζορπεττε
Ηιδε−ανδ−Σεεκ
Εβολα∇ανδ τηε φυνδσ το στυδψ ιτ∇ελυδεσ ρεσεαρχηερσ
Ω
ηενεϖερ τηε Εβολα ϖιρυσ εµεργ−
εσ φροµ ιτσ ηιδινγ πλαχε, ασ ηαπ−
πενεδ τηισ παστ σπρινγ νεαρ
Κικωιτ ιν Ζαιρε, σχιεντιστσ ρυση το ηελπ
ιτσ ϖιχτιµσ ανδ ηαλτ ιτσ σπρεαδ. Ατ τηατ
ποιντ, τηουγη, ιτ ισ οφτεν τοο λατε το δισ−
χοϖερ φροµ ωηερε τηε ϖιρυσ χαµε. Εβολα
κιλλσ σο θυιχκλψ τηατ ιτ λεαϖεσ φεω τραχκσ.
Τηε ινδεξ χασε∇τηε περσον ωηο ⇒ρστ
ενχουντερεδ τηε ϖιρυσ ανδ τηεν πασσεδ
ιτ ον το οτηερσ∇ισ τψπιχαλλψ δεαδ. Ανδ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
σο ιτ ισ βετωεεν ουτβρεακσ τηατ ρεσεαρχη−
ερσ ηαϖε σεαρχηεδ ιν εαρνεστ, τραππινγ
ανδ τεστινγ εϖερψ λιϖινγ τηινγ ιν σιγητ.
Τηισ θυεστ µαψ νοω σεεµ ηαρδερ τηαν
βεφορε. Α τεαµ ατ τηε Υ.Σ. Χεντερσ φορ
∆ισεασε Χοντρολ ανδ Πρεϖεντιον ρεχεντ−
λψ αναλψζεδ ϖιραλ στραινσ ισολατεδ φροµ
Ζαιρε, Συδαν, Ιϖορψ Χοαστ ανδ Ρεστον,
ςα., ανδ χοµπαρεδ τηε γενε σεθυενχεσ
ενχοδινγ φορ ϖιραλ συρφαχε µολεχυλεσ
χαλλεδ γλψχοπροτεινσ. Τηε ωορκερσ, ωηο
συβµιττεδ τηειρ ⇒νδινγσ το α ρεσπεχτεδ
σχιενχε ϕουρναλ τηισ συµµερ, ρεπορτ τηατ
τηε στραιν ρεσπονσιβλε φορ τηε λατεστ ουτ−
βρεακ ιν Ζαιρε νεαρλψ µατχηεσ τηε στραιν
τηατ χαυσεδ α σιµιλαρ ινχιδεντ τηερε ιν
1976. Τηατ ισ ρεµαρκαβλε ωηεν ψου
χονσιδερ τηατ τηεσε τωο ουτβρεακσ ωερε
σεπαρατεδ βψ σοµε 19 ψεαρσ ανδ 1,000
κιλοµετερσ, σαψσ λεαδ αυτηορ Αντηονψ
Σανχηεζ.
Τηε λαχκ οφ ανψ σιγνι⇒χαντ µυτατιονσ
οϖερ συχη τιµε ανδ διστανχε ινδιχατεσ
τηατ τηε ϖιρυσ ηασ βεεν ιν τηε σαµε στα−
βλε νιχηε φορ α ϖερψ λονγ τιµε, εξπλαινσ
ϑεαν Παυλ Γονζαλεζ οφ Ψαλε Υνιϖερσιτψ.
Ιν αδδιτιον, ιτ συγγεστσ τηατ τηε ηοστ∇
τηε ανιµαλ τηατ ηαρβορσ τηε Εβολα ϖιρυσ
ανδ ψετ ισ νοτ συσχεπτιβλε το τηε ηεµ−
ορρηαγιχ φεϖερ ιτ χαυσεσ ιν πριµατεσ∇
προβαβλψ δοεσ νοτ µιγρατε. Τηε ηοστ ισ
νοτ χαυσινγ ορ εξπεριενχινγ ανψ εχολογ−
ιχαλ χηανγε, αδδσ Ευγενε Γ. ϑοηνσον
οφ τηε Υ.Σ. Αρµψ Μεδιχαλ Ρεσεαρχη Ιν−
στιτυτε οφ Ινφεχτιουσ ∆ισεασεσ. Ιφ ιτ∏σ
τηατ φοχαλ ανδ σταβλε, ψου∏ρε νοτ γοινγ
το ⇒νδ ιτ εασιλψ σιττινγ αρουνδ α ταβλε
δισχυσσινγ τηεορετιχαλ ποσσιβιλιτιεσ. Ιφ
ψου∏ρε νοτ ριγητ ον τοπ οφ ιτ ιν Αφριχα,
ψου ωιλλ µισσ ιτ.
Ανδ τηερειν λιεσ α σεχονδ χηαλλενγε.
Τηοσε σχιεντιστσ ωιλλινγ το ηυντ φορ τηε
ηοστ αρε ηαϖινγ τρουβλε ραισινγ τηε φυνδσ
EUGENE G. JOHNSON
το δο σο. Α νυµβερ οφ ρεχ−
µανψ µεµβερσ ωηο αρε
οµµενδατιονσ ωερε µαδε
σεροποσιτιϖε ϖερψ λικελψ
το λοοκ φορ τηε ρεσερϖοιρ
χοµε ιντο χονταχτ ωιτη τηε
βαχκ ιν 1976, βυτ Εβολα
ϖιρυσ∏σ ηοστ ορ σοµε οτηερ
ωασ νοτ α πριοριτψ φορ µοστ
ϖεχτορ ον α ρεγυλαρ βασισ.
αγενχιεσ ανδ τηεν ΗΙς/
Ωε νεεδ το υνδερ−
ΑΙ∆Σ ηιτ, στατεσ ϑοελ Βρε−
στανδ τηειρ ρελατιονσηιπ
µαν οφ τηε ϑοην Ε. Φογαρτψ
ωιτη τηε ενϖιρονµεντ,
Ιντερνατιοναλ Χεντερ ατ
Γονζαλεζ σαψσ. Σοµε οφ
τηε Νατιοναλ Ινστιτυτεσ οφ
τηε τριβεσ λιϖε ιν τηε φορ−
Ηεαλτη, ωηο ωασ ιν χηαργε
εστ δυρινγ τηε ραινψ σεα−
οφ τηε επιδεµιολογιχαλ ιν−
σον, σοµε δυρινγ τηε δρψ
ϖεστιγατιονσ δυρινγ τηε ⇒ρστ
σεασον, ανδ τηεψ αλλ ηαϖε
ουτβρεακ ιν Ζαιρε ιν 1976.
σλιγητλψ δι⇑ερεντ συβσισ−
Τηε χεντερ ισ δεϖελοπινγ αν
τενχε στρατεγιεσ. Τηε υλτι−
εµεργινγ ινφεχτιουσ δισ−
µατε γοαλ ισ το ⇒νδ τηε
εασεσ προγραµ, βυιλδινγ ον
χοµµον
δενοµινατορ
ρεσουρχεσ φροµ αν εξιστινγ
αµονγ τηεσε γρουπσ. Ιτ ισ
ονε δεϖοτεδ το ΗΙς. Τηε ΠΨΓΜΙΕΣ ιν Λοβαψε, α διστριχτ ιν τηε Χεντραλ Αφριχαν Ρεπυβλιχ, αρε νο σµαλλ τασκ, βυτ τηε ρε−
µαιν ιµπεδιµεντσ νοω αρε προβαβλψ εξποσεδ το τηε Εβολα ϖιρυσ ρεγυλαρλψ.
ωαρδ χουλδ βε γρεατ.
τηρεατενεδ δεχρεασεδ φυνδ−
Τηεσε πεοπλε ηαϖε λιϖεδ
ινγ τηρουγη βοτη τηε ΝΙΗ ανδ Χ∆Χ σψσ− ροπεαν Υνιον∇το ρετυρν τηισ φαλλ το Αφ− ωιτη τηισ δισεασε φορ α ϖερψ λονγ τιµε,
τεµσ ανδ δεχρεασεδ συππορτ φορ ιντερ− ριχα, ωηερε ηε ανδ ϑοηνσον ηαϖε µαδε ϑοηνσον νοτεσ. Τηεψ προβαβλψ ηαϖε
νατιοναλ ε⇑ορτσ τηρουγη Χονγρεσσ. σοµε προµισινγ οβσερϖατιονσ. Α σιγνι⇒− µεανσ οφ τρεατινγ ανδ αϖοιδινγ ιτ τηατ
Τηε Ωορλδ Ηεαλτη Οργανιζατιον ωιλλ ηολδ χαντ νυµβερ οφ σερυµ σαµπλεσ δραων ωε ϕυστ αρεν∏τ αωαρε οφ ψετ.
α µεετινγ ατ τηε ενδ οφ τηισ µοντη, ηε φροµ πψγµιεσ ιν Λοβαψε, α διστριχτ ιν τηε
Το οϖερχοµε χυλτυραλ βαρριερσ, Γον−
αδδσ, το ιδεντιφψ ωηατ νεεδσ το βε σουτηερν παρτ οφ τηε Χεντραλ Αφριχαν Ρε− ζαλεζ ηασ ενλιστεδ τηε ηελπ οφ αν αν−
δονε, ωηο ισ γοινγ το δο ιτ ανδ ηοω ωε πυβλιχ, σοµε 1,000 κιλοµετερσ νορτη οφ τηροπολογιστ. Ωε νεεδ µορε τηαν τψπι−
αρε γοινγ το γετ τηε ρεσουρχεσ∇τηε λατ− Κικωιτ, χαρριεδ αντιβοδιεσ το τηε Εβολα χαλ ϖιρολογψ ανδ σερολογψ το σολϖε τηισ,
τερ τωο βεινγ α λοτ ηαρδερ.
ϖιρυσ∇δεµονστρατινγ τηατ τηε πψγµιεσ ϑοηνσον αδδσ. Εϖεν ιφ τηεψ λοχατε τηε
Γονζαλεζ ηασ σπεντ τηρεε ψεαρσ χολ− ηαϖε ατ σοµε ποιντ βεεν εξποσεδ το σουρχε, ηε συσπεχτσ ιτ ωιλλ χαυσε λιττλε
λεχτινγ µονεψ∇µοστ οφ ιτ φροµ τηε Ευ− τηε ϖιρυσ. Τηοσε τριβεσ ηαϖινγ ρελατιϖελψ χηανγε ιν Αφριχα.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Φινδινγ τηε ρεσερϖοιρ ισ µορε οφ α
σχιεντι⇒χ χυριοσιτψ τηαν α πυβλιχ ηεαλτη
µισσιον, ϑοηνσον στατεσ. Τηεσε πεοπλε
ηαϖε µορε το ωορρψ αβουτ τηαν α δισ−
εασε τηατ κιλλσ σοµε 300 πεοπλε εϖερψ 25
ψεαρσ. Βυτ α βεττερ υνδερστανδινγ οφ τηε
ϖιρυσ χουλδ χερταινλψ σαϖε λιϖεσ. Ανδ ον
α µορε φυνδαµενταλ λεϖελ, ιτ ωιλλ γραντ
σχιεντιστσ δεεπερ ινσιγητ ιντο τηε εϖολυ−
τιον οφ ϖιρυσεσ.
∇Κριστιν Λευτωψλερ
Χοµµον Σχεντσ
Υσινγ δογσ το τραχκ, ωελλ, εϖερψτηινγ
Α
ινγ φορ ϕυστ αβουτ εϖερψτηινγ. Αλτηουγη
νο ονε κεεπσ χουντ, τηε νυµβερ ιν−
ϖολϖεδ ιν τηισ ωορκ ιν τηε Υ.Σ. ρεαχηεσ
ιντο τηε τηουσανδσ, ιφ ονε ινχλυδεσ δογσ
εµπλοψεδ βψ τηε πολιχε ανδ τηε µιλιταρψ
ασ ωελλ ασ βψ σεαρχη−ανδ−ρεσχυε σθυαδσ.
(Σπεχιαλιζεδ ιν ⇒νδινγ δισαστερ ϖιχτιµσ
ανδ λοστ ινδιϖιδυαλσ, τηοσε δογσ ρεχειϖεδ
νατιοναλ αχχλαιµ ιν τηε ωακε οφ Ηυρρι−
χανε Ανδρεω ανδ τηε Οκλαηοµα Χιτψ
βοµβινγ.) Τηε Χυστοµσ Σερϖιχε αλονε
ηασ 433 χανινε τεαµσ.
Τηε Υ.Σ. ∆επαρτµεντ οφ Αγριχυλτυρε
οργανιζεδ τηε Βεαγλε Βριγαδε ιν 1984 το
πατρολ αιρπορτσ ανδ ιντερνατιοναλ ποσταλ
δεποτσ φορ χοντραβανδ φρυιτσ ανδ µεατ.
Τηε σεχρετεδ φοοδστυ⇑σ χαν χαρρψ ιν−
σεχτσ ορ χονταµιναντσ τηατ µαψ τηρεατ−
εν τηε νατιον∏σ µυλτιβιλλιον−δολλαρ φρυιτ,
βεεφ ανδ πορκ ινδυστριεσ. Τηε βεαγλεσ
αρε σο ε⇔χιεντ τηατ αβουτ 44 τεαµσ
ωορκ νατιοναλλψ.
Τηε συχχεσσ οφ τηεσε πυβλιχ−σερϖιχε
δογσ, αλονγ ωιτη ιµπροϖεδ τραινινγ τεχη−
νιθυεσ, ηασ ινσπιρεδ πεοπλε το προδυχε
χανινεσ τηατ χαν σνι⇑ ⇒ρεαρµσ, γψπσψ
µοτησ, βροων τρεε σνακεσ στοωεδ αωαψ
ιν χαργο βουνδ φορ Ηαωαιι, πετρολευµ
λεακινγ φροµ υνδεργρουνδ πιπελινεσ,
µονεψ ανδ τηε ρεσιδυε οφ χηεµιχαλσ
υσεδ ιν αρσον. Τηε στακεσ αρε οφτεν
ηιγη. Ιν 1993 αρσον, φορ ινστανχε, χοστ
560 χιϖιλιανσ τηειρ λιϖεσ ανδ ινσυρανχε
χοµπανιεσ ανδ χονσυµερσ ∃2.4 βιλλιον.
Ηοω εξαχτλψ τηε δογσ δο τηειρ ωορκ
SHAHN KERMANI Gamma Liaison
ρετριεϖερ αβλε το δετεχτ µινυτε
θυαντιτιεσ οφ χοχαινε εντερσ α
ωαρεηουσε ⇒λλεδ ωιτη τηε ναρ−
χοτιχ ανδ δοεσ νοτηινγ. Α βεαγλε σκιλλεδ
ατ ⇒νδινγ φοοδ τυχκεδ ιν τραϖελερσ∏ λυγ−
γαγε ιγνορεσ α βαγ οοζινγ ωιτη 500 ριπε
µανγοεσ. Βυτ τηεν τηερε αρε δογσ τηατ
ωιλλ αλερτ το δρυγσ τηρεε δεχκσ υπ ον α
σηιπ ορ ⇒ϖε το σιξ στοριεσ υπ ον α βυιλδ−
ινγ, σαψσ Χαρλ Α. Νεωχοµβε, διρεχτορ οφ
τηε Χανινε Ενφορχεµεντ Τραινινγ Χεν−
τερ φορ τηε Υ.Σ. Χυστοµσ Σερϖιχε.
Αποχρψπηαλ τηουγη τηεψ σουνδ, τηεσε
ταλεσ αρε τρυε, ανδ τηεψ ραισε τανταλιζ−
ινγ θυεστιονσ αβουτ εξαχτλψ ωηατ δετεχ−
τιον δογσ χαν σµελλ. Τηε σηορτ ανσωερ
ισ: νο ονε κνοωσ φορ συρε. Βυτ ασ τηε
νυµβερ οφ δογσ υσεδ το ⇒νδ εϖερψτηινγ
φροµ αρσον το τερµιτεσ σκψροχκετσ, ρε−
σεαρχηερσ αρε ινχρεασινγλψ αττεµπτινγ
το δεχιπηερ δογ ολφαχτιον. Αν υνυσυαλ
λινε οφ περφυµεσ∇τηε πσευδο σχεντσ∇
ηασ αλσο βεεν δεϖελοπεδ το αιδ τραινερσ.
Τραδιτιοναλλψ, δογσ ηαϖε τραχκεδ γαµε
ανδ πεοπλε, εϖεν σνυ⇐εδ τηε εαρτη φορ
χυλιναρψ δελιγητσ, συχη ασ τρυ⇐εσ, ορ φορ
δεαδλψ µινεσ. ∆υρινγ τηε ςιετναµ Ωαρ,
τραινερσ βεγαν το τυνε τηε χανινε νοσε
το µορε εξοτιχ ταργετσ συχη ασ ναρχοτιχσ
ανδ αν εξπανδινγ ρεπερτορψ οφ ινχενδι−
αρψ δεϖιχεσ ανδ εξπλοσιϖεσ; ωαρσ ον
δρυγσ ανδ τερρορισµ σπεδ υπ τηε τρενδ.
∆ογσ αρε χηεαπερ, µορε µανευϖεραβλε
ανδ οφτεν µορε αχχυρατε τηαν µαχηινεσ.
Αχχορδινγλψ, δογσ χαν βε σεεν σεαρχη−
∆ΕΤΕΧΤΙΟΝ ∆ΟΓΣ αρε ινχρεασινγλψ βεινγ υσεδ το χατχη χοντραβανδ ανδ χριµιναλσ.
36
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ρεµαινσ α µψστερψ. Αχχορδινγ το Λαω−
ρενχε ϑ. Μψερσ, φουνδερ οφ τηε Ινστιτυτε
φορ Βιολογιχαλ ∆ετεχτιον Σψστεµσ ατ τηε
Αυβυρν Υνιϖερσιτψ Σχηοολ οφ ςετεριναρψ
Μεδιχινε, τηε ανιµαλσ αππεαρ το φολλοω
α σχεντ αλονγ α γραδιεντ το ιτσ σουρχε.
Τηε οδορ εµανατεσ φροµ, σαψ, α µανγο,
ιν α πλυµε τηατ δισσιπατεσ ασ ιτ δριφτσ
αωαψ. Τηε δογ πιχκσ υπ τηε σχεντ∇
ωηετηερ α παρτιχυλαρ χοµπονεντ ορ τηε
ωηολε βρεω ισ υνκνοων∇ωηεν ιτσ νοσε
εντερσ τηατ πλυµε. Ιτ τραχκσ βψ φολλοω−
ινγ σλιγητ χηανγεσ ιν ιντενσιτψ το τηε
σουρχε, α τασκ χοµπλιχατεδ βψ τηε φαχτ
τηατ σχεντ σπρεαδσ ιν χλυµπσ ανδ χλυσ−
τερσ, νοτ υνιφορµλψ. Εξαχτλψ ηοω σλιγητ
τηε ϖαριατιονσ χαν βε βεφορε τηε δογ
λοσεσ τηε σχεντ ισ υνχλεαρ ανδ δουβτ−
λεσσ ϖαριεσ φροµ δογ το δογ.
Μψερσ σαψσ ηισ ηψποτηεσισ χαν αχ−
χουντ φορ τηε φαιλυρε οφ σοµε δογσ το ρε−
σπονδ ωηεν χονφροντεδ ωιτη α λαργε
αµουντ οφ µανγοεσ ορ ωηατεϖερ. Ιφ
ψου ηαϖε α ϖερψ λαργε σουρχε ινστεαδ οφ
α ποιντ σουρχε, τηε χονχεντρατιον ωουλδ
βε ηιγη οϖερ α λαργε αρεα, ανδ τηε διφ−
φερενχε ιν ιντενσιτψ ωουλδ βε ϖερψ λοω,
ηε εξπλαινσ. Ιν προξιµιτψ, τηε δογ
ωουλδ τηεν ηαϖε νο γραδιεντ το φολλοω.
Αωαση ιν σχεντ, ιτ δοεσ νοτηινγ.
Γενεραλλψ, τηε ανιµαλσ αρε τραινεδ ωιτη
τηε συβστανχεσ τηεψ αρε σεεκινγ. Βυτ βε−
χαυσε ηυµαν χαδαϖερσ αρε δι⇔χυλτ το
οβταιν, δρυγσ αρε τοο τεµπτινγ το κεεπ
αρουνδ ανδ εξπλοσιϖεσ αρε δανγερουσ,
σοµε τραινερσ υσε συβστιτυτεσ. Τηεσε
πσευδο σχεντσ αρε χονχοχτεδ ατ ηοµε ορ
πυρχηασεδ φροµ Σιγµα Χηεµιχαλ Χοµ−
πανψ∇τηε ονλψ Υ.Σ. µακερ οφ συχη προδ−
υχτσ. Πατριχια Α. Χαρρ οφ Σιγµα σαψσ τηε
χοµπανψ σταρτεδ τηε βυσινεσσ ⇒ϖε ψεαρσ
αγο, ωηεν ασκεδ το προδυχε πσευδο χο−
χαινε ανδ πσευδο ηεροιν το τραιν δογσ.
Σιγµα∏σ ινϖεντορψ ινχλυδεσ συβστανχ−
εσ κνοων ασ πσευδο διστρεσσεδ βοδψ
(φορ τραινινγ ανιµαλσ το ⇒νδ ϖιχτιµσ οφ
τραυµα), πσευδο χορπσε (φορ βυριεδ
βοδιεσ), πσευδο δροωνεδ ϖιχτιµ (οβ−
ϖιουσ), πσευδο εξπλοσιϖε (φορ βοµβ
δετεχτιον), ανδ πσευδο ναρχοτιχσ, ωιτη
ΛΣ∆ ανδ µετηαµπηεταµινε ον τηε ωαψ.
Μανψ πολιχε τραινερσ βελιεϖε πσευδο δισ−
τρεσσεδ βοδψ αχτυαλλψ ρεσεµβλεσ ωηατ
τηεψ χαλλ φεαρ σχεντ∇αν οδορ τηεψ
χλαιµ ισ σεχρετεδ βψ πεοπλε ⇓εεινγ τηε
σχενε οφ α χριµε. Ψετ νο σχιεντι⇒χ εϖι−
δενχε χον⇒ρµσ τηε στρεετ λορε.
Φορ αλλ τηε γοοδ νεωσ, τηερε ισ σοµε
υνεασε. Μανψ τραινερσ ωορρψ τηατ τηε
⇒ελδ ισ αττραχτινγ οτηερσ ωιτη µαργιναλ
σκιλλσ ωηο ιν τηειρ θυεστ φορ προ⇒τ∇
πριχεσ ρανγε φροµ ∃6,000 το ∃12,000
περ δογ∇αρε χυττινγ χορνερσ. Τηε αδϖο−
χατεσ συππορτ χερτι⇒χατιον φορ δογσ ανδ
ηυµανσ∇ανδ µορε στυδιεσ ον σµελλ.
∆ογσ ρεαλλψ αρε ε⇑εχτιϖε, Μψερσ νοτεσ.
Βυτ ωε δον∏τ κνοω φυλλψ ηοω το οπτι−
µιζε τηειρ ταλεντσ.
∇Μαρκ ∆ερρ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
37
Σιλενχε οφ τηε Γενεσ
Α νεω ϖιεω ποσιτσ εϖολυτιον ιν τερµσ οφ στατιχ ρεδυχτιον ιν ∆ΝΑ
Τ
ηε βεστ−λαιδ πλανσ φορ µιχε ανδ
µεν υσε αβουτ τηε σαµε νυµβερ
οφ γενεσ. Βοτη τηε ηυµαν ανδ
µουσε γενοµεσ χονταιν ρουγηλψ εθυαλ
νυµβερσ οφ φυνχτιοναλ γενεσ∇σοµε
80,000, αχχορδινγ το χυρρεντ εστιµατεσ.
Ον τηε οτηερ ηανδ, τηε φεω ινϖερτε−
βρατεσ φορ ωηιχη βαλλπαρκ νυµβερσ εξιστ
αππεαρ το ηαϖε µανψ φεωερ γενεσ. Νοτ
συρπρισινγλψ, βαχτερια ηαϖε φεωερ στιλλ.
Αφτερ χοντεµπλατινγ τηοσε νυµβερσ,
Αδριαν Π. Βιρδ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Εδιν−
βυργη δεϖελοπεδ α ηψποτηεσισ, ρεχεντλψ
πυβλισηεδ ιν Τρενδσ ιν Γενετιχσ, τηατ
χουλδ αδδ α νεω τωιστ το ϖιεωσ αβουτ
εϖολυτιον. Ιτ ωιλλ χερταινλψ αλσο ραισε α
φεω εψεβροωσ. Αχχορδινγ το Βιρδ, ωε αρε
ηερε τοδαψ φορ τηε σαµε ρεασον ωε πρε−
φερ ονε στερεο σψστεµ οϖερ ανοτηερ: βετ−
τερ σιγναλ−το−νοισε ρατιο.
Ασσυµινγ τηατ τηε νυµβερ οφ φυνχ−
τιοναλ γενεσ αν οργανισµ υσεσ ισ α ϖαλιδ
ινδιχατορ οφ ιτσ χοµπλεξιτψ, Βιρδ χον−
χλυδεδ τηατ ιννοϖατιϖε µεχηανισµσ αλ−
λοωινγ φορ βεττερ σιγναλ−το−νοισε ρατιο
ιν ∆ΝΑ προχεσσινγ δροϖε εϖολυτιον∏σ γι−
αντ στεπσ. Προκαρψοτεσ ωερε στυχκ υντιλ
τηεψ δεϖελοπεδ α ωαψ το αχχοµµοδατε
τηε νεω γενεσ τηεψ νεεδεδ το βεχοµε
ευκαρψοτεσ. Λατερ, α νοϖελ, χοµπλεµεν−
ταρψ νοισε−ρεδυχτιον µεχηανισµ περ−
µιττεδ τηε τρανσιτιον φροµ ινϖερτεβρατεσ
το ϖερτεβρατεσ. Τηισ ισ α φαιρλψ ρεα−
σονεδ βιτ οφ σπεχυλατιον, σαψσ Ω. Φορδ
∆οολιττλε οφ τηε Χαναδιαν Ινστιτυτε φορ
Αδϖανχεδ Ρεσεαρχη ιν Νοϖα Σχοτια. Ι
τηινκ ιτ∏σ αν ιντερεστινγ ιδεα, ανδ Ι
τηινκ ιτ∏σ προβαβλψ α νεω ιδεα.
Ανψ γενοµε ισ χονσταντλψ τοσσινγ υπ
γενε δυπλιχατιονσ τηατ χουλδ οχχασιον−
αλλψ µυτατε ιντο σοµετηινγ ηανδψ. Τηε
ποιντ ισ τηατ τηεψ∏ρε δυπλιχατινγ υσελεσσ−
λψ βεχαυσε τηεψ περηαπσ εξχεεδ τηε
νυµβερ οφ γενεσ τηατ τηατ παρτιχυλαρ ορ−
γανισµ χαν υσεφυλλψ χηορεογραπη, Βιρδ
εξπλαινσ. (Τηινκ οφ τηε επισοδε οφ Ι
Λοϖε Λυχψ ωιτη Λυχψ ανδ Ετηελ ον τηε
JEFF ROTMAN Tony Stone Images
χηοχολατε φαχτορψ ασσεµβλψ λινε.) Ατ−
τεµπτσ βψ α προκαρψοτε ορ αν ινϖερτε−
βρατε το υσε νεωλψ αϖαιλαβλε γενετιχ
µατεριαλ ωουλδ ηαϖε βεεν τηωαρτεδ βψ
χρεεπινγ ερρορσ. Ρατηερ τηαν λετηαλ µυ−
τατιονσ, τηε µιστακεσ ωουλδ ηαϖε βεεν
τρανσχριπτιοναλ. Τηε γυνκ, ορ νοισε, µυδ−
δψινγ τηε σιγναλ οφ υσεφυλ ∆ΝΑ προδυχτσ
χουλδ οϖερωηελµ τηε σψστεµ∇οργαν−
ισµσ αττεµπτινγ το υσε τηε νεω γενετιχ
µατεριαλ ωουλδ νοτ συρϖιϖε.
Τηε νοισε ρεδυχτιον ρεσπονσιβλε φορ
τηε ρισε οφ ϖερτεβρατεσ, Βιρδ σαψσ, ωουλδ
ηαϖε βεεν α χηεµιχαλ τινκερινγ ωιτη
γενεσ: τηε µετηψλατιον οφ χψτοσινεσ (ονε
οφ τηε βυιλδινγ βλοχκσ οφ ∆ΝΑ), αν εξ−
χελλεντ τεχηνιθυε φορ πρεϖεντινγ γενε
τρανσχριπτιον. Ιν ινϖερτεβρατεσ τηερε∏σ
α σµαλλ φραχτιον οφ µετηψλατεδ ∆ΝΑ,
ανδ ιτ αππεαρσ το χονταιν µοστλψ ϕυνκ,
Βιρδ νοτεσ. Ιν τηε ϖερτεβρατεσ, ψου συδ−
δενλψ ηαϖε 95 το 98 περχεντ οφ τηε
γενοµε µετηψλατεδ.
Ωηερεασ µοστ βιολογιστσ γιϖε µετηψλ−
ατιον χρεδιτ φορ τυρνινγ ο⇑ ιναππροπρι−
ατε γενε εξπρεσσιον, Βιρδ τηινκσ συχη α
ρολε ιν ϖερτεβρατεσ ρεπρεσεντσ ⇒νε−τυν−
ινγ τηατ ηαππενεδ λατε ιν τηε στορψ.
Τηε γενοµε ισ φυλλ οφ χρψπτιχ προµοτ−
ερσ, Βιρδ σαψσ. Ιφ ψου τακε τηεσε πιεχεσ
οφ ∆ΝΑ ανδ πυτ τηεµ ιντο χελλσ, τηεψ
χαν ωορκ ασ προµοτερσ, εϖεν τηουγη
τηερε∏σ νο γενε ανψωηερε νεαρ. Μετη−
ψλατιον σερϖεσ, ιν ηισ ϖιεω, το σηυτ δοων
τηεσε δριββλψ λιττλε προµοτερσ τηατ οτη−
ερωισε ωουλδ ϕυστ µεσσ τηινγσ υπ. Νεω
γενεσ χουλδ χοµε ιντο βεινγ, βυτ εξτρα
νοισε χουλδ βε σθυελχηεδ ανδ βενε⇒χιαλ
νεω σιγναλσ πυτ το γοοδ υσε.
Ασ φορ τηε τρανσιτιον φροµ αλγαε ανδ
βαχτερια το µορε χοµπλεξ οργανισµσ,
Βιρδ προποσεσ αν ανχεστραλ προκαρψοτε
ωιτη σιµπλε ϖερσιονσ οφ τηε ∆ΝΑ−ασσο−
χιατεδ προτεινσ χηαραχτεριστιχ οφ ευκαρψ−
οτεσ. Τηεσε προτεινσ ωουλδ προτεχτ
αγαινστ σπυριουσ τρανσχριπτιον ανδ αλ−
λοω σαφε αχθυισιτιον οφ νεω γενεσ. Αλλ
οτηερ δι⇑ερενχεσ βε−
τωεεν προκαρψοτεσ ανδ
ευκαρψοτεσ, Βιρδ µαιν−
ταινσ, ωουλδ ⇓οω φροµ
τηε αβιλιτψ το µακε υσε
οφ µορε γενεσ.
Τηε νυµβερσ Βιρδ ρε−
λιεσ ον φορ ηισ ηψποτηε−
σισ αρε περηαπσ τοο φεω.
∆εχεντ εστιµατεσ οφ γενε
νυµβερσ εξιστ φορ ονλψ α
φεω οργανισµσ, βυτ τηεψ
γιϖε τηε ιµπρεσσιον οφ
διστινχτ ρανγεσ: τηε λοω
νυµβερσ βανδιεδ αβουτ
φορ ϖερτεβρατεσ αρε ατ
ΠΥΦΦΕΡ ΦΙΣΗ ισ δισταντλψ ρελατεδ το µαµµαλσ βυτ ισ χλοσ−
λεαστ 50,000, ωηερεασ τηε
ερ ιν γενε νυµβερ το τηεµ τηαν ιτ ισ το ινϖερτεβρατεσ.
40
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ηιγηεστ εστιµατε Βιρδ φουνδ φορ αν ιν−
ϖερτεβρατε ισ 25,000. Ανοτηερ δισχοντι−
νυιτψ µαψ οχχυρ βετωεεν ευκαρψοτεσ,
ωιτη α λοω οφ αβουτ 7,000 φορ ψεαστ,
ανδ προκαρψοτεσ, ωιτη α λικελψ αϖεραγε
οφ αβουτ 2,600.
Βιρδ, ωηο ηασ βεεν ριγητ οφτεν ενουγη
το βε ελεχτεδ α Φελλοω οφ τηε Ροψαλ Σοχι−
ετψ, ισ ηαππψ το γιϖε υπ ηισ τηεορψ ιν τηε
εϖεντ οφ ονε οφ τωο ⇒νδινγσ. Υνχοϖερ−
ινγ α χριττερ ωιτη αν ιντερµεδιατε νυµ−
βερ οφ, σαψ, 37,000 γενεσ ωουλδ προβα−
βλψ βλοω τηε ωηολε τηινγ ουτ οφ τηε ωα−
τερ, Βιρδ αδµιτσ. Αλσο, ιφ ονε ⇒νδσ τηατ
τρανσχριπτιοναλ νοισε ισ ασ γρεατ ιν α
∆ροσοπηιλα [φρυιτ ⇓ψ] ασ ιτ ισ ιν α ϖερτε−
βρατε, τηεν τηε ηψποτηεσισ ισ δισπροϖεδ.
Τηε βασιχ ασσυµπτιον, τηατ γενε νυµ−
βερσ ρε⇓εχτ χοµπλεξιτψ, ισ αλσο προβ−
λεµατιχ φορ σοµε. Βιρδ ρεχαλλσ τηατ α ρε−
ϖιεωερ φορ Νατυρε, ωηιχη ρεϕεχτεδ τηε
παπερ βεφορε Τρενδσ ιν Γενετιχσ πυβ−
λισηεδ ιτ, σαιδ τηε µερε ιδεα τηατ ϖερτε−
βρατεσ αρε µορε χοµπλεξ τηαν ινϖερτε−
βρατεσ χουλδ σταρτ ⇒γητσ ιν πυβσ. Ιτ∏σ
ηαρδ το γετ χοµπλεξιτψ σεπαρατεδ φροµ
προγρεσσ, ∆οολιττλε αδδσ. Νονε οφ υσ
ρεαλλψ ωαντ το ταλκ αβουτ προγρεσσ. Βυτ
σοµεηοω Μοζαρτ ρεαλλψ ισ µορε χοµ−
πλιχατεδ τηαν Ε. χολι.
Σο ωηψ οπεν ηιµσελφ υπ το βαρ
βραωλσ? Μψ µοτιϖατιον βεηινδ τηε
ωηολε τηινγ ωασ το πυτ τηεοριεσ ον τηε
αγενδα, Βιρδ δεχλαρεσ, ινστεαδ οφ ϕυστ
σιµπλψ φοραγινγ φορ δατα. ∆οολιττλε,
ωηοσε εντηυσιασµ φορ Βιρδ∏σ νοτιονσ ηασ
ινχρεασεδ, λικεσ τηατ αττιτυδε. Φρανκλψ,
ηε σαψσ, Ι δον∏τ τηινκ τηερε αρε ενουγη
[σπεχυλατιϖε παπερσ]. Βιολογψ, ανδ παρ−
τιχυλαρλψ µολεχυλαρ βιολογψ, ηασ βεχοµε
α ϖερψ ηαρδ εντερπρισε ωηερε µανψ πεο−
πλε ωιλλ σαψ, ωελλ, τηατ∏σ σπεχυλατιον, Ι
ϕυστ δεαλ ωιτη δατα. ∆οολιττλε αδδσ τηατ
υνδερστανδινγ ωηψ τηινγσ ωορκ ονε
ωαψ ισ οφτεν τηε µυχη µορε ιντερεστινγ
θυεστιον: Το µε, τηατ∏σ ωηερε τηε ιν−
τελλεχτυαλ εξχιτεµεντ χοµεσ. Οτηερωισε,
ωε∏ρε ϕυστ µεχηανιχσ.
Ανδ ιφ Βιρδ σηουλδ βε προϖεδ ωρονγ?
Ονε [ρεϖιεωερ] σαιδ, Τηισ ισ ϖερψ ιντερ−
εστινγ. Ι δον∏τ βελιεϖε α ωορδ οφ ιτ.∏ Ονε
σηουλδν∏τ ρεγαρδ ιτ ασ α χοµµεντ ον
ονε∏σ ϖαλιδιτψ ασ α ηυµαν βεινγ τηατ
ονε προποσεσ α ηψποτηεσισ τηατ ιν τηε
ενδ τυρνσ ουτ το βε ωρονγ, ηε ασσερτσ.
Ιτ∏σ αχτυαλλψ τηε ωαψ ιν ωηιχη σχιενχε
ωορκσ.
∇Στεϖε Μιρσκψ
Π
roviding one of
the only remaining
sources of hard currency, petroleum is the
lifeblood of the former
Soviet Union. But like
blood in a critical artery,
crude oil flowing by
pipeline cannot be shut
off without some consequences. So when a line
connecting Moscow to
the Vozey oil field in
the northern Komi Republic started hemorrhaging last year, managers at Komineft, the
pipeline’s operators, were reluctant to close it down. And
assault on the Arctic environment (above) went on and on.
The incentive to keep oil flowing was enormous: not
only would an interruption cost dearly in the short term,
but if the channel were cut off for too long, oil in the
pipeline might have cooled and hardened during the frigid
Arctic winter. Like a case of petrochemical atherosclerosis,
flow might then have been impossible to resume. Roger
Staiger, Jr., of the Alyeska Pipeline Service Company in
Alaska gives some idea of what happens if Arctic oil, still
warm from the ground,
is stilled for too long in
midwinter: he jokes that
it might “turn into an
800-mile candle.”
Oil in the Komi Republic, with its higher paraffin content, is much more
apt to solidify than Alaskan oil. Moreover, because an untreated mixture of oil and brine
moves through the Komi
pipes, they have been rotting right along with the
rest of the decaying oil
42
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
infrastructure (below ).
Leaks such as the recent one have for years
been the norm. Steven
Zoltai of Natural Resources Canada visited
the site this past December. As large as the
spill was, he notes, it
was pretty much business as usual: “The locals don’t understand
what all the fuss is
about.”
According to Matthew J. Sagers of PlanEcon, a consulting firm
in Washington, D.C., that has followed planned economies, losses in oil pipelines of the former Soviet Union
amount to about 5 percent. “Until just recently, it wasn’t
worth it to fix it,” explains Sagers, noting that oil producers were paid for the amount extracted, not delivered.
In recent testimony to the U.S. Senate, Richard S. Golob,
an oil-pollution expert based in Cambridge, Mass., confirmed that pipelines in the former Soviet Union perpetually pollute. He cited estimates from the Geographic Institute in Moscow that as much as 10 million metric tons of
oil may be lost to leaks
every year—about 300
times the spillage from
the Exxon Valdez. Golob
suggested that help will
come mostly from joint
ventures with the west.
Although Zoltai is a terrestrial ecologist, he also
understands that much
economics: “If I were a
businessman, I’d say, ‘I’ll
fix your pipeline’—and
I’d be laughing all the
way to the bank.”
—David Schneider
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ROBERT WALLIS SABA
Λικε α Σιεϖε
ΤΗΕ ΑΝΑΛΨΤΙΧΑΛ ΕΧΟΝΟΜΙΣΤ
Τηε Γυλλιϖερ Ε⇑εχτ
44
νατιοναλ ιν⇓υενχεσ ον τηε δοµεστιχ
εχονοµψ. Τραδε ωιτη ανψ ονε νατιον
αµουντσ το ονλψ α τινψ φραχτιον οφ τηε
Αµεριχαν γροσσ δοµεστιχ προδυχτ.
Τηεσε ισολατιονιστσ σηουλδ τακε α λεσ−
σον φροµ ϑονατηαν Σωιφτ ανδ ρεαλιζε
τηατ εχονοµιχσ ωιτηουτ τηε ρεστ οφ τηε
ωορλδ ισ σχιεντι⇒χαλλψ βανκρυπτ. Ωηεν
Γυλλιϖερ αωοκε φροµ ηισ ναπ ιν Λιλλιπυτ,
τηε λιττλε φολκ ηαδ τιεδ ηιµ δοων ωιτη
τινψ τηρεαδσ. Ι αττεµπτεδ το ρισε, βυτ
ωασ νοτ αβλε το στιρ: φορ ασ Ι ηαππενεδ
το λιε ον µψ βαχκ, Ι φουνδ µψ αρµσ ανδ
λεγσ ωερε στρονγλψ φαστενεδ ον εαχη
THE GRANGER COLLECTION
ϑ
οην ∆οννε ωροτε, Νο µαν ισ αν
ισλανδ, εντιρε οφ ιτσελφ. Τρυε
ενουγη, ανδ τρυε οφ χουντριεσ, τοο,
αλτηουγη Αµεριχανσ ⇒νδ τηε χον−
χεπτ αννοψινγ. Ιν πηψσιχαλ τερµσ, Αµερ−
ιχανσ ϖιεω τηε Υ.Σ., λικε σοµε χλασσιχαλ
πηψσιχσ εξπεριµεντ, ασ ιµµυνε το ουτ−
σιδε ιν⇓υενχε. Βυτ τηε τρυτη ισ τηατ τηε
εχονοµψ ισ αν οπεν σψστεµ ανδ αλωαψσ
ηασ βεεν. Ασ ωιτη τηε σηιφτ φροµ χλοσεδ
το οπεν µοδελσ ιν πηψσιχσ, τηισ ρεαλιζα−
τιον µακεσ φορ βιγ χηανγεσ ιν τηε δισ−
µαλ σχιενχε.
Αρτηυρ Ρ. Βυρνσ, πιπε−σµοκινγ χηαιρ−
µαν οφ τηε Φεδεραλ Ρεσερϖε Βοαρδ φροµ
1970 το 1978, εξεµπλι⇒εδ τηε ολδ ισο−
λατιονιστ εχονοµιχσ. Ηε σποκε ανδ αχτ−
εδ ασ τηουγη τηε Υ.Σ. ωασ φρεε το σετ ιτσ
µονεταρψ πολιχψ ιν Ωασηινγτον, ∆.Χ.,
ρεγαρδλεσσ οφ τηε ρεστ οφ τηε ωορλδ. Ιν−
δεεδ, το αδµιτ τηατ τηε Υ.Σ. ωασ παρτ οφ
Πλανετ Εαρτη ωασ λονγ χονσιδερεδ αν
α⇑ροντ το νατιοναλ διγνιτψ.
Ιν 1973 Βυρνσ ανδ Γεοργε Σηυλτζ,
ωηο ωασ τηεν σεχρεταρψ οφ τηε Τρεα−
συρψ, φαχεδ α νεωσ χονφερενχε ιν Παρισ
αφτερ ονε οφ τηε µανψ χρισεσ δυρινγ τηε
χολλαπσε οφ τηε Βρεττον Ωοοδσ σψστεµ
οφ ⇒ξεδ εξχηανγε ρατεσ∇ωηιχη ηαδ
βεεν ιν πλαχε σινχε τηε ενδ οφ Ωορλδ
Ωαρ ΙΙ. Α ρεπορτερ ασκεδ Σηυλτζ ωηατ
τηε ⇓οατινγ δολλαρ µεαντ φορ Αµεριχαν
µονεταρψ πολιχψ. Ασ Παυλ ςολχκερ,
Βυρνσ∏σ χιγαρ−χηοµπινγ συχχεσσορ, ρε−
χουντσ τηε ταλε, Βυρνσ, αλωαψσ χονσχιουσ
οφ τηε πρερογατιϖεσ οφ αν ινδεπενδεντ
Φεδεραλ Ρεσερϖε χηαιρµαν, ρεαχηεδ οϖερ
ανδ τοοκ τηε µιχροπηονε φροµ Σηυλτζ
ανδ προνουνχεδ ιν ηισ µοστ αυτηορι−
ταριαν τονε, Αµεριχαν µονεταρψ πολι−
χψ ισ νοτ µαδε ιν Παρισ; ιτ ισ µαδε ιν
Ωασηινγτον.
Τηοσε λιϖινγ ιν σµαλλ χουντριεσ ωιτη
χλοσε τιεσ το τηειρ βιγγερ νειγηβορσ, ιν
χοντραστ, ηαϖε λονγ κνοων τηατ τηειρ
εχονοµιεσ ρισε ανδ φαλλ ωιτη γλοβαλ τιδεσ.
Εαρλιερ τηισ χεντυρψ α στρινγ οφ Σωεδιση
εχονοµιστσ ανδ ηιστοριανσ αννουνχεδ
τηατ τηεψ ηαδ φουνδ ιντερνατιοναλ πριχε
χορρελατιονσ; νο Σωεδε λιϖινγ βεσιδε τηε
γρεατ βεαρ οφ τηε Γερµαν Εµπιρε ιν
1910 χουλδ δουβτ τηατ τηε πριχε οφ λυµ−
βερ ανδ ιρον ορε ωασ σετ ιν ωορλδ µαρ−
κετσ, ρατηερ τηαν ιν Συνδσϖαλλ.
Ιν τηε 1940σ τηε Αµεριχαν εχονοµιστ
Παυλ Α. Σαµυελσον ρεµαδε τηε Σωεδιση
ινσιγητ ιντο φαχτορ πριχε εθυαλιζατιον,
βυτ φεω οφ ηισ χοµπατριοτσ παιδ σεριουσ
αττεντιον. Ωηεν Υ.Σ. εχονοµιστσ λοοκ
ατ τηε ωορλδ, τηεψ σεε νο οβϖιουσ ιντερ−
ΤΙΕ∆ ∆ΟΩΝ βψ τινψ γλοβαλ τηρεαδσ, τηε
Υ.Σ. εχονοµψ ρεσεµβλεσ Γυλλιϖερ.
σιδε το τηε γρουνδ; ανδ µψ ηαιρ, ωηιχη
ωασ λονγ ανδ τηιχκ, τιεδ δοων ιν τηε
σαµε µαννερ. Ι λικεωισε φελτ σεϖεραλ
σλενδερ λιγατυρεσ αχροσσ µψ βοδψ, φροµ
µψ αρµ−πιτσ το µψ τηιγησ. Ι χουλδ ονλψ
λοοκ υπωαρδσ.
Τηε σλενδερ λιγατυρεσ οφ τηε ωορλδ
εχονοµψ αρε τηε χοµµερχε ιν λυξυρψ
αυτοµοβιλεσ βετωεεν ϑαπαν ανδ τηε
Υ.Σ., ιν χορπορατε βονδσ βετωεεν Λον−
δον ανδ Νεω Ψορκ ορ ιν ⇒νανχιαλ µαν−
αγερσ βετωεεν Ζυριχη ανδ Χηιχαγο. Εαχη
λινκ ισ τριϖιαλ, βυτ τηερε αρε τηουσανδσ
οφ τηεµ. Τηε γιαντ Γυλλιϖερ, αλσο κνοων
ασ Υνχλε Σαµ, χαν ονλψ λοοκ υπωαρδ.
Τηανκσ το τηε Γυλλιϖερ ε⇑εχτ, τηε
µονεταρψ πολιχψ οφ τηε Υ.Σ. ισ µαδε ιν
τηε µαρκετσ οφ τηε ωορλδ. Φλοατινγ τηε
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ϖαλυε οφ τηε δολλαρ ωιτη ρεσπεχτ το οτηερ
χυρρενχιεσ γαινσ Ωασηινγτον σοµε φρεε−
δοµ, βυτ ασ λονγ ασ γλοβαλ ινϖεστορσ
χηοοσε βετωεεν Τρεασυρψ βιλλσ ανδ τηειρ
χουντερπαρτσ φροµ τηε Βυνδεσβανκ ορ
τηε ϑαπανεσε Χεντραλ Βανκ, τηε Φεδεραλ
Ρεσερϖε χαννοτ ιγνορε τηε ρεστ οφ τηε
ωορλδ. Φυρτηερµορε, ωηετηερ τηε δολλαρ
ισ ⇒ξεδ ορ ⇓οατινγ, τηε στρυχτυρε οφ πριχ−
εσ∇ινχλυδινγ ωαγεσ ανδ ιντερεστ ρατεσ∇
ισ σετ βψ τηε τυγ οφ τηουσανδσ οφ ιντερ−
νατιοναλ τηρεαδσ.
Τηε Γυλλιϖερ ε⇑εχτ χονστραινσ νοτ ονλψ
εχονοµιχ πολιχψ βυτ αλσο ηοω µυχη
Αµεριχαν εχονοµιστσ χαν ιγνορε οτηερ
χουντριεσ ωηεν τηεψ µακε τηειρ τηεο−
ριεσ. Λαργε−σχαλε µοδελσ οφ τηε εχονο−
µψ, φασηιοναβλε ασ σχιενχε βαχκ ιν τηε
1960σ ανδ νοωαδαψσ στιλλ υσεδ φορ
βρυτε−φορχε πρεδιχτιον, γενεραλλψ ιγνορε
τηε τιεσ χοννεχτινγ Υ.Σ. πριχεσ το τηοσε
ελσεωηερε; ιντροδυχτορψ εχονοµιχσ
χλασσεσ δο νοτ εϖεν χοϖερ συχη ιντερ−
χοννεχτεδνεσσ. Μοστ Αµεριχαν τηεοριζ−
ινγ αβουτ εχονοµιχ γροωτη ιγνορεσ ιµ−
πορτσ ανδ εξπορτσ. Ωηεν Υ.Σ. εχονο−
µιστσ τηινκ αβουτ µονοπολψ, τηεψ
τηινκ ιν ονε−νατιον τερµσ, ασ τηουγη
ςολκσωαγεν ανδ Τοψοτα ηαδ νεϖερ ηαπ−
πενεδ το τηε αυτοµοβιλε ινδυστρψ. Ιτ ισ
ασ τηουγη αν ενεργψ µοδελ οφ τηε εαρτη
ιγνορεδ ινπυτ φροµ τηε συν ορ ραδια−
τιον ιντο σπαχε.
Σινχε τηε 1970σ, α γροωινγ βυτ στιλλ
σµαλλ γρουπ οφ Υ.Σ. εχονοµιστσ ηασ
ωορκεδ το τηινκ οφ Αµεριχαν πριχεσ ανδ
ωαγεσ ασ σετ νοτ βψ συππλψ ανδ δεµανδ
ατ ηοµε βυτ βψ φαχτορσ ελσεωηερε. Τηε
Ηαρϖαρδ εχονοµιστ ϑε⇑ρεψ Ωιλλιαµσον,
φορ εξαµπλε, ηασ βεεν εξπλορινγ τηε
ε⇑εχτσ οφ τηε γλοβαλ εχονοµψ ον Αµερ−
ιχαν ωαγεσ οϖερ τηε χεντυρψ παστ∇ιτ ισ
ηαρδ οτηερωισε το µακε σενσε οφ ρεχεντ
εξπεριενχε.
Ιν δοινγ σο, τηεσε εχονοµιστσ αρε ρε−
τυρνινγ το τηε ροοτσ οφ τηειρ δισχιπλινε,
λαιδ δοων ιν Σωιφτ∏σ ερα, ωηεν α σινγλε
συπερποωερ διδ νοτ ψετ δοµινατε ωορλδ
τραδε. Ασ λατε ασ 1817 τηε Ισααχ Νεωτον
οφ εχονοµιχσ, ∆αϖιδ Ριχαρδο, ασσυµεδ
ιν ηισ εχονοµιχ Πρινχιπια τηατ ιντερνα−
τιοναλ τραδε δετερµινεδ πριχεσ ανδ
ωαγεσ, ϕυστ ασ πλανεταρψ ορβιτσ αρε δε−
τερµινεδ βψ τηε συν. Ιν τηε 19τη χεντυρψ,
ωηεν νατιοναλισµ ιντερϖενεδ, εχον−
οµιστσ σταρτεδ βελιεϖινγ τηατ εαχη πλαν−
ετ χουλδ ινστεαδ χηοοσε ιτσ οων πατη.
Βυτ νοω τηε φαχτσ αρε βεγιννινγ το ρε−
µινδ τηεµ. ϑυστ ασ πηψσιχιστσ λεαρνεδ
τηε λιµιτσ οφ α µεχηανιχσ βασεδ ον ιδε−
αλιζεδ ασσυµπτιονσ αβουτ περφεχτλψ
ελαστιχ, φριχτιονλεσσ βοδιεσ, εχονοµιστσ
αρε λεαρνινγ το λοοκ βεψονδ τηειρ οων
βορδερσ.
∆ΟΝΑΛ∆ Ν. ΜχΧΛΟΣΚΕΨ ισ προφεσσορ
οφ εχονοµιχσ ανδ ηιστορψ ατ τηε Υνιϖερ−
σιτψ οφ Ιοωα.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ ΑΝ∆ ΒΥΣΙΝΕΣΣ
το δο γενε τηεραπψ ιν τηε βροαδεστ
σενσε. Μιλλερ ανδ οτηερσ ποιντ ουτ τηατ
ιτ ισ ηαρδ το κνοω το ωηατ εξτεντ τηε
τηεραπψ αχτυαλλψ ηελπεδ ιτσ ρεχιπιεντσ,
βεχαυσε τηε πατιεντσ ιν τηε ΝΙΗ τριαλ
ηαϖε ρεµαινεδ ον τηε στανδαρδ τηεραπψ
Πατεντλψ Οβϖιουσ
φορ τηειρ ιλλνεσσ. Αν υναυτηοριζεδ γενε
τηεραπψ ωασ, µορεοϖερ, αττεµπτεδ ασ
Ωαντ το δο γενε τηεραπψ? Ασκ Σανδοζ
λονγ αγο ασ 1980.
τοχκσ ιν κνοωλεδγε−βασεδ ινδυσ− τηε πατεντ βε υσεδ το βρινγ γενετιχ τηερ−
Οτηερ χριτιχσ αρε βοτηερεδ βψ τηε σπε−
τριεσ σοαρ ορ πλυµµετ ον νεωσ απιεσ το πατιεντσ ασ σοον ασ ποσσιβλε. χι⇒χσ. Κεννετη Ω. Χυλϖερ, ωηο ωορκεδ
τηατ πατεντσ ηαϖε βεεν αωαρδεδ ∆ανιελ Λ. ςασελλα, ηεαδ οφ Σανδοζ∏σ ιν Βλαεσε∏σ λαβορατορψ, µαινταινσ τηατ
ορ δισαλλοωεδ. Ιν α ψουνγ ⇒ελδ συχη ασ πηαρµαχευτιχαλ διϖισιον, χουντερσ τηατ ηε δεσιγνεδ µανψ οφ τηε εξπεριµεντσ
βιοτεχηνολογψ, τηεψ αρε παρτιχυλαρλψ ιµ− ιφ γενε τηεραπψ ισ ωιδελψ υσεδ ιτ ωιλλ τηατ παϖεδ τηε ωαψ. Χυλϖερ αλσο ποιντσ
πορταντ φορ αττραχτινγ χαπιταλ. Βυτ βε− προβαβλψ νοτ εµπλοψ τηε εξ ϖιϖο απ− ουτ τηατ τηε πατεντ λαχκσ δεταιλεδ διρεχ−
χαυσε τηερε ισ νο ωελλ−εσταβλισηεδ πραχ− προαχη∇ιν ωηιχη χασε Ανδερσον∏σ τιονσ φορ δοινγ γενε τηεραπψ ον δι⇑ερ−
τιχε ιν τηε αρεα, βιοτεχηνολογψ πατεντσ πατεντ ωιλλ βε ιρρελεϖαντ. Βυτ ηε αδδσ εντ χελλ τψπεσ. ( Βοτη Χυλϖερ ανδ Μιλλερ
τηατ Σανδοζ ηασ νο ιντεντιον οφ δενψ− βελιεϖε τηεψ σηουλδ βε λιστεδ ασ χο−ιν−
αρε α ηορνετσ∏ νεστ οφ δισπυτε.
Τηε µοστ ρεχεντ βυζζ συρρουνδσ α ινγ ριγητσ το χοµπανιεσ ιντερεστεδ ιν ϖεντορσ.) Αττορνεψ Αλβερτ Π. Ηαλλυιν οφ
Υ.Σ. πατεντ χοϖερινγ ηυµαν γενε τηερα− υσινγ εξ ϖιϖο τεχηνολογψ. Φυρτηερ, Πεννιε ανδ Εδµονδσ σαψσ Ανδερσον∏σ
πψ, ωηιχη τοοκ ον α νεω διµενσιον ιν στατεσ Μ. ϑαµεσ Βαρρεττ, ΓΤΙ∏σ χηιεφ εξ− πατεντ αππλιχατιον αλσο φαιλσ το νοτε
ϑυλψ ωηεν εξχλυσιϖε ριγητσ το ιτ ωερε αχ− εχυτιϖε, τηε ριγητσ ωιλλ νοτ ιµπεδε αχα− πρεϖιουσλψ πυβλισηεδ ωορκ. Ηισ χλιεντ,
Σοµατιξ ιν Αλαµεδα, Χαλιφ., ηασ πατεντσ
θυιρεδ βψ α Σωισσ δρυγ χοµπανψ, Σαν− δεµιχ ρεσεαρχη.
τηατ πρεδατε Ανδερ−
δοζ. Τηε πατεντ ωασ
αωαρδεδ τηισ παστ
σον∏σ. Ηαλλυιν σαψσ τηε
Πατεντ Ο⇔χε µιγητ ψετ
Μαρχη το τηε Νατιοναλ
Ινστιτυτεσ οφ Ηεαλτη; Ω.
χηοοσε το ρεεξαµινε
τηε Ανδερσον πατεντ.
Φρενχη Ανδερσον, Ρ.
Μιχηαελ Βλαεσε ανδ
Τηε ο⇔χε ωασ πρεπαρ−
ινγ ιν ϑυνε το ιντροδυχε
Στεϖεν Α. Ροσενβεργ,
φορµερ χολλαβορατορσ,
νεω γυιδελινεσ τηατ
σηουλδ µακε ιτ εασιερ
ωερε λιστεδ ασ ινϖεν−
τορσ. Τηε πατεντ ισ ρε−
φορ χοµπανιεσ το οβταιν
πατεντσ ον τηεραπευτιχ
µαρκαβλε βεχαυσε ιτ
χοϖερσ ανψ τηεραπψ ιν
ινϖεντιονσ βψ µακινγ ιτ
χλεαρ τηατ χλινιχαλ προοφ
ωηιχη χελλσ αρε γενετι−
χαλλψ µοδι⇒εδ ουτσιδε
οφ ε⇑εχτιϖενεσσ ισ νοτ
τηε πατιεντ∏σ βοδψ∇νο
νεχεσσαρψ. Οτηερ ιµµι−
µαττερ ωηατ τηε δισ−
νεντ χηανγεσ ωιλλ µακε
εασε ορ τηε χηανγε.
ιτ εασιερ φορ οϖερσεασ ιν−
Τηισ αππροαχη, χαλλεδ
ϖεντορσ το ωιν Υ.Σ. πατ−
εξ ϖιϖο, ωασ εµπλοψεδ
εντσ. Βυτ αλτηουγη τηε
ιν τηε ⇒ρστ χλινιχαλ τριαλ
Πατεντ Ο⇔χε ηοπεσ το
οφ ηυµαν γενε τηεραπψ
στρεαµλινε τηε προχεσσ,
ιν 1990 [σεε Γενε
τηερε αρε νο χηανγεσ
Τηεραπψ, βψ Ω. Φρενχη
τηατ συγγεστ εξτρεµελψ
Ανδερσον, παγε 124 ].
βροαδ πατεντσ, ανδ τηε
Τηε ωορκ ωασ παρτ
αχχοµπανψινγ δισπυτεσ,
Ω. ΦΡΕΝΧΗ ΑΝ∆ΕΡΣΟΝ περσυαδεδ τηε ΝΙΗ το συππορτ γενε τηεραπψ∇
οφ τηε ⇒ρστ Χοοπερατιϖε
ωιλλ βεχοµε λεσσ χοµ−
βυτ ηισ βροαδ πατεντ ισ νοω χοµινγ υνδερ φιρε.
Ρεσεαρχη ανδ ∆εϖελοπ−
µον. (Τηε Ανδερσον
µεντ Αγρεεµεντ∇α χοντραχτ δεσιγνεδ
Εϖεν σο, σοµε εξπερτσ αρε χριτιχαλ οφ πατεντ ισ νοτ τηε ονλψ ονε ιν βιοτεχηνολ−
το ενχουραγε τηε τρανσφερ οφ τεχηνολογψ τηε ΝΙΗ∏σ λιχενσινγ πολιχψ. Ι δον∏τ σεε ογψ ωηοσε σχοπε ηασ ραισεδ εψεβροωσ∇
φροµ φεδεραλ λαβορατοριεσ το ινδυστρψ. ανψ ρεασον το γραντ εξχλυσιϖε ριγητσ υν− ανδ τεµπερσ. Τηρεε ψεαρσ αγο εξτενσιϖε
Τηε ΝΙΗ∏σ παρτνερ ωασ Γενετιχ Τηεραπψ, λεσσ ιτ∏σ νεχεσσαρψ το γετ α προδυχτ το ριγητσ το αλλ φορµσ οφ γενετιχαλλψ ενγι−
Ινχ. (ΓΤΙ), ιν Γαιτηερσβυργ, Μδ., ωηοσε µαρκετ, ανδ τηισ ισν∏τ ονε οφ τηοσε χασ− νεερεδ χοττον ωερε γιϖεν το Αγραχετυσ
θυιδ προ θυο ωασ αν οπτιον το αχθυιρε εσ, σαψσ ϑοην Η. Βαρτον οφ Στανφορδ Λαω ιν Μιδδλετον, Ωισ. Τηε Πατεντ Ο⇔χε ισ
εξχλυσιϖε ριγητσ το ρεσυλτινγ ιντελλεχτυαλ Σχηοολ. Ανδ Βαρτον δουβτσ ωηετηερ τηε χυρρεντλψ ρεεξαµινινγ τηατ πατεντ.)
προπερτψ. ΓΤΙ εξερχισεδ τηατ ριγητ ιν πατεντ ιτελφ ωουλδ ωιτηστανδ α λεγαλ
Σοµε σανγυινε οβσερϖερσ νοτε τηατ
1990. Σο ωηεν Ανδερσον∏σ πατεντ ωασ χηαλλενγε. Τηε δετραχτορσ αργυε τηατ τηε πεοπλε ηαϖε βεεν αργυινγ αβουτ πατεντσ
ισσυεδ τηισ ψεαρ, τηε ΝΙΗ ωασ οβλιγεδ το χονχεπτ οφ γενε τηεραπψ, ασ οπποσεδ το φορ σοµε 200 ψεαρσ ανδ τηατ τοδαψ∏σ
γιϖε αλλ ριγητσ το ΓΤΙ. Τηρεε µοντησ λατ− Ανδερσον∏σ τεχηνιθυε, ωασ νοτ νοϖελ∇ δισπυτεσ ρεπρεσεντ νοτηινγ ουτ οφ τηε
ερ Σανδοζ βουγητ τηε χοµπανψ φορ σο ιτ σηουλδ νοτ ηαϖε ρεχειϖεδ α πατεντ. ορδιναρψ. Βυτ Ροβερτ Τ. Αββοττ οφ ςια−
∃295 µιλλιον.
Ιτ ισ α νυισανχε πατεντ, δεχλαρεσ Α. γενε, α γενε τηεραπψ χοµπανψ τηατ ισ
Α σενιορ ΝΙΗ ο⇔χιαλ αχκνοωλεδγεσ ∆υστψ Μιλλερ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Ωαση− βεινγ αχθυιρεδ βψ Χηιρον Χορπορατιον,
τηατ τηε γοϖερνµεντ ωουλδ νοτ ηαϖε ινγτον, ωηο πυβλισηεδ ον τηε χονχεπτ σαψσ πατεντ θυεστιονσ αρε σχρυτινιζεδ
δελιβερατελψ χηοσεν το λιχενσε ριγητσ χοϖ− οφ γενε τηεραπψ ιν 1983 ανδ χονστρυχτ− µορε ιντενσελψ ιν ινδυστρψ τηαν τηεψ
ερινγ συχη α βροαδ αρεα το α σινγλε χοµ− εδ τηε µοδι⇒εδ ϖιρυσεσ υσεδ ιν τηε ΝΙΗ υσεδ το βε: Νοω χοµπανιεσ λιϖε ορ διε
πανψ ανδ σαψσ τηε ΝΙΗ χαν ρεθυιρε τηατ τριαλ: Τηεψ ηαϖεν∏τ ταυγητ πεοπλε ηοω βψ τηεµ.
∇Τιµ Βεαρδσλεψ
RANDY SANTOS Randolph Photography
Σ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
45
Αρρεστ τηατ Πασσενγερ
Τραϖελινγ ωιτη τεχηνολογψ∇περηαπσ εϖεν α λαπτοπ∇χαν βε ιλλεγαλ
Ω
ηατ δο σοµε φορµσ οφ µασσ−
µαρκετ σοφτωαρε, χελλυλαρ τελε−
πηονε εθυιπµεντ ανδ διϖινγ
γεαρ ηαϖε ιν χοµµον? Τρψ βρινγινγ
τηεµ ουτ οφ τηε Υ.Σ., ανδ ψου ωιλλ ⇒νδ
τηατ ασ φαρ ασ τηε Αµεριχαν γοϖερνµεντ
ισ χονχερνεδ, τηεψ αρε αλλ µυνιτιονσ.
Ωηεν ιτ χοµεσ το εξπορτινγ τηεµ∇εϖεν
α σινγλε υνιτ∇ψου µιγητ ασ ωελλ βε χαρ−
ρψινγ α βοµβ ορ α βυλλετ, ιν τηε ωορδσ
οφ ∆ουγλασ Ρ. Μιλλερ οφ τηε Σοφτωαρε Πυβ−
λισηερσ Ασσοχιατιον ιν Ωασηινγτον, ∆.Χ.
Τηε τεχηνολογιεσ αρε χοντρολλεδ βψ
τηε Ιντερνατιοναλ Τρα⇔χ ιν Αρµσ Ρεγυ−
λατιονσ (ΙΤΑΡ), δραων υπ µορε τηαν 50
ψεαρσ αγο δυρινγ Ωορλδ Ωαρ ΙΙ το κεεπ
σοπηιστιχατεδ εθυιπµεντ φροµ φαλλινγ
ιντο ηοστιλε ηανδσ. Βυτ αδϖανχεδ τεχη−
νολογιεσ αρε ωιδελψ αϖαιλαβλε τοδαψ, ανδ
α νυµβερ οφ τηεµ∇ινχλυδινγ αλλ τηρεε
µεντιονεδ αβοϖε∇αρε φρεελψ σολδ ον
οπεν µαρκετσ εϖερψωηερε ορ ωιλλ βε
σοον. ΙΤΑΡ ισ ινχρεασινγλψ βοτηερινγ
Αµεριχαν µανυφαχτυρερσ, ωηο σαψ ιτ
βορδερσ ον τηε ριδιχυλουσ. Τηε εξπορτ
χοντρολσ αρεν∏τ σερϖινγ τηειρ οριγιναλ
πυρποσε, Μιλλερ στατεσ. Αλλ τηεψ∏ρε δο−
ινγ ισ ιµπεδινγ Αµεριχαν βυσινεσσ.
Ασ χυρρεντλψ ιµπλεµεντεδ, ΙΤΑΡ προ−
ηιβιτσ τηε εξπορτ οφ χερταιν Υ.Σ. τεχηνολ−
ογιεσ ωιτηουτ α Στατε ∆επαρτµεντ λι−
χενσε. Χονσιγνµεντ το τηε ΙΤΑΡ λιστ χαν
βε αλµοστ τηε σαµε τηινγ ασ αν εξπορτ
βαν βεχαυσε οφ τηε λενγτηψ δελαψσ οφτεν
ινϖολϖεδ ιν προχεσσινγ α λιχενσε. (Λεσσ
σενσιτιϖε τεχηνολογιεσ αρε χοντρολλεδ βψ
τηε Χοµµερχε ∆επαρτµεντ, φροµ ωηιχη
εξπορτ αππροϖαλσ αρε ρουτινε.) Τηερε∏σ
µορε ον τηε ΙΤΑΡ λιστ τηαν ισ αππροπρι−
ατε ορ νεχεσσαρψ, ασσερτσ Παυλ Φρεεδεν−
βεργ, α τραδε χονσυλταντ ανδ α φορµερ
υνδερσεχρεταρψ οφ χοµµερχε ιν τηε Ρεα−
γαν ανδ Βυση αδµινιστρατιονσ.
Αφτερ ηεαϖψ λοββψινγ βψ ινδυστρψ
γρουπσ, τηε Βυση αδµινιστρατιον αγρεεδ
ιν 1992 το αλλοω ρελατιϖελψ υνφεττερεδ
Μαγνι⇒χεντ Μεν (Μοστλψ) ανδ Τηειρ Φλψινγ Μαχηινεσ
ROB NELSON Black Star
he black automaton hovered ominously in front of
them as it flashed its sharp blades, but the young men
stood their ground, trusting that their preparations would
prevent the menacing machine from coming any closer.
Neither a scene from Star Wars nor some secret military
test, this display took place at the Fifth Annual International Aerial Robotics Competition in Atlanta, where students
were putting their robot helicopter through its paces.
This past July teams from 10 universities assembled in
a stadium on the campus of the Georgia Institute of Technology, each vying for $10,000 in prize money. Success
was achieved if a flying robotic vehicle could locate small
metal pucks and carry them across a tennis-court-shaped
arena. No robot in the first four competitions had come
close to showing the requisite aerial dexterity.
The serious contenders in the 1995 contest were, for
the most part, motorized balloons or gas-powered model
helicopters. The University of British Columbia entered a
hybrid half-balloon, half-helicopter—but its blimp (below )
proved a poor performer. Another curious design, a “tail
sitter” from the University of Texas at Arlington, took third
place. This flyer sat in a cylindrical frame that supported
its top-mounted engine and propeller. Eight movable vanes
arrayed around the central axis provided some control—
enough to take off, stay airborne for 30 seconds and land
without anyone’s getting hurt.
46
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ROB NELSON Black Star
Τ
The one European team, Berlin’s Technical University,
entered an ungainly blue balloon dubbed Tub Rob (above).
Crude in appearance, it outperformed most of the sophisticated helicopters and took second prize. The Berliners
also distinguished themselves by having a woman leading
their group, whereas the U.S. teams appeared populated
only by men. Asked about gender bias on his all-male
team, David A. Cohn of the Massachusetts Institute of
Technology shrugged. “ We’re M.I.T.,” is all he offered.
The first-place winner, a helicopter from Stanford University, was the product of years of preparation, timely
corporate financing—from Boeing—and at least one Ph.D.
thesis. Signals from the Department of Defense’s Global
Positioning System determined the craft’s position and orientation. Whereas other helicopters flew erratically, if at
all, the Stanford chopper was rock-steady against the Atlanta skyline. (It wavered visibly only while its human pilot took control by radio command.) The robocopter easily maneuvered itself to the proper point, then bobbed up
and down to nab a metal disk with a small magnet suspended by string. It carried the captured disk to the drop
site but lacked the means to release it.
With such success, it seems likely that the 1996 flyingrobot games will be dominated by satellite-guided helicopters. But there will probably be a balloon or two as well.
Who knows, next year’s competition is scheduled to take
place at Disney World, so spectators might yet see an elephantine robot powered by floppy ears. —David Schneider
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
DAN BURTON
ΡΕΧΡΕΑΤΙΟΝΑΛ ΡΕΒΡΕΑΤΗΕΡ, ωορν βψ ιτσ δεσιγνερ, Πετερ Ρεαδεψ, χουλδ βε χον−
σιδερεδ α µυνιτιον βψ τηε Στατε ∆επαρτµεντ ιφ εξπορτεδ φροµ τηε Υ.Σ.
εξπορτ οφ σοφτωαρε ινχορπορατινγ εν−
χρψπτιον αλγοριτηµσ ωιτη κεψσ οφ 40
βιτσ ορ λεσσ. Νοτ χοϖερεδ βψ τηισ χονχεσ−
σιον ωασ τηε δατα ενχρψπτιον στανδαρδ
(∆ΕΣ), ωιδελψ υσεδ ιν βανκινγ, ωηιχη
ηασ α 56−βιτ κεψ. Τηε Νορτη Αµεριχαν
ϖερσιον οφ Λοτυσ Νοτεσ, τοο, ωασ εξχλυδ−
εδ, βεχαυσε ιτσ ενχρψπτιον φεατυρε υσεσ
τηε εθυιϖαλεντ οφ α 64−βιτ κεψ. Μερελψ
λεαϖινγ τηε Υ.Σ. ωιτη τηατ ϖερσιον οφ
Νοτεσ ον α λαπτοπ χοµπυτερ ισ χυρρεντ−
λψ αν ο⇑ενσε πυνισηαβλε βψ α ⇒νε οφ υπ
το ηαλφ α µιλλιον δολλαρσ. Πεοπλε ωιτηουτ
γρεεν χαρδσ µαψ νοτ εϖεν υσε συχη
προδυχτσ ατ Υ.Σ. σιτεσ.
Σοµε χελλυλαρ τελεπηονε σψστεµσ, ιν−
χλυδινγ ονεσ υσεδ ιν Ευροπε, Ασια, τηε
Μιδδλε Εαστ ανδ Αφριχα, αλσο ενχρψπτ
τρανσµισσιονσ ιν ορδερ το γραντ υσερσ α
µεασυρε οφ πριϖαχψ. Σο Υ.Σ. µανυφαχτυρ−
ερσ ωουλδ νεεδ α λιχενσε το σελλ ιν τηοσε
µαρκετσ. Σοφτωαρε ινδυστρψ ο⇔χιαλσ νοτε
τηατ νον−Υ.Σ. χοµπανιεσ αλρεαδψ ο⇑ερ α
ηυγε ασσορτµεντ οφ ∆ΕΣ−λεϖελ ενχρψπ−
τιον προγραµσ. Ψου χαν δοωνλοαδ ∆ΕΣ
σουρχε χοδε φροµ τηε Ιντερνετ φορ φρεε,
νοτεσ Μαρκ Α. Ηολχοµβ οφ ΙΒΜ.
Τηε Στατε ∆επαρτµεντ ποσιτιον ισ τηατ
ϕυστ βεχαυσε τηε σοφτωαρε ισ αϖαιλαβλε
οϖερσεασ δοεσ νοτ µεαν Αµεριχαν χοµ−
πανιεσ σηουλδ αδδ το τηε πιλε. Αλσο, ιν
µοστ χασεσ, ωε∏ρε ταλκινγ αβουτ εξπορτσ
φροµ τηε Υ.Σ. βεινγ ηιγηλψ σοπηιστιχατεδ
ανδ µυχη µορε υσαβλε το εντιτιεσ τηατ
µιγητ βε ινχλινεδ το πυτ τηε σοφτωαρε
το υσεσ χοντραρψ το τηε ιντερεστσ οφ τηε
Υ.Σ. ανδ ιτσ αλλιεσ, αν ο⇔χιαλ ινσιστσ.
Λαστ ψεαρ τηεν Ρεπρεσεντατιϖε Μαρια
Χαντωελλ οφ Ωασηινγτον Στατε λεδ αν εφ−
φορτ το πασσ λεγισλατιον τηατ ωουλδ ηαϖε
ελιµινατεδ ορ ρεδυχεδ χοντρολσ ον µασσ−
µαρκετ σοφτωαρε ωιτη ενχρψπτιον χαπα−
βιλιτιεσ. Τηε βιλλ ωασ βεφορε τηε φυλλ
Ηουσε, ανδ α δεβατε ωασ λοοµινγ ωηεν
ςιχε Πρεσιδεντ Αλ Γορε πλεδγεδ στυδιεσ
48
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ον τηε δεγρεε το ωηιχη τηε χοντρολσ αρε
ηαρµινγ Υ.Σ. σοφτωαρε µακερσ ανδ αλσο
ον ηοω ρελαξατιον οφ τηε χοντρολσ µιγητ
α⇑εχτ νατιοναλ σεχυριτψ. Ενχουραγεδ,
Χαντωελλ ανδ ηερ αλλιεσ αβανδονεδ τηε
⇒γητ. Βυτ µορε τηαν 13 µοντησ λατερ,
τηε στυδιεσ αρε στιλλ υνδερ ωαψ.
Ρεγαρδλεσσ οφ ηοω τηε νεγοτιατιονσ
ον σοφτωαρε τυρν ουτ, οτηερ, µορε εσο−
τεριχ τεχηνολογιεσ νοτ συππορτεδ βψ
⇒ρστ−ρατε τραδε οργανιζατιονσ αρε λικελψ
το βε χοντρολλεδ υνδερ ΙΤΑΡ φορ σοµε
τιµε. Αµονγ τηεσε αρε ρεβρεατηερσ, υν−
δερωατερ βρεατηινγ γεαρ ιν ωηιχη χαρ−
βον διοξιδε φροµ εξηαλεδ γασεσ ισ
σχρυββεδ ανδ οξψγεν ρευσεδ. Τηεψ χαν
προϖιδε βρεατηινγ γασ φορ λονγ περιοδσ,
ανδ χερταιν τψπεσ εµιτ φεω βυββλεσ,
µακινγ τηεµ ινδισπενσαβλε φορ στεαλτηψ
µιλιταρψ µισσιονσ. Χαρλετον Τεχηνολο−
γιεσ ιν Ταµπα, Φλα., ωηιχη σελλσ τηε
Μαρκ 16 ρεβρεατηερ το τηε Υ.Σ. µιλιταρψ,
ϕυστ γοτ ιτσ ⇒ρστ εξπορτ λιχενσε το δελιϖ−
ερ 100 υνιτσ το τηε Αυστραλιαν ναϖψ.
Τηε σαµε φεατυρεσ µακε ρεβρεατηερσ
αττραχτιϖε το νατυραλιστσ ανδ υνδερωα−
τερ εξπλορερσ ασ ωελλ. Σο νο φεωερ τηαν
φουρ χοµπανιεσ αρε χουρτινγ τηε γενερ−
αλ πυβλιχ µαρκετ. Α σιγνι⇒χαντ ποπυλα−
τιον οφ τοδαψ∏σ σπορτ διϖερσ ωιλλ βε υσ−
ινγ ρεβρεατηερ τεχηνολογψ βψ τηε ψεαρ
2000, σαψσ Βρετ Χ. Γιλλιαµ, α διϖινγ ιν−
δυστρψ χονσυλταντ ανδ ωριτερ. Ιφ σο, ωιλλ
Χαρλετον Τεχηνολογιεσ βε αβλε το γαρ−
νερ ανψ µαρκετ σηαρε? Περηαπσ, βυτ
συχη σαλεσ µαψ δεπενδ ον χηανγεσ ιν
τηε εξπορτ λαωσ.
Τηε ποιντ ισ, ιφ ψου αρε γοινγ το ηαϖε
µιλιταρψ χονϖερσιον, ωηιχη τηε [Χλιντον]
αδµινιστρατιον ωαντσ, ψου ηαϖε το γετ
τηινγσ ο⇑ τηε µιλιταρψ λιστ, Φρεεδενβεργ
αργυεσ. Ιφ ψου δο νοτ ηαϖε αν εασψ ανδ
διρεχτ αχχεσσ σψστεµ∇ωηιχη ΙΤΑΡ ισ
νοτ∇ψου χαννοτ συχχεεδ ιν ιντερνατιον−
αλ µαρκετσ.
∇Γλενν Ζορπεττε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΠΡΟΦΙΛΕ: ΝΙΧΗΟΛΑΣ ΝΕΓΡΟΠΟΝΤΕ
βαλλ. Ατ τηισ ποιντ ιν µψ λιφε, ηε ωριτεσ,
Ι ωασ δετερµινεδ το βε αν αρτιστ. Φατε
πλαψεδ α δι⇑ερεντ ηανδ. Αν εαρλψ αχ−
χεπτανχε φροµ Μ.Ι.Τ. ανδ µινορ πατερ−
ναλ χοαξινγ λανδεδ ηιµ ιν Χαµβριδγε
ιν 1961. Το τακε φυλλ αδϖανταγε οφ ηισ
µατη ανδ δεσιγν ταλεντσ, ηε δεχιδεδ το
στυδψ αρχηιτεχτυρε∇α δισχιπλινε ατ τηε
ιχηολασ Νεγροποντε ηασ ηαδ α Νετ φροµ ανψωηερε ατ ανψ τιµε, Ι ρεαδ ιντερσεχτιον οφ αρτ ανδ τεχηνολογψ. Ηε
βυσψ ψεαρ. Ηισ βεστ−σελλινγ βοοκ, ον ανδ ρελαξ. Τωο ωεεκσ λατερ ανδ 10 χοµπλετεδ α ⇒ϖε−ψεαρ προφεσσιοναλ δε−
Βεινγ ∆ιγιταλ∇βασεδ ον χολυµνσ δαψσ το γο, 19 παγεσ ⇒ναλλψ αρριϖε, ινταχτ. γρεε ιν φουρ ανδ ⇒νισηεδ α σεχονδ τηε
ηε ωριτεσ φορ τηε βαχκ παγε οφ Ωιρεδ
Λικε ηισ βοοκ, τηε τεξτ ηε σενδσ ισ α φολλοωινγ ψεαρ, ιν 1966. Τηατ ωασ τηε
µαγαζινε∇ωασ πυβλισηεδ ιν ϑανυαρψ. σεριεσ οφ ανεχδοτεσ. Ι ϖερψ πυρποσελψ ψεαρ Ι φελλ ιν λοϖε ωιτη χοµπυτινγ ανδ
Τηε Μεδια Λαβ ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ιν− ωριτε σηορτ χηαπτερσ, σηορτ παραγραπησ φουνδ µψσελφ ιν τηε νασχεντ περιοδ οφ
στιτυτε οφ Τεχηνολογψ, ωηιχη ηε χο− ανδ σηορτ σεντενχεσ, ηε σαψσ. Ψου χοµπυτερ−αιδεδ δεσιγν (ΧΑ∆).
φουνδεδ ιν 1985 ανδ ηασ διρεχτεδ εϖερ κνοω τηε εξπρεσσιον φροµ Πασχαλ: Ιφ Ι
∆υρινγ τηε συµµερ, Νεγροποντε πυρ−
σινχε, λαυνχηεδ α νεω ρεσεαρχη µισσιον ηαδ µορε τιµε, Ι ωουλδ ηαϖε ωριττεν συεδ τηισ νεω ιντερεστ ατ τηε ΙΒΜ Χαµ−
ιν Μαψ. Ανδ αµιδ τηε τιδαλ σηιφτσ τακινγ ψου α σηορτερ λεττερ.∏  Ι∏µ ωισηινγ Νε− βριδγε Σχιεντι⇒χ Χεντερ, ωηερε ηισ ωιφε
πλαχε ιν τελεχοµµυνιχατιονσ τηεσε δαψσ, γροποντε ωασν∏τ ον ϖαχατιον. Στιλλ, ηε ωορκεδ. Ηε ωασ τηερε φορ α ωεεκ ωηεν
Νεγροποντε, ναµεδ αν ινδυστρψ γυρυ ηασ δονε α νιχε ϕοβ οφ ωεαϖινγ σεπαρατε Μ.Ι.Τ.∏σ Στεϖεν Α. Χοονσ, τηε φατηερ οφ
βψ τηε Εχονοµιστ, ισ ιν γρεατ δε−
ΧΑ∆, ασκεδ Νεγροποντε το τεαχη
µανδ. ∆υρινγ ϑυνε, ωηιλε ηε ϖα−
ηισ µεχηανιχαλ ενγινεερινγ χουρσ−
χατιονεδ ον τηε Γρεεκ ισλανδ οφ
εσ. Τηισ βρουγητ µε βαχκ το Μ.Ι.Τ.,
Πατµοσ, ηε ωασ σωαµπεδ ωιτη
ωηερε Ι ηαϖε βεεν ον τηε φαχυλτψ
σοµε 100 Ε−µαιλ µεσσαγεσ α
εϖερ σινχε. Ηε διδ, ηοωεϖερ, σταψ
δαψ∇µορε τηαν ηαλφ φροµ ηισ
ον ατ ΙΒΜ παρτ−τιµε φορ τωο ψεαρσ,
εϖερ γροωινγ ποσσε οφ φανσ ανδ
δεϖελοπινγ α χοµπυτερ−αιδεδ αρ−
ατ λεαστ ⇒ϖε φροµ ϕουρναλιστσ ρε−
χηιτεχτυραλ δεσιγν προγραµ, τηε
θυεστινγ ιντερϖιεωσ.
ΥΡΒΑΝ σεριεσ. Τηε δεαν οφ ενγι−
Ι ωαιτ σιξ δαψσ φορ α ρεπλψ το
νεερινγ ατ Μ.Ι.Τ. ατ τηε τιµε, Γορ−
µψ οων. Τηε πρεσσ ο⇔χε ατ Μ.Ι.Τ.
δον Βροων, παρτλψ φυνδεδ τηε προϕ−
ωαρνσ µε ηε ηασ πρεχιουσ λιττλε
εχτ ανδ, σεεινγ α 16−µιλλιµετερ ⇒λµ
τιµε φορ τελεπηονε χαλλσ, φαξεσ ορ
οφ ΥΡΒΑΝ2, σιµπλψ σαιδ: Νιχηολασ,
φαχε−το−φαχε µεετινγσ. Σο ινστεαδ
ψου αρε τυρνινγ ιντο α ηαχκερ.
Ι ασκ φορ α ωεεκλψ Ε−µαιλ εξ−
Ονλψ µανψ ψεαρσ λατερ διδ Ι ρε−
χηανγε. Ον ϑυνε 4, Ιντερεστεδ?
αλιζε ωηατ α γρεατ χοµπλιµεντ τηισ
αππεαρσ: Νοτ α ωορδ Ι υσε φορ
ωασ, Νεγροποντε ωριτεσ, νοτ τηατ
ιντερϖιεωσ,∏  ιτ βεγινσ. Ι αµ βε−
ηε µεαντ ιτ ασ συχη ατ τηε τιµε.
ινγ βοµβαρδεδ τηεσε δαψσ. Ι φεε−
Νεγροποντε νοω σαψσ τηε Μεδια
βλψ φορωαρδ Φεασιβλε? τηε σαµε
Λαβ ισ µεαντ το βε α ηαχκερ∏σ ηα−
δαψ. Α ωεεκ λατερ ηε δεχιδεσ ιτ ισ
ϖεν, ωηερε πασσιον, νοτ δυτψ,
βυτ χαυτιονσ, Ι τρψ το λεαδ α
δριϖεσ ρεσεαρχη. Βυτ ηε εαγερλψ
ρατηερ πριϖατε λιφε. Ψου ωιλλ ηαϖε
αβανδονεδ ηισ οων ηαχκερ δαψσ,
το γο σλοω ον τηε περσοναλ σιδε
ωορκινγ ον τηε ΥΡΒΑΝ σεριεσ. Ι
ανδ δο µορε ον τηε Λαβ το γετ
χυτ µψ τεετη ον µαχηινε λαν−
µψ φυλλεστ χοοπερατιον.
γυαγε, λινκαγε εδιτορσ ανδ λοτσ οφ
Ασ εξπεχτεδ, Νεγροποντε ιγ−
βιγ βλυε ιρον, ηε ρεχαλλσ. Ωηεν
νορεσ µψ ⇒ρστ ρουνδ οφ φαϖοριτε− ΜΕ∆ΙΑ ΛΑΒ ∆ΙΡΕΧΤΟΡ χαλλσ τηε χεντερ αν εαρλψ− ΙΒΜ ασκεδ µε το τακε ιτ το τηε νεξτ
ωαρνινγ σψστεµ φορ τηε φυτυρε.
βρεακφαστ−φοοδ−τψπε
θυεστιονσ
λεϖελ οφ χυστοµερ υσαγε, Ι ρεαλιζεδ
ανδ σενδσ ρεεδιτεδ παρτσ φροµ
τηατ ιτ ωασ ϕυστ τοο ναιϖε αρχηιτεχ−
ηισ βοοκ. Τηεψ αρε ασ περσοναλ ασ Ι σεχτιονσ ιντο α ναρρατιϖε. Ηε βεγινσ βψ τυραλλψ. Σο ηε ϖεντυρεδ βαχκ φυλλ−τιµε
ηαϖε εϖερ βεεν, ηε ωριτεσ. Βυτ τηε λονγ εξπλαινινγ τηατ ασ α χηιλδ ηε ωασ δψσλεξ− το Μ.Ι.Τ., ωηερε ηισ ΥΡΒΑΝ εξπεριενχεσ
µεσσαγε βεχοµεσ γαρβλεδ εν ρουτε. ιχ. Σο ινστεαδ οφ ρεαδινγ, ηε σπεντ ηουρσ λεδ το α βοοκ, Τηε Αρχηιτεχτυρε Μαχηινε,
Ανοτηερ αττεµπτ, τοο, χοµεσ τηρουγη ιν πορινγ οϖερ τραιν σχηεδυλεσ, δελιγητινγ α ρεσεαρχη γρουπ οφ τηε σαµε ναµε ανδ,
πιεχεσ. Ον τηε τηιρδ τρψ, ηε χηανγεσ ιν µακινγ περφεχτ χοννεχτιονσ βετωεεν υλτιµατελψ, ηισ λιφελονγ ιντερεστ ιν δεϖελ−
χαρριερσ. Νονε οφ τηεσε σψστεµσ λικεσ οβσχυρε τοωνσ ιν Ευροπε, αν εξερχισε το οπινγ ηιγηλψ περσοναλιζεδ χοµπυτερ
λονγ µεσσαγεσ, ηε εξπλαινσ. Ιτ ισ νοτ ωηιχη ηε αττριβυτεσ σοµε οφ ηισ βυσι− σψστεµσ, ονεσ τηατ χαν ρεχογνιζε γεσ−
ϕυστ µε!
νεσσ σµαρτσ. Ι αππρεχιατε τηε ε⇑ορτ: ιν τυρεσ, φροωνσ, σµιλεσ,∏ ανδ χαν αχχοµ−
Το πασσ τηε τιµε, Ι χουντ τηε δαψσ υν− εαχη σεχτιον, ηε µαπσ ουτ µυχη οφ ηισ µοδατε εαχη περσον∏σ ιδιοσψνχρασιεσ.
τιλ µψ στορψ ισ δυε, σιφτινγ τηρουγη ρε− οων χαρεερ, λινκινγ ιντερεστσ, πεοπλε,
Ορ ινιτιαλλψ, εαχη γερβιλ∏σ. Τηε ⇒ρστ
ϖιεωσ ανδ χλιππινγσ. Μανψ σαψ µυχη οφ προϕεχτσ ανδ σπονσορσ.
προϕεχτ φροµ Αρχη Μαχη, ασ τηε ΧΑ∆
τηε σαµε. Ναιϖελψ, Ι τηουγητ τηατ Βεινγ
Τηερε αρε νο µαϕορ δελαψσ. Αφτερ τακ− λαβορατορψ ηε φουνδεδ ωασ χαλλεδ, ωασ
∆ιγιταλ ωουλδ γετ µε ουτ οφ τηε βροκεν− ινγ ηισ χολλεγε βοαρδσ ιν Σωιτζερλανδ ατ αν εξηιβιτ φορ α σηοω ιν 1970 ατ τηε ϑεω−
ρεχορδ µοδε, Νεγροποντε αδµιτσ ιν αγε 15, ρεχειϖινγ α περφεχτ σχορε οφ 800 ιση Μυσευµ ιν Νεω Ψορκ Χιτψ. Ιτ ωασ
ονε τρανσµισσιον. Ι φεελ Ι ρεπεατ µψ− ιν ηισ µατη αχηιεϖεµεντσ, ηε αττενδεδ αν αµαζινγ ροβοτιχ σψστεµ ιν ωηιχη γερ−
σελφ αλλ τηε τιµε. Κνοωινγ ηε τραϖελσ α Υ.Σ. πρεπ σχηοολ ωηερε ηε µαναγεδ βιλσ∇ψεσ∇µορε ορ λεσσ χοντρολλεδ α ρο−
ωιτη 70−οδδ αδαπτερσ ανδ σπαρε αχχεσσ το σωεετ−ταλκ τηε ηεαδµαστερ ιντο λετ− βοτ το αρρανγε τηε γεοµετρψ οφ τηειρ
αχχουντσ το βε αβλε το χοννεχτ το τηε τινγ ηιµ συβστιτυτε σχυλπτυρε φορ φοοτ− δωελλινγ πλαχε, εξπλαινσ Μαρϖιν Μινσκψ,
Τηε Γυρυ οφ Χψβερσπαχε
LOUIS PSIHOYOS Matrix
Ν
50
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ονε οφ Νεγροποντε∏σ ηεροεσ ανδ α Με−
δια Λαβ χολλεαγυε. Ιφ τηεψ πυσηεδ σοµε−
τηινγ ουτ οφ τηε ωαψ ενουγη τιµεσ, τηε
µαχηινε ωουλδ µοϖε ιτ σοµεωηερε
ελσε. Ιτ διδ ωορκ. Τηε προβλεµσ, Νεγρο−
ποντε νοτεσ, ωερε κεεπινγ τηε γερβιλσ
αωακε ανδ δεαλινγ ωιτη χονχερνσ εξ−
πρεσσεδ βψ τηε Αµεριχαν Σοχιετψ φορ τηε
Πρεϖεντιον οφ Χρυελτψ το Ανιµαλσ (τηε
ροβοτ ωουλδ οχχασιοναλλψ σειζε αν υν−
συσπεχτινγ γερβιλ) ανδ α ωοµεν∏σ οργα−
νιζατιον (τηε γερβιλσ ωερε αλλ µαλε).
Βαχκ ατ Μ.Ι.Τ., λεσσ ζανψ ωορκ ωασ
προχεεδινγ, ωηιχη µορε ανδ µορε
εϖολϖεδ τηε ιδεα οφ περσοναλιζεδ χοµ−
πυτινγ, ηε χοντινυεσ. Ιν 1976 τηε γρουπ
δεϖισεδ τηε νοτιον οφ α Σπατιαλ ∆ατα
Μαναγεµεντ Σψστεµ, ορ Σ∆ΜΣ, α σεµι−
ναλ στεπ ιν τηε δεϖελοπµεντ οφ µυλτι−
µεδια. Τηε ιδεα, ιν βριεφ, ωασ τηατ πεο−
πλε ωουλδ µορε ρεαδιλψ ιντεραχτ ωιτη
χοµπυτερσ ιφ τηεψ χουλδ αχχεσσ δατα ασ
τηεψ διδ ανψ οτηερ νεεδεδ οβϕεχτ∇βψ
ρεαχηινγ φορ ιτ. Τηε σινγλε µοστ ιµπορ−
ταντ παρτ οφ Σ∆ΜΣ, Νεγροποντε σαψσ,
ωασ ∆αταλανδ: α δεµονστρατιον ροοµ
εθυιππεδ ωιτη αν ινστρυµεντεδ Εαµεσ
χηαιρ, α ωαλλ−σιζε χολορ δισπλαψ ανδ οχ−
τοπηονιχ σουνδ. Σοµεονε σιττινγ ιν τηε
χηαιρ χουλδ ⇓ψ οϖερ ∆αταλανδ ασ ιφ ιτ
ωερε α λανδσχαπε, τουχηινγ δοων ον
χαλχυλατορσ, ελεχτρονιχ βοοκσ ορ µαπσ.
Σ∆ΜΣ ωασ σο φαρ αηεαδ οφ ιτσ τιµε
τηατ ιτσ ιµπαχτ ωασ µοστλψ λοστ, Νεγρο−
ποντε ωριτεσ. Ινδεεδ, ∆αταλανδ δρεω ηισ
⇒ρστ νοµινατιον φορ τηε Γολδεν Φλεεχε
Αωαρδ, ωηιχη Σενατορ Ωιλλιαµ Προξµιρε
οφ Ρηοδε Ισλανδ γαϖε το τηοσε φεδεραλλψ
φυνδεδ ρεσεαρχη προγραµσ ηε δεεµεδ
γρατυιτουσ. Ι δον∏τ κνοω ηοω µανψ
τιµεσ Ι ηαϖε βεεν νοµινατεδ, Νεγρο−
ποντε ωριτεσ. Προξµιρε∏σ ο⇔χε ωασ
χαγεψ ανδ χοψ. Ιν ρετροσπεχτ, ιτ ισ εασψ το
ωαντ το ηαϖε ωον. Ιτ ισ αλωαψσ νιχε το
βε χονσιδερεδ τοταλλψ ωρονγ ανδ τηεν
προϖεδ ριγητ. ∆αταλανδ ωασ τηε ⇒ρστ
χοµπυτερ ιντερφαχε το ρελψ ον α δεσκτοπ
µεταπηορ. Ανδ αλτηουγη µανψ οφ τηε
ιδεασ βεηινδ Αππλε∏σ Μαχιντοση δεσιγν
χαµε φροµ Ξεροξ, τηε υσε οφ ιχονσ, ανδ
τηε ναµε ιτσελφ, χαµε φροµ Αρχη Μαχη.
Αλσο δυρινγ τηε 1970σ, Νεγροποντε∏σ
τεαµ φοργεδ τηε λινκ βετωεεν χοµπυτερ
γραπηιχσ ανδ τελεϖισιον ανδ βροκε νεω
γρουνδ ιν ιντεραχτιϖε µοϖιεσ ανδ τελε−
χονφερενχινγ. Νιχηολασ ηασ α γρεατ ωαψ
το κεεπ ρεσεαρχη ον τηε φορεφροντ, Μιν−
σκψ ρεπορτσ. Ωηεν σοµετηινγ βεχοµεσ
γενεραλλψ αχχεπτεδ ανδ ποπυλαρ, ηε εν−
χουραγεσ τηε λαβ το αβανδον ιτ! ΝΝ οφ−
τεν υνδερστανδσ ωηατ ωιλλ βε ιµπορταντ
ψεαρσ βεφορε οτηερσ δο ανδ ενχουραγεσ
προϕεχτσ ιν τηοσε αρεασ.
Νοτ εϖερψονε ατ Μ.Ι.Τ. ηασ πυτ συχη
φαιτη ιν ΝΝ∏σ ϕυδγµεντ οϖερ τηε ψεαρσ.
Ωηεν ηε προποσεδ ιν 1978 τηατ Μ.Ι.Τ.
βυιλδ α νεω αρτσ ανδ µεδια τεχηνολογψ
λαβορατορψ το εξπλορε τηε χονϖεργενχε
52
οφ τηε βροαδχαστ, πυβλισηινγ ανδ χοµ−
πυτερ ινδυστριεσ, σοµε πεοπλε φουνδ
τηε ιδεα λυδιχρουσ, ηε χονχεδεσ. Βυτ
ϑεροµε Β. Ωιεσνερ, ανοτηερ ηερο ανδ
πρεσιδεντ οφ Μ.Ι.Τ. ατ τηε τιµε, διδ νοτ.
Ιν 1979 Μ.Ι.Τ.∏σ χορπορατιον γαϖε τηε γο−
αηεαδ, ανδ Νεγροποντε ανδ Ωιεσνερ σετ
φορτη το ραισε ∃12 µιλλιον. Φιϖε ψεαρσ,
τωο µιλλιον µιλεσ ανδ ∃50 µιλλιον λατερ,
τηε Μεδια Λαβ εξιστεδ.
Ωιτη Ωιρεδ, Βεινγ
∆ιγιταλ ανδ εϖεν ψου,
Ι αµ φαρ τοο πυβλιχ φορ
µψ Μεδια Λαβ ϕοβ.
Σηορτλψ αφτερ ιτσ δοορσ οπενεδ ιν 1985,
τηε Μεδια Λαβ τοοκ ο⇑, νεαρλψ δουβλινγ
ιτσ ινχοµε εαχη ψεαρ. Βεχαυσε τελεχοµ−
µυνιχατιονσ ωερε σνι⇔νγ ατ τηε ινφορ−
µατιον βυσινεσσ, ανδ χοµπυτερ χοµπα−
νιεσ ωερε ωορριεδ αβουτ τηειρ δεχλινινγ
µαργινσ, ιτ ωασ ηαρδ φορ τηε Μεδια Λαβ
νοτ το γροω, ηε σαψσ. Νοω, οφ χουρσε,
τηε τωο ινδυστριεσ αρε µοϖινγ τοωαρδ
τηε αλταρ∇αλτηουγη ιτ ισ υνχλεαρ ωηατ
τηισ υνιον ωιλλ προδυχε. Τηε λεγαλ ανδ
εχονοµιχ ισσυεσ αρε ηαρδερ το υνδερ−
στανδ τηαν τηε τεχηνιχαλ ονεσ, ηε ωριτεσ.
Τηε λαω ισ ⇓αππινγ αρουνδ λικε α δεαδ
⇒ση∇ωηιχη ισ αν εαρλψ ωαρνινγ αβουτ
τηε χοµπλεξιτψ τηατ λιεσ αηεαδ. Ηε αδ−
ϖοχατεσ χοµπλετε δερεγυλατιον το λετ
χοµπετιτιον δεχιδε.
Αλτηουγη τηε Μεδια Λαβ βεγαν χουρτ−
ινγ τελεχοµµυνιχατιονσ ανδ χοµπυτερ
χοµπανιεσ ατ τηε ριγητ τιµε, Νεγροποντε
χρεδιτσ µυχη οφ ιτσ συχχεσσ το Ωιεσνερ:
Ηε ταυγητ µε εϖερψτηινγ Ι κνοω αβουτ
βεινγ εντρεπρενευριαλ ιν αν αχαδεµιχ
σεττινγ. Νεγροποντε ηασ λεαρνεδ αωαψ
φροµ Μ.Ι.Τ. ασ ωελλ. Ηε ισ α σπεχιαλ γεν−
εραλ παρτνερ ιν α ϖεντυρε−χαπιταλ φυνδ
τηατ ⇒νανχεσ σταρτ−υπ ινφορµατιον ανδ
εντερταινµεντ χοµπανιεσ. Ηε περσοναλ−
λψ ινϖεστεδ ιν Ωιρεδ βεχαυσε τηε πεο−
πλε ωερε περφεχτ, ανδ τηε τιµινγ ωασ
περφεχτ. Ανδ ηε ηασ πυτ ηισ οων µονεψ
ον ηολογραπηιχ χηοχολατεσ. (Ιτ ηασν∏τ
γονε βελλψ−υπ, ηε ωριτεσ. Τηε ρεαλ ωιν−
νερ ωιλλ βε λολλιποπσ, βεχαυσε ψου ηολδ
τηεµ το βεστ αδϖανταγε∇φορ α τρανσ−
µισσιον ηολογραµ∇ανδ ψου χαν ιµαγ−
ινε τηε ιµαγε χηανγινγ ασ ψου λιχκ.)
Ωιεσνερ, ηε σαψσ, αλσο ταυγητ ηιµ ηοω
το ρυν α λαβ: Ψου ωορκ φορ τηε φαχυλτψ,
ανδ τηε βεστ φαχυλτψ αρε υσυαλλψ τηε βιγ−
γεστ παινσ, βυτ ωορτη ιτ. Ασ εξαµπλεσ,
ηε ο⇑ερσ Μεδια Λαβ λεγενδσ Σεψµουρ
Α. Παπερτ, ωηο ινιτιαλλψ χο−διρεχτεδ τηε
Αρτι⇒χιαλ Ιντελλιγενχε λαβ ωιτη Μινσκψ,
ανδ τηε λατε Μυριελ Ρ. Χοοπερ, δεσχριβεδ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ασ τηε λαβ∏σ πριµαρψ δεσιγν φορχε. Τηε
ε⇑ορτ παιδ ο⇑. Τεν ψεαρσ αγο ωε ωερε
χονσιδερεδ αλλ ιχινγ ανδ νο χακε, Νε−
γροποντε ωριτεσ. Τηατ ηασ γονε αωαψ.
Βυτ πεοπλε στιλλ τηινκ ωε αρε ισολατεδ.
Ιν στψλε, ιφ νοτ ιν σχιενχε, τηεψ αρε. Τηε
σλεεκ, ωηιτε, τιλεδ βυιλδινγ ωηερε τηε
Μεδια Λαβ ισ ηουσεδ, δεσιγνεδ βψ Ι. Μ.
Πει (ψετ ανοτηερ ηερο), στανδσ ιν σηαρπ
χοντραστ το τηε γραψ χονχρετε µαζε
ωηερε µοστ εϖερψονε ελσε ωορκσ. Τηε
αιµ λιεσ µορε ιν δεµονστρατινγ νεω
ιδεασ τηαν ιν βυιλδινγ µαρκεταβλε προδ−
υχτσ. Υνλικε τηε βοοτ−χαµπ αττιτυδε το−
ωαρδ τεαχηινγ ανδ ρεσεαρχη ατ οτηερ
δεπαρτµεντσ, τηε λαβ τριεσ το γιϖε ψουνγ
φαχυλτψ ροπε, νοτ δυτιεσ, το προϖε τηεµ−
σελϖεσ. Τηε γραχε περιοδ, Μινσκψ σαψσ,
ισ µαδε ποσσιβλε ιν παρτ βψ α βυ⇑ερινγ
οφ φυτυρε φυνδσ, ωηιχη γυση ιν νοτ ονλψ
φροµ ολδ φριενδσ οφ Μ.Ι.Τ., συχη ασ ΙΒΜ
ανδ Ηεωλεττ−Παχκαρδ, βυτ φροµ γρεενερ
φριενδσ ιν Τινσελτοων ανδ Τοκψο ασ
ωελλ. Ανδ Νεγροποντε ισ φαρ µορε ϖισι−
βλε τηαν µοστ Μ.Ι.Τ. αδµινιστρατορσ.
Ωιτη Ωιρεδ, Βεινγ ∆ιγιταλ ανδ εϖεν
ψου, Ι αµ φαρ τοο πυβλιχ φορ µψ Μεδια
Λαβ ϕοβ, ηε δεχλαρεσ. (Α ρεϖιεω οφ Βεινγ
∆ιγιταλ αππεαρσ ον παγε 214.) Ι αµ τρψ−
ινγ το βε α νουϖεαυ Ψανκεε, λεαρνινγ
σλοωλψ ανδ ηοπινγ το αϖοιδ αττεντιον.
Βυτ γιϖεν ηισ ινφεχτιουσ οπτιµισµ ανδ
⇓αιρ φορ πρεσεντινγ τηε φυτυρε, ιτ∏σ νοτ
εασψ. Ασ Νεγροποντε σεεσ ιτ, ωε ωιλλ αλλ
σοον βε βλεσσεδ ωιτη χοµπυτερ ιντερ−
φαχεσ ασ πλεασαντ ανδ περσοναβλε ασ α
ωελλ−τραινεδ βυτλερ. Τηεψ ωιλλ ηανδλε ουρ
α⇑αιρσ, ασσεµβλε περσοναλιζεδ νεωσ−
παπερσ ανδ ηελπ το φρεε υσ φροµ τηε
χονστραιντσ οφ τιµε ανδ πλαχε. Τηε Με−
δια Λαβ∏σ νεωεστ εντερπρισε, χαλλεδ
Τηινγσ Τηατ Τηινκ, αιµσ το ινϖεντ ωαψσ
φορ µακινγ εϖερψτηινγ φροµ χυ⇑ λινκσ
το χοατσ µορε αχχοµµοδατινγ. Βεινγ
διγιταλ, ωηατεϖερ ιτ µεανσ, ηε ωριτεσ,
µεανσ ηαϖινγ ιτ ψουρ ωαψ.
Ωιτη συχη α πιτχη, ιτ ισ ονλψ νατυραλ
τηατ µανψ πεοπλε πεστερ ηιµ φορ δεταιλσ.
Χριτιχσ συχη ασ Χλι⇑ Στολλ, τηε αυτηορ οφ
Σιλιχον Σνακε Οιλ, ωαρν τηατ βεινγ διγι−
ταλ ωιλλ χρεατε λονελψ λεγιονσ οφ ον−λινε
αδδιχτσ. Νεγροποντε, ωηο δεσχριβεσ
ηιµσελφ ασ α χοµπυλσιϖε υσερ οφ Ε−µαιλ
φορ τηε παστ 25 ψεαρσ, σαψσ τηισ χηαργε
µακεσ ηιµ λαυγη. Εϖερ εντηυσιαστιχ, ηε
αργυεσ τηατ ιφ ανψτηινγ, βεινγ διγιταλ
στανδσ το ιµπροϖε εϖερψονε∏σ λιφε∇εξ−
χεπτ µαψβε τηοσε ολδερ γενερατιονσ τοο
βυσψ το χατχη υπ. Ιτ ηασ χλεαρλψ ωορκεδ
φορ ηιµ. Α Ωιρεδ ρεαδερ τολδ µε ονχε,
Γετ α λιφε,∏ ωηιχη Ι ρεαδ φροµ τηε βαχκ
οφ α ψαχητ ιν τηε Αεγεαν, ωηιλε εατινγ
φρεση σεα υρχηινσ ανδ δρινκινγ τερρι⇒χ
Μοντραχηετ, ηε ωριτεσ. Ι ηαϖε γοτ α λιφε
ανδ α νιχε ονε. Σαµε ωιφε, σαµε ηουσε,
σαµε χαρ, σαµε βοατ, νεω βυλλδογ (βε−
χαυσε τηε ολδ ονε διεδ). Βυτ τηατ λιφε ισ
πρεττψ πριϖατε.
∇Κριστιν Λευτωψλερ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΙΝΤΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ
Τηε Υνχερταιντιεσ
οφ Τεχηνολογιχαλ Ιννοϖατιον
Even the greatest ideas and inventions
can flounder, whereas more modest steps
forward sometimes change the world
βψ ϑοην Ρεννιε
Τ
ηε φυτυρε ισ νοτ ωηατ ιτ υσεδ το βε, ωροτε τηε ποετ
Παυλ ςαλŽρψ δεχαδεσ αγο, ανδ ιτ ωουλδ νοτ βε ηαρδ το
σηαρε ιν ηισ δισαπποιντµεντ τοδαψ. Ασ χηιλδρεν, µανψ
οφ υσ ωερε ασσυρεδ τηατ ωε ωουλδ ονε δαψ λιϖε ιν α ωορλδ οφ
τεχηνολογιχαλ µαρϖελσ. Ανδ σο ωε δο∇βυτ, βψ ανδ λαργε, νοτ
τηε ονεσ φορετολδ. Φιλµσ, τελεϖισιον, βοοκσ ανδ Ωορλδ∏σ Φαιρσ
προµισεδ τηατ τηε τωιλιγητ οφ τηε 20τη χεντυρψ ανδ τηε δαων
οφ τηε 21στ ωουλδ βε αν ερα οφ ηελπφυλ ροβοτ σερϖαντσ, ⇓ψινγ
ϕετ χαρσ, µοον χολονιεσ, εασψ σπαχε τραϖελ, υνδερσεα χιτιεσ,
ωριστ ϖιδεοπηονεσ, παπερ χλοτηεσ, δισεασε−φρεε λιϖεσ ανδ, οη,
ψεσ, τηε 20−ηουρ ωορκ ωεεκ. Ωηατ ωεντ ωρονγ?
Φεω οφ τηε προµισεδ τεχηνολογιεσ φαιλεδ φορ λαχκ οφ ιντερ−
εστ. Νορ ωασ ιτ υσυαλλψ τηε χασε τηατ τηεψ ωερε βασεδ ον ερρο−
νεουσ πρινχιπλεσ, λικε τηε περπετυαλ µοτιον µαχηινεσ τηατ
ϖεξ πατεντ ο⇔χεσ. Θυιτε οφτεν, τηεσε ινϖεντιονσ σεεµεδ το
ωορκ. Σο ωηψ δο βαδ τηινγσ ηαππεν το γοοδ τεχηνολογιεσ?
Ωηψ δο σοµε ιννοϖατιονσ φαλλ σο φαρ σηορτ οφ ωηατ ισ εξπεχτ−
εδ οφ τηεµ, ωηερεασ οτηερσ συχχεεδ βριλλιαντλψ?
Ονε ρεχυρρινγ ρεασον ισ τηατ εϖεν τηε µοστ κνοωλεδγεαβλε
φορεχαστερσ αρε σοµετιµεσ µυχη τοο οπτιµιστιχ αβουτ τηε
σηορτ−ρυν προσπεχτσ φορ συχχεσσ. Τωο δεχαδεσ αγο, φορ εξαµ−
πλε, βυιλδινγ α σελφ−χονταινεδ αρτι⇒χιαλ ηεαρτ σεεµεδ λικε α ρεα−
σοναβλε, αχηιεϖαβλε εαρλψ γοαλ∇νοτ α σιµπλε χηορε, οφ χουρσε,
βυτ α στραιγητφορωαρδ ονε. Τηε ηεαρτ, αφτερ αλλ, ισ ϕυστ α φουρ−
χηαµβερεδ πυµπ; συρελψ ουρ βεστ βιοµεδιχαλ ενγινεερσ χουλδ
βυιλδ α πυµπ! Βυτ χονστρυχτινγ α πυµπ χοµπατιβλε ωιτη τηε
δελιχατε τισσυεσ ανδ συβτλε χηεµιστρψ οφ τηε βοδψ ηασ προϖεδ
ελυσιϖε. Ιν µανψ ωαψσ, συργεονσ ηαϖε ηαδ φαρ µορε λυχκ ωιτη
τρανσπλαντινγ οργανσ φροµ ονε βοδψ το ανοτηερ ανδ συβδυ−
ινγ (τηρουγη τηε δρυγ εθυιϖαλεντ οφ βρυτε φορχε) τηε χοµπλεξ
ιµµυνολογιχ ρεϕεχτιον ρεαχτιονσ.
Σιµιλαρλψ, φροµ τηε 1950σ τηρουγη τηε εαρλψ 1970σ, µοστ
αρτι⇒χιαλ−ιντελλιγενχε ρεσεαρχηερσ ωερε σµοοτηλψ χον⇒δεντ οφ
τηειρ αβιλιτψ το σιµυλατε ανοτηερ οργαν, τηε βραιν. Τηεψ αρε
µορε ηυµβλε τηεσε δαψσ: αλτηουγη τηειρ ωορκ ηασ γιϖεν ρισε
το σοµε ναρροω συχχεσσεσ, συχη ασ µεδιχαλ−διαγνοστιχ εξπερτ
σψστεµσ ανδ ελεχτρονιχ χηεσσ γρανδµαστερσ, ρεπλιχατινγ ανψ−
τηινγ λικε ρεαλ ηυµαν ιντελλιγενχε ισ νοω ρεχογνιζεδ ασ φαρ
µορε αρδυουσ.
Τηε µορε φυνδαµενταλ προβλεµ ωιτη µοστ τεχηνολογψ πρε−
διχτιονσ, ηοωεϖερ, ισ τηατ τηεψ αρε σιµπλιστιχ ανδ, ηενχε, υν−
ρεαλιστιχ. Α γοοδ τεχηνολογψ µυστ βψ δε⇒νιτιον βε υσεφυλ. Ιτ
µυστ βε αβλε το συρϖιϖε ⇒ερχε βυ⇑ετινγ βψ µαρκετ φορχεσ,
εχονοµιχ ανδ σοχιαλ χονδιτιονσ, γοϖερνµενταλ πολιχιεσ, θυιρκψ
τιµινγ, ωηιµσ οφ φασηιον ανδ αλλ τηε ϖαγαριεσ οφ ηυµαν να−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
τυρε ανδ χυστοµ. Ωηατ ωουλδ−βε Νοστραδαµυσ ισ πρεπαρεδ το
φαχτορ ιν τηατ µανψ χοντινγενχιεσ?
Σαδλψ, σοµε ινϖεντιονσ αρε ιµµενσελψ αππεαλινγ ιν χον−
χεπτ βυτ ϕυστ νοτ ϖερψ γοοδ ιν πραχτιχε. Τηε Βυχκ Ρογερσ∠
στψλε ϕετπαχκ ισ ονε. Ωιτη τηε ενχουραγεµεντ οφ τηε µιλιταρψ,
ενγινεερσ δεσιγνεδ ανδ βυιλτ προτοτψπεσ δυρινγ τηε 1960σ.
Ασ σχενε−στεαλινγ προπσ ιν µοϖιεσ συχη ασ Τηυνδερβαλλ, ϕετ−
παχκσ εµβοδιεδ τοµορροω∏σ σοαρινγ ηιγη−τεχη φρεεδοµ: ⇓ψ
το ωορκ, ⇓ψ το σχηοολ, ⇓ψ το τηε µαρκετ∇
Βυτ πραχτιχαλ χονσιδερατιονσ κεπτ ϕετπαχκσ γρουνδεδ. Τηε
ωειγητ οφ τηε φυελ αλµοστ λιτεραλλψ σανκ τηε ιδεα. Τηε αµουντ
ρεθυιρεδ το ⇓ψ αν αππρεχιαβλε διστανχε ραπιδλψ βεχαµε ιµ−
πραχτιχαλ το ατταχη το α υσερ∏σ βαχκ. Τηε παχκσ αλσο διδ νοτ
µανευϖερ ϖερψ ωελλ. Φιναλλψ, τηε µιλιταρψ χουλδ νοτ δε⇒νε
ενουγη µισσιονσ τηατ χαλλεδ φορ λαυνχηινγ ινφαντρψ ιντο τηε
αιρ (ωηερε τηεψ µιγητ βε εασψ ταργετσ φορ σνιπερσ) το ϕυστιφψ
τηε εξπενσε οφ µαινταινινγ τηε προγραµ.
Το συρϖιϖε, α χοµµερχιαλ τεχηνολογψ µυστ νοτ ονλψ ωορκ
ωελλ, ιτ µυστ χοµπετε ιν τηε µαρκετπλαχε. ∆υρινγ τηε 1980σ,
µανψ αναλψστσ τηουγητ ινδυστριαλ ροβοτιχσ ωουλδ τακε ο⇑.
Φαχτορψ µαναγερσ δισχοϖερεδ, ηοωεϖερ, τηατ ροβοτιχιζινγ αν
ασσεµβλψ λινε µεαντ µορε τηαν ωηεελινγ τηε ολδ µαχηινεσ
ουτ ανδ τηε ροβοτσ ιν. Ιν µανψ χασεσ, τυρνινγ το ροβοτσ
ωουλδ ινϖολϖε χοµπλετελψ ρετηινκινγ (ανδ ρεδεσιγνινγ ) α
µανυφαχτυρινγ πλαντ∏σ οπερατιονσ. Ροβοτσ ωερε ινσταλλεδ ιν
µανψ φαχτοριεσ ωιτη γοοδ ρεσυλτσ, παρτιχυλαρλψ ιν τηε αυτοµο−
βιλε ινδυστρψ, βυτ µαναγερσ οφτεν φουνδ τηατ ιτ ωασ µορε
εχονοµιχαλ το υπγραδε ωιτη λεσσ ϖερσατιλε, λεσσ ιντελλιγεντ βυτ
µορε χοστ−ε⇑εχτιϖε χονϖεντιοναλ µαχηινεσ. (Εξπερτσ στιλλ δισ−
αγρεε αβουτ ωηετηερ φυρτηερ αδϖανχεσ ιν ροβοτιχσ ωιλλ εϖεν−
τυαλλψ τιπ τηισ βαλανχε.)
Μανψ ονλοοκερσ τηουγητ σιλιχον−βασεδ σεµιχονδυχτορσ
ωουλδ βε ρεπλαχεδ βψ φαστερ δεϖιχεσ µαδε οφ νεω µατεριαλσ,
συχη ασ γαλλιυµ αρσενιδε, ορ ωιτη νεω αρχηιτεχτυρεσ, συχη ασ
συπερχονδυχτινγ ϑοσεπησον ϕυνχτιον σωιτχηεσ. Τηε ηυγε Ρ&∆
βασε ασσοχιατεδ ωιτη σιλιχον, ηοωεϖερ, ηασ χοντινυεδ το ρε⇒νε
ανδ ιµπροϖε τηε εξιστινγ τεχηνολογψ. Ρεσυλτ : σιλιχον ωιλλ αλ−
µοστ χερταινλψ ρεµαιν τηε σεµιχονδυχτορ οφ χηοιχε φορ µοστ
προδυχτσ φορ ατ λεαστ ασ λονγ ασ τηε χυρρεντ χηιπ−µακινγ τεχη−
νολογψ συρϖιϖεσ. Ιτσ ριϖαλσ αρε ⇒νδινγ ωορκ, τοο, βυτ ιν σπε−
χιαλιζεδ νιχηε αππλιχατιονσ.
Ονε προϕεχτεδ χοµµερχιαλ παψο⇑ οφ τηε σπαχε προγραµ ισ
συπποσεδ το βε τηε δεϖελοπµεντ οφ ορβιτινγ µανυφαχτυρινγ
φαχιλιτιεσ. Ιν τηεορψ, υνδερ ωειγητλεσσ χονδιτιονσ, ιτ σηουλδ βε
ποσσιβλε το φαβριχατε βαλλ βεαρινγσ, γροω σεµιχονδυχτορ χρψσ−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
57
ΙΝΤΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ
ταλσ ανδ πυριφψ πηαρµαχευτιχαλσ ωιτηουτ ιµπερφεχτιονσ χαυσεδ
βψ γραϖιτψ. Ψετ τηε χοστσ ασσοχιατεδ ωιτη σπαχε⇓ιγητ ρεµαιν
ηιγη, ωηιχη µεανσ τηατ βυιλδινγ τηεσε φαχτοριεσ ιν σπαχε ανδ
λοφτινγ ραω µατεριαλσ το τηεµ ωουλδ βε νειτηερ εασψ νορ ιν−
εξπενσιϖε. Μορεοϖερ, ιµπροϖεµεντσ ιν χοµπετινγ γρουνδ−
βασεδ τεχηνολογιεσ αρε χοντινυινγ το εατ αωαψ ατ τηε ϕυστι⇒−
χατιον φορ βυιλδινγ τηε ζερο−γραϖιτψ φαχιλιτιεσ.
Γοϖερνµεντ πολιχιεσ ανδ δεχισιονσ χαν αλσο ιν⇓υενχε τηε
δεϖελοπµεντ οφ νεω τεχηνολογιεσ. Ψαων−ινδυχινγ φεδεραλ δε−
χισιονσ αβουτ στανδαρδσ φορ ελεχτρονιχ δεϖιχεσ ανδ τηε αϖαιλ−
αβιλιτψ οφ τηε βροαδχαστ σπεχτρυµ φορ χοµµερχιαλ υσε ινδι−
ρεχτλψ διχτατε τηε ρατε ανδ ρεσυλτσ οφ ελεχτρονιχ δεϖιχε δεϖελ−
οπµεντ. Ιντερνατιοναλ δισπυτεσ αβουτ ωηο οωνσ τηε µινεραλ
ριγητσ το τηε σεα⇓οορ σαππεδ τηε ινχεντιϖε τηατ µανψ να−
τιονσ ανδ χορπορατιονσ ηαδ το ινϖεστ ιν υνδερσεα µινινγ
τεχηνολογιεσ. Χοµπετινγ ινδυστριαλ
στανδαρδσ χαν αλσο στψµιε προγρεσσ∇
ωιτνεσσ τηε ωρανγλεσ τηατ φροζε ωορκ
ον ηιγη−δε⇒νιτιον τελεϖισιον.
Ανδ σοµετιµεσ τηε ωορτη οφ ονε
τεχηνολογψ δοεσ νοτ ρεαλλψ βεχοµε
χλεαρ υντιλ οτηερ σµαλλ βυτ χρυχιαλ ιν−
ϖεντιονσ ανδ δισχοϖεριεσ πυτ τηεµ
ιν περσπεχτιϖε. Περσοναλ χοµπυτερσ
λοοκεδ λικε µερε χυριοσιτιεσ φορ ηοβ−
βψιστσ φορ µανψ ψεαρσ; νοτ υντιλ ∆αν Βριχκλιν ανδ Μιτχηελλ Κα−
πορ ινϖεντεδ τηε ⇒ρστ σπρεαδσηεετ προγραµσ διδ περσοναλ
χοµπυτερσ στανδ ουτ ασ υσεφυλ βυσινεσσ τοολσ. Χ∆−ΡΟΜσ διδ
νοτ σταρτ το βεχοµε χοµµον αχχεσσοριεσ οφ ΠΧσ υντιλ τηε
ηυγε σιζε οφ σοµε προγραµσ, παρτιχυλαρλψ ρεφερενχε ωορκσ
ανδ ιντεραχτιϖε γαµεσ, µαδε τηε οπτιχαλ δισκσ χονϖενιεντ αλ−
τερνατιϖεσ το χηεαπερ βυτ λεσσ χαπαχιουσ ⇓οππιεσ.
Ιν σηορτ, τηε αβστραχτ θυαλιτψ οφ αν ιννοϖατιον µαττερσ νοτ
ατ αλλ. Βυιλδ α βεττερ µουσετραπ, ανδ τηε ωορλδ µαψ βεατ α
πατη το ψουρ δοορ∇ιφ ιτ δοεσν∏τ βυιλδ α βεττερ µουσε ινστεαδ,
ορ τιε υπ ψουρ γαδγετ ιν ενϖιρονµενταλ−ιµπαχτ ανδ ανιµαλ−
χρυελτψ ρεγυλατιονσ.
Οφ χουρσε, µανψ τεχηνολογιεσ δο συχχεεδ ωιλδλψ βεψονδ
ανψονε∏σ δρεαµσ. Τρανσιστορσ, φορ ινστανχε, ωερε ατ ⇒ρστ σεεν
µερελψ ασ δεϖιχεσ φορ αµπλιφψινγ ραδιο σιγναλσ ανδ λατερ ασ
στυρδιερ ρεπλαχεµεντσ φορ ϖαχυυµ τυβεσ. Ηο−ηυµ. Ψετ τηειρ
σολιδ−στατε νατυρε αλσο µεαντ τηεψ χουλδ βε µασσ−προδυχεδ
ανδ µινιατυριζεδ ιν ωαψσ τηατ ϖαχυυµ τυβεσ χουλδ νοτ, ανδ
τηειρ ρελιαβιλιτψ µεαντ τηατ λαργερ δεϖιχεσ ινχορπορατινγ γρεατ−
ερ νυµβερσ οφ χοµπονεντσ ωουλδ βε φεασιβλε. ( Βυιλδινγ τηε
εθυιϖαλεντ οφ α µοδερν χοµπυτερ ωιτη ϖαχυυµ τυβε σωιτχη−
εσ ινστεαδ οφ τρανσιστορσ ωουλδ βε ιµποσσιβλε. Νοτ ονλψ
ωουλδ ιτσ σιζε µακε ιτ τοο σλοω, τηε τενσ οφ µιλλιονσ οφ τυβεσ
ωουλδ βρεακ δοων σο φρεθυεντλψ τηατ τηε µαχηινε ωουλδ βε
περµανεντλψ ον τηε φριτζ.)
Οφ τηοσε αδϖανταγεσ, τηε µιχροελεχτρονιχ ρεϖολυτιον ωασ
βορν. Σιµιλαρ Ηορατιο Αλγερ στοριεσ χαν βε τολδ φορ λασερσ, ⇒βερ
οπτιχσ, πλαστιχσ, πιεζοελεχτριχ χρψσταλσ ανδ οτηερ λινχηπινσ οφ
τηε µοδερν ωορλδ. Ιν φαχτ, ιτ ισ τεµπτινγ το τηινκ τηατ µοστ
γρεατ ιννοϖατιονσ αρε υνφορεσεεν, ιφ νοτ υνφορεσεεαβλε. Ασ
χοµπυτερ σχιεντιστσ Ωηιτ⇒ελδ ∆ι⇑ιε ανδ ϑοην ΜχΧαρτηψ ρε−
µινδεδ πανελιστσ τηισ παστ σπρινγ ατ α πυβλιχ δισχυσσιον ον
τηε φυτυρε ηοστεδ βψ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, Α τεχηνολογψ−
οφ−τηε−20τη−χεντυρψ σψµποσιυµ ηελδ ιν 1895 µιγητ νοτ ηαϖε
µεντιονεδ αιρπλανεσ, ραδιο, αντιβιοτιχσ, νυχλεαρ ενεργψ, ελεχ−
τρονιχσ, χοµπυτερσ ορ σπαχε εξπλορατιον.
Γιϖεν τηε πιτφαλλσ οφ προγνοστιχατιον, ωηψ ωουλδ ΣΧΙΕΝΤΙΦ−
ΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ δαρε το ϖεντυρε αν ισσυε ον κεψ τεχηνολογιεσ οφ
τηε 21στ χεντυρψ? Φιρστ, τεχηνολογψ ανδ τηε φυτυρε ηαϖε αλ−
ωαψσ βεεν τηε προϖινχε οφ τηισ µαγαζινε. Ωηεν ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ
ΑΜΕΡΙΧΑΝ ωασ φουνδεδ 150 ψεαρσ αγο, τηε ινδυστριαλ ρεϖολυ−
τιον ωασ λιτεραλλψ στιλλ γατηερινγ στεαµ. Τηοσε ωερε τηε δαψσ
βεφορε τηε βιρτη οφ Εδισον, βεφορε ∆αρωιν∏σ Ον τηε Οριγιν οφ
τηε Σπεχιεσ, βεφορε τηε γερµ τηεορψ οφ δισεασε, βεφορε τηε ιν−
ϖεντιον οφ χηεαπ στεελ, βεφορε τηε δισχοϖερψ οφ ξ−ραψσ, βεφορε
Μενδελ∏σ λαωσ οφ γενετιχσ ανδ Μαξωελλ∏σ εθυατιονσ οφ ελεχ−
τροµαγνετισµ. Τηισ µαγαζινε ηασ ηαδ τηε πριϖιλεγε οφ ρε−
πορτινγ ον αλλ τηε µαϕορ τεχηνολογιχαλ αδϖανχεσ σινχε τηατ
τιµε (σεε παγεσ 12∠17 φορ εξαµπλεσ). Ωε χουλδ τηινκ οφ νο
µορε ⇒ττινγ ωαψ το χελεβρατε ουρ οων βιρτηδαψ τηαν βψ τακ−
ινγ α πεεκ αηεαδ.
Σεχονδ, το παραπηρασε ςαλŽρψ, τηε φυτυρε ισ νοω νοτ εϖεν
ωηεν ιτ υσεδ το βε. Τηε νεω χεντυρψ∇µακε τηατ τηε νεω µιλ−
λεννιυµ∇βεγινσ ιν λεσσ τηαν ⇒ϖε ψεαρσ (σιξ φορ τηε χαλενδρι−
χαλ πυριστσ). Τηε νεξτ φεω δεχαδεσ ωιλλ βε ωηεν τηε τεχηνολο−
γιεσ τηατ νοω εξιστ ανδ λοοκ µοστ
προµισινγ ειτηερ ⇓ουριση ορ ωιτηερ
ον τηε ϖινε.
Ιν σελεχτινγ τεχηνολογιεσ το ινχλυδε
ιν τηισ ισσυε, ωε δεχιδεδ το φορσακε
τηε πυρελψ φαβυλουσ ανδ χονχεντρατε
ον τηοσε τηατ σεεµεδ µοστ λικελψ το
ηαϖε στρονγ, στεαδψ, ενδυρινγ ε⇑εχτσ
ον δαψ−το−δαψ λιφε. Ωηατ, σοµε ρεαδερσ
µαψ εξχλαιµ, νο φαστερ−τηαν−λιγητ σταρ−
σηιπσ? Ιµµορταλιτψ πιλλσ? Υ−Χλονε−∏Εµ περσοναλ δυπλιχατιον
κιτσ? Σορρψ, βυτ νο, νοτ ηερε. Ιν τηε ωορδσ οφ τηατ φαµουσ ορ−
αχλε ανδ χηιλδ∏σ τοψ τηε Μαγιχ 8 Βαλλ : Ρεπλψ ηαζψ, τρψ αγαιν.
Νατυραλλψ, τηισ ισσυε µακεσ νο πρετενσε οφ βεινγ αν εξ−
ηαυστιϖε λιστ οφ αλλ τηε τεχηνολογιεσ τηατ ωιλλ χοντριβυτε ποω−
ερφυλλψ το τηε ψεαρσ αηεαδ. Ανψ αττεµπτ το µακε ιτ ονε ωουλδ
ηαϖε σαχρι⇒χεδ υσεφυλ δεταιλ φορ νοµιναλ τηορουγηνεσσ. Ουρ
µορε µοδεστ ιντεντιον ισ ονλψ το χονϖεψ τηε εξχιτεµεντ ανδ
ρεαλ ρατε οφ συβσταντιϖε προγρεσσ ιν µανψ πιϖοταλ ⇒ελδσ.
Τηε τρυτη ισ τηατ ασ τεχηνολογιεσ πιλε ον τεχηνολογιεσ ατ αν
υνεϖεν παχε, ιτ βεχοµεσ ιµποσσιβλε το πρεδιχτ πρεχισελψ ωηατ
παττερνσ ωιλλ εµεργε. Χαν ανψονε τοδαψ τρυλψ φορεσεε ωηατ
τηε ωορλδ ωιλλ βε λικε ιφ, φορ εξαµπλε, γενετιχ ενγινεερινγ
µατυρεσ ραπιδλψ το ιτσ φυλλ ποτεντιαλ? Ιφ οργανισµσ χαν βε ται−
λορεδ το σερϖε ανψ φυνχτιον (εϖεν βεχοµινγ λιϖινγ σπαχε−
σηιπσ, ασ Φρεεµαν ϑ. ∆ψσον σεεµσ το ηιντ ιν ηισ αρτιχλε), χαν
ανψονε γυεσσ ωηατ α 21στ−χεντυρψ φαχτορψ ωιλλ λοοκ λικε?
Νεω τεχηνολογιεσ αλσο ποσε µοραλ διλεµµασ, εχονοµιχ
χηαλλενγεσ, περσοναλ ανδ σοχιαλ χρισεσ. Φορ εξαµπλε, αφτερ τηε
Ηυµαν Γενοµε Προϕεχτ ισ χοµπλετεδ ιν α δεχαδε ορ σο, τηε
γενετιχ φουνδατιονσ οφ ανψ βιολογιχαλ θυεστιον ωιλλ βεχοµε
τρανσπαρεντ το ινϖεστιγατιον. Τηε χοντροϖερσιαλ γενετιχ ασ−
πεχτσ οφ ιντελλιγενχε, ϖιολενχε ανδ οτηερ χοµπλεξ τραιτσ ωιλλ
τηεν βε αϖαιλαβλε φορ διρεχτ σχρυτινψ∇ανδ, χονχειϖαβλψ, µα−
νιπυλατιον. Ηοω µυχη ωιλλ τηατ τρανσφορµ τηε βασισ ανδ
πραχτιχε οφ µεδιχινε, λαω ανδ γοϖερνµεντ? Σο ιν αδδιτιον το
αρτιχλεσ ον τηε νυτσ ανδ βολτσ οφ τεχηνολογιχαλ δεϖελοπµεντ,
ρεαδερσ ωιλλ ⇒νδ ηερε µορε εσσαψιστιχ χοµµενταριεσ τηατ
µεδιτατε ον τηε χονσεθυενχεσ (βοτη γοοδ ανδ βαδ ) οφ τηε
ωορκ ιν προγρεσσ.
Περχεπτιϖε ρεαδερσ ωιλλ αλσο νοτε τηατ σοµε οφ τηεσε αυ−
τηορσ ιµπλιχιτλψ ορ εξπλιχιτλψ δισαγρεε ωιτη ονε ανοτηερ; τηεψ
δο νοτ σηαρε α χονσενσυσ ον τοµορροω. Ιτ ισ πρεχισελψ ουτ οφ
τηε τενσιονσ βετωεεν δι⇑ερινγ πρεδιχτιονσ τηατ τηε ρεαλ φυ−
τυρε ωιλλ πυλλ ιτσελφ τογετηερ. Χηεχκ βαχκ ωιτη ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ
ΑΜΕΡΙΧΑΝ ιν α χεντυρψ ορ σο το εϖαλυατε ουρ τεχηνολογψ
σχορεχαρδ. Ωε φυλλψ ιντενδ το βε ηερε∇ανδ ωηο ισ το σαψ τηατ
ψου ωον∏τ βε, τοο?
Ιν 1895 νο ονε ιµαγινεδ
τηατ χοµπυτερσ ωουλδ
βεχοµε α κεψ τεχηνολογψ.
58
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ϑΟΗΝ ΡΕΝΝΙΕ ισ εδιτορ ιν χηιεφ οφ Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
I N F O R M AT I O N
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
TEC
HNOLOGIES
Faster, more sophisticated data networks and
computers will dominate
the systems people use
to work and play.
Meanwhile intelligence
will become a feature
of everyday machines.
ΧΟΝΤΕΝΤΣ
Microprocessors in 2020
62
Wireless Networks
68
All-Optical Networks
72
Artificial Intelligence
80
Intelligent Software
84
Χοµµενταριεσ
Virtual Reality
90
Satellites for a Developing World
94
ΜΙΧΡΟΧΙΡΧΥΙΤΡΨ ισ στεαδιλψ βε−
χοµινγ µορε χοµπαχτ ανδ δενσε; νο
χλεαρ ενδ το τηισ τρενδ ισ ιν σιγητ. Τηε
χοµπονεντσ ον τηισ Μοτορολα χηιπ
ηαϖε βεεν ενλαργεδ 3,900 τιµεσ.
Photograph by David Scharf
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Μιχροπροχεσσορσ
ιν 2020
Every 18 months microprocessors double in
speed. Within 25 years, one computer will be
as powerful as all those in Silicon Valley today
βψ ∆αϖιδ Α. Παττερσον
Ω
ηεν Ι ⇒ρστ ρεαδ τηε ταβλε οφ
χοντεντσ οφ τηισ σπεχιαλ ισσυε, Ι
ωασ στρυχκ βψ ηοω µανψ αρτι−
χλεσ αδδρεσσεδ χοµπυτερσ ιν τηε 21στ
χεντυρψ ιν σοµε ωαψ. Υνλικε µανψ οτη−
ερ τεχηνολογιεσ τηατ φεδ ουρ ιµαγινα−
τιονσ ανδ τηεν φαδεδ αωαψ, τηε χοµπυτ−
ερ ηασ τρανσφορµεδ ουρ σοχιετψ. Τηερε
χαν βε λιττλε δουβτ τηατ ιτ ωιλλ χοντινυε
το δο σο φορ µανψ δεχαδεσ το χοµε. Τηε
ενγινε δριϖινγ τηισ ονγοινγ ρεϖολυτιον
ισ τηε µιχροπροχεσσορ. Τηεσε σιλιχον
χηιπσ ηαϖε λεδ το χουντλεσσ ινϖεντιονσ,
συχη ασ πορταβλε χοµπυτερσ ανδ φαξ
µαχηινεσ, ανδ ηαϖε αδδεδ ιντελλιγενχε
το µοδερν αυτοµοβιλεσ ανδ ωριστωατχη−
εσ. Αστονισηινγλψ, τηειρ περφορµανχε ηασ
ιµπροϖεδ 25,000 τιµεσ οϖερ σινχε τηειρ
ινϖεντιον ονλψ 25 ψεαρσ αγο.
Ι ηαϖε βεεν ασκεδ το δεσχριβε τηε µι−
χροπροχεσσορ οφ 2020. Συχη πρεδιχτιονσ
ιν µψ οπινιον τενδ το οϖερστατε τηε
ωορτη οφ ραδιχαλ, νεω χοµπυτινγ τεχη−
νολογιεσ. Ηενχε, Ι βολδλψ πρεδιχτ τηατ
χηανγεσ ωιλλ βε εϖολυτιοναρψ ιν νατυρε,
ανδ νοτ ρεϖολυτιοναρψ. Εϖεν σο, ιφ τηε
µιχροπροχεσσορ χοντινυεσ το ιµπροϖε ατ
ιτσ χυρρεντ ρατε, Ι χαννοτ ηελπ βυτ συγ−
γεστ τηατ 25 ψεαρσ φροµ νοω τηεσε χηιπσ
ωιλλ εµποωερ ρεϖολυτιοναρψ σοφτωαρε το
χοµπυτε ωονδερφυλ τηινγσ.
Σµαλλερ, Φαστερ, Χηεαπερ
Τ
ωο ινϖεντιονσ σπαρκεδ τηε χοµπυτ−
ερ ρεϖολυτιον. Τηε ⇒ρστ ωασ τηε σο−
χαλλεδ στορεδ προγραµ χονχεπτ. Εϖερψ
χοµπυτερ σψστεµ σινχε τηε λατε 1940σ
ηασ αδηερεδ το τηισ µοδελ, ωηιχη πρε−
σχριβεσ α προχεσσορ φορ χρυνχηινγ νυµ−
βερσ ανδ α µεµορψ φορ στορινγ βοτη
δατα ανδ προγραµσ. Τηε αδϖανταγε ιν
συχη α σψστεµ ισ τηατ, βεχαυσε στορεδ
προγραµσ χαν βε εασιλψ ιντερχηανγεδ,
τηε σαµε ηαρδωαρε χαν περφορµ α ϖαρι−
ετψ οφ τασκσ. Ηαδ χοµπυτερσ νοτ βεεν
γιϖεν τηισ ⇓εξιβιλιτψ, ιτ ισ προβαβλε τηατ
τηεψ ωουλδ νοτ ηαϖε µετ ωιτη συχη
ωιδεσπρεαδ υσε. Αλσο, δυρινγ τηε λατε
1940σ, ρεσεαρχηερσ ινϖεντεδ τηε τρανσισ−
τορ. Τηεσε σιλιχον σωιτχηεσ ωερε µυχη
σµαλλερ τηαν τηε ϖαχυυµ τυβεσ υσεδ ιν
εαρλψ χιρχυιτρψ. Ασ συχη, τηεψ εναβλεδ
ωορκερσ το χρεατε σµαλλερ∇ανδ φαστερ∇
ελεχτρονιχσ.
Μορε τηαν α δεχαδε πασσεδ βεφορε
τηε στορεδ προγραµ δεσιγν ανδ τρανσισ−
τορσ ωερε βρουγητ τογετηερ ιν τηε σαµε
µαχηινε, ανδ ιτ ωασ νοτ υντιλ 1971 τηατ
τηε µοστ σιγνι⇒χαντ παιρινγ∇τηε Ιντελ
4004∇χαµε αβουτ. Τηισ προχεσσορ ωασ
τηε ⇒ρστ το βε βυιλτ ον α σινγλε σιλιχον
χηιπ, ωηιχη ωασ νο λαργερ τηαν α χηιλδ∏σ
⇒νγερναιλ. Βεχαυσε οφ ιτσ τινψ σιζε, ιτ ωασ
δυββεδ α µιχροπροχεσσορ. Ανδ βεχαυσε
ιτ ωασ α σινγλε χηιπ, τηε Ιντελ 4004 ωασ
τηε ⇒ρστ προχεσσορ τηατ χουλδ βε µαδε
ινεξπενσιϖελψ ιν βυλκ.
Τηε µετηοδ µανυφαχτυρερσ ηαϖε υσεδ
το µασσ−προδυχε µιχροπροχεσσορσ σινχε
τηεν ισ µυχη λικε βακινγ α πιζζα : τηε
δουγη, ιν τηισ χασε σιλιχον, σταρτσ τηιν
ανδ ρουνδ. Χηεµιχαλ τοππινγσ αρε αδδ−
εδ, ανδ τηε ασσεµβλψ γοεσ ιντο αν οϖεν.
Ηεατ τρανσφορµσ τηε τοππινγσ ιντο
τρανσιστορσ, χονδυχτορσ ανδ ινσυλατορσ.
Νοτ συρπρισινγλψ, τηε προχεσσ∇ωηιχη ισ
ρεπεατεδ περηαπσ 20 τιµεσ∇ισ χονσιδ−
εραβλψ µορε δεµανδινγ τηαν βακινγ α
πιζζα. Ονε δυστ παρτιχλε χαν δαµαγε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
CHARLES O’REAR
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Πιπελινεδ, Συπερσχαλαρ ανδ Παραλλελ
Ι
ν αδδιτιον το προγρεσσ µαδε ον τηε
προδυχτιον λινε ανδ ιν σιλιχον τεχη−
νολογψ, µιχροπροχεσσορσ ηαϖε βενε⇒τεδ
φροµ ρεχεντ γαινσ ον τηε δραωινγ βοαρδ.
Τηεσε βρεακτηρουγησ ωιλλ υνδουβτεδλψ
λεαδ το φυρτηερ αδϖανχεµεντσ ιν τηε
νεαρ φυτυρε. Ονε κεψ τεχηνιθυε ισ χαλλεδ
ΣΙΛΙΧΟΝ ΩΑΦΕΡΣ τοδαψ (βαχκγρουνδ )
αρε µυχη λαργερ βυτ ηολδ ονλψ αβουτ
ηαλφ ασ µανψ ινδιϖιδυαλ χηιπσ ασ διδ
τηοσε οφ τηε οριγιναλ µιχροπροχεσσορ,
τηε Ιντελ 4004 ( φορεγρουνδ ). Τηε διεσ
χαν βε βιγγερ ιν παρτ βεχαυσε τηε µανυ−
φαχτυρινγ προχεσσ (ονε σταγε σηοων ιν
ινσετ ) ισ χλεανερ.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
πιπελινινγ. Ανψονε ωηο ηασ δονε λαυν−
δρψ ηασ ιντυιτιϖελψ υσεδ τηισ ταχτιχ. Τηε
νονπιπελινεδ αππροαχη ισ ασ φολλοωσ:
πλαχε α λοαδ οφ διρτψ χλοτηεσ ιν τηε ωαση−
ερ. Ωηεν τηε ωασηερ ισ δονε, πλαχε τηε
ωετ λοαδ ιντο τηε δρψερ. Ωηεν τηε δρψερ
ισ ⇒νισηεδ, φολδ τηε χλοτηεσ. Αφτερ τηε
χλοτηεσ αρε πυτ αωαψ, σταρτ αλλ οϖερ αγαιν.
Ιφ ιτ τακεσ αν ηουρ το δο ονε λοαδ τηισ
ωαψ, 20 λοαδσ τακε 20 ηουρσ.
Τηε πιπελινεδ αππροαχη ισ µυχη
θυιχκερ. Ασ σοον ασ τηε ⇒ρστ λοαδ ισ ιν
τηε δρψερ, τηε σεχονδ διρτψ λοαδ γοεσ
ιντο τηε ωασηερ, ανδ σο ον. Αλλ τηε σταγ−
εσ οπερατε χονχυρρεντλψ. Τηε πιπελινινγ
παραδοξ ισ τηατ ιτ τακεσ τηε σαµε αµουντ
οφ τιµε το χλεαν α σινγλε διρτψ σοχκ βψ ει−
τηερ µετηοδ. Ψετ πιπελινινγ ισ φαστερ ιν
τηατ µορε λοαδσ αρε ⇒νισηεδ περ ηουρ.
Ιν φαχτ, ασσυµινγ τηατ εαχη σταγε τακεσ
τηε σαµε αµουντ οφ τιµε, τηε τιµε σαϖεδ
βψ πιπελινινγ ισ προπορτιοναλ το τηε νυµ−
βερ οφ σταγεσ ινϖολϖεδ. Ιν ουρ εξαµπλε,
πιπελινεδ λαυνδρψ ηασ φουρ σταγεσ, σο ιτ
ωουλδ βε νεαρλψ φουρ τιµεσ φαστερ τηαν
νονπιπελινεδ λαυνδρψ. Τωεντψ λοαδσ
ωουλδ τακε ρουγηλψ ⇒ϖε ηουρσ.
Σιµιλαρλψ, πιπελινινγ µακεσ φορ µυχη
φαστερ µιχροπροχεσσορσ. Χηιπ δεσιγνερσ
πιπελινε τηε ινστρυχτιονσ, ορ λοω−λεϖελ
χοµµανδσ, γιϖεν το τηε ηαρδωαρε. Τηε
⇒ρστ πιπελινεδ µιχροπροχεσσορσ υσεδ α
⇒ϖε−σταγε πιπελινε. (Τηε νυµβερ οφ σταγ−
εσ χοµπλετεδ εαχη σεχονδ ισ γιϖεν βψ
τηε σο−χαλλεδ χλοχκ ρατε. Α περσοναλ χοµ−
πυτερ ωιτη α 100−µεγαηερτζ χλοχκ τηεν
εξεχυτεσ 100 µιλλιον σταγεσ περ σεχ−
ονδ.) Βεχαυσε τηε σπεεδυπ φροµ πιπελιν−
ινγ εθυαλσ τηε νυµβερ οφ σταγεσ, ρεχεντ
µιχροπροχεσσορσ ηαϖε αδοπτεδ ειγητ ορ
µορε σταγε πιπελινεσ. Ονε 1995 µιχρο−
προχεσσορ υσεσ τηισ δεεπερ πιπελινε το
αχηιεϖε α 300−µεγαηερτζ χλοχκ ρατε. Ασ
µαχηινεσ ηεαδ τοωαρδ τηε νεξτ χεντυ−
ρψ, ωε χαν εξπεχτ πιπελινεσ ηαϖινγ εϖεν
µορε σταγεσ ανδ ηιγηερ χλοχκ ρατεσ.
Αλσο ιν τηε ιντερεστ οφ µακινγ φαστερ
χηιπσ, δεσιγνερσ ηαϖε βεγυν το ινχλυδε
µορε ηαρδωαρε το προχεσσ µορε τασκσ
ατ εαχη σταγε οφ α πιπελινε. Τηε βυζζ−
ωορδ συπερσχαλαρ ισ χοµµονλψ υσεδ
το δεσχριβε τηισ αππροαχη. Α συπερσχα−
λαρ λαυνδροµατ, φορ εξαµπλε, ωουλδ υσε
α προφεσσιοναλ µαχηινε τηατ χουλδ, σαψ,
ωαση τηρεε λοαδσ ατ ονχε. Μοδερν συπερ−
σχαλαρ µιχροπροχεσσορσ τρψ το περφορµ
ανψωηερε φροµ τηρεε το σιξ ινστρυχτιονσ
ιν εαχη σταγε. Ηενχε, α 250−µεγαηερτζ,
φουρ−ωαψ συπερσχαλαρ µιχροπροχεσσορ
χαν εξεχυτε α βιλλιον ινστρυχτιονσ περ
σεχονδ. Α 21στ−χεντυρψ µιχροπροχεσσορ
µαψ ωελλ λαυνχη υπ το δοζενσ οφ ιν−
στρυχτιονσ ιν εαχη σταγε.
∆εσπιτε συχη ποτεντιαλ, ιµπροϖεµεντσ
ιν προχεσσινγ χηιπσ αρε ινε⇑εχτυαλ υν−
CHARLES O’REAR
τηε τινψ τρανσιστορσ. Σο, τοο, ϖιβρατιονσ
φροµ α πασσινγ τρυχκ χαν τηροω τηε ιν−
γρεδιεντσ ουτ οφ αλιγνµεντ, ρυινινγ τηε
ενδ προδυχτ. Βυτ προϖιδεδ τηατ δοεσ νοτ
ηαππεν, τηε ρεσυλτινγ ωαφερ ισ διϖιδεδ
ιντο ινδιϖιδυαλ πιεχεσ, χαλλεδ χηιπσ, ανδ
σερϖεδ το χυστοµερσ.
Αλτηουγη τηισ βασιχ ρεχιπε ισ στιλλ φολ−
λοωεδ, τηε προδυχτιον λινε ηασ µαδε
εϖερ χηεαπερ, φαστερ χηιπσ οϖερ τιµε βψ
χηυρνινγ ουτ λαργερ ωαφερσ ανδ σµαλλερ
τρανσιστορσ. Τηισ τρενδ ρεϖεαλσ αν ιµ−
πορταντ πρινχιπλε οφ µιχροπροχεσσορ εχο−
νοµιχσ: τηε µορε χηιπσ µαδε περ ωαφερ,
τηε λεσσ εξπενσιϖε τηεψ αρε. Λαργερ χηιπσ
αρε φαστερ τηαν σµαλλερ ονεσ βεχαυσε
τηεψ χαν ηολδ µορε τρανσιστορσ. Τηε ρε−
χεντ Ιντελ Π6, φορ εξαµπλε, χονταινσ 5.5
µιλλιον τρανσιστορσ ανδ ισ µυχη λαργερ
τηαν τηε Ιντελ 4004, ωηιχη ηαδ α µερε
2,300 τρανσιστορσ. Βυτ λαργερ χηιπσ αρε
αλσο µορε λικελψ το χονταιν ⇓αωσ. Βαλανχ−
ινγ χοστ ανδ περφορµανχε, τηεν, ισ α σιγ−
νι⇒χαντ παρτ οφ τηε αρτ οφ χηιπ δεσιγν.
Μοστ ρεχεντλψ, µιχροπροχεσσορσ ηαϖε
βεχοµε µορε ποωερφυλ, τηανκσ το α
χηανγε ιν τηε δεσιγν αππροαχη. Φολλοω−
ινγ τηε λεαδ οφ ρεσεαρχηερσ ατ υνιϖερσι−
τιεσ ανδ λαβορατοριεσ αχροσσ τηε Υ.Σ.,
χοµµερχιαλ χηιπ δεσιγνερσ νοω τακε α
θυαντιτατιϖε αππροαχη το χοµπυτερ αρ−
χηιτεχτυρε. Χαρεφυλ εξπεριµεντσ πρεχεδε
ηαρδωαρε δεϖελοπµεντ, ανδ ενγινεερσ
υσε σενσιβλε µετριχσ το ϕυδγε τηειρ συχ−
χεσσ. Χοµπυτερ χοµπανιεσ αχτεδ ιν χον−
χερτ το αδοπτ τηισ δεσιγν στρατεγψ δυρινγ
τηε 1980σ, ανδ ασ α ρεσυλτ, τηε ρατε οφ
ιµπροϖεµεντ ιν µιχροπροχεσσορ τεχη−
νολογψ ηασ ρισεν φροµ 35 περχεντ α ψεαρ
ονλψ α δεχαδε αγο το ιτσ χυρρεντ ηιγη οφ
αππροξιµατελψ 55 περχεντ α ψεαρ, ορ αλ−
µοστ 4 περχεντ εαχη µοντη. Προχεσσορσ
αρε νοω τηρεε τιµεσ φαστερ τηαν ηαδ
βεεν πρεδιχτεδ ιν τηε εαρλψ 1980σ; ιτ ισ
ασ ιφ ουρ ωιση ωασ γραντεδ, ανδ ωε νοω
ηαϖε µαχηινεσ φροµ τηε ψεαρ 2000.
ΧΛΕΑΝ ΡΟΟΜΣ, ωηερε ωαφερσ αρε µαδε,
αρε δεσιγνεδ το κεεπ ηυµαν ηανδλινγ
ανδ αιρβορνε παρτιχλεσ το α µινιµυµ. Α
σινγλε σπεχκ οφ δυστ χαν δαµαγε α τινψ
τρανσιστορ.
λεσσ τηεψ αρε µατχηεδ βψ σιµιλαρ γαινσ
ιν µεµορψ χηιπσ. Σινχε ρανδοµ−αχχεσσ
µεµορψ (ΡΑΜ) ον α χηιπ βεχαµε ωιδε−
λψ αϖαιλαβλε ιν τηε µιδ−1970σ, ιτσ χαπαχ−
ιτψ ηασ γροων φουρφολδ εϖερψ τηρεε ψεαρσ.
Βυτ µεµορψ σπεεδ ηασ νοτ ινχρεασεδ ατ
ανψωηερε νεαρ τηισ ρατε. Τηε γαπ βε−
τωεεν τηε τοπ σπεεδ οφ προχεσσορσ ανδ
τηε τοπ σπεεδ οφ µεµοριεσ ισ ωιδενινγ.
Ονε ποπυλαρ αιδ ισ το πλαχε α σµαλλ
µεµορψ, χαλλεδ α χαχηε, ριγητ ον τηε
µιχροπροχεσσορ ιτσελφ. Τηε χαχηε ηολδσ
τηοσε σεγµεντσ οφ α προγραµ τηατ αρε
µοστ φρεθυεντλψ υσεδ ανδ τηερεβψ αλ−
λοωσ τηε προχεσσορ το αϖοιδ χαλλινγ ον
εξτερναλ µεµορψ χηιπσ µυχη οφ τηε
τιµε. Σοµε νεωερ χηιπσ αχτυαλλψ δεδι−
χατε ασ µανψ τρανσιστορσ το τηε χαχηε ασ
τηεψ δο το τηε προχεσσορ ιτσελφ. Φυτυρε
µιχροπροχεσσορσ ωιλλ αλλοτ εϖεν µορε
ρεσουρχεσ το τηε χαχηε το βεττερ βριδγε
τηε σπεεδ γαπ.
Τηε Ηολψ Γραιλ οφ χοµπυτερ δεσιγν ισ
αν αππροαχη χαλλεδ παραλλελ προχεσσινγ,
ωηιχη δελιϖερσ αλλ τηε βενε⇒τσ οφ α σιν−
γλε φαστ προχεσσορ βψ ενγαγινγ µανψ
ινεξπενσιϖε ονεσ ατ τηε σαµε τιµε. Ιν
ουρ αναλογψ, ωε ωουλδ γο το α λαυνδρο−
µατ ανδ υσε 20 ωασηερσ ανδ 20 δρψερσ
το δο 20 λοαδσ σιµυλτανεουσλψ. Χλεαρλψ,
παραλλελ προχεσσινγ ισ αν εξπενσιϖε σο−
λυτιον φορ α σµαλλ ωορκλοαδ. Ανδ ωριτ−
ινγ α προγραµ τηατ χαν υσε 20 προχεσ−
σορσ ατ ονχε ισ µυχη ηαρδερ τηαν δισ−
τριβυτινγ λαυνδρψ το 20 ωασηερσ. Ινδεεδ,
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
63
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Τηε Λιµιτσ οφ Λιτηογραπηψ
CHARLES O’REAR
Α
lthough I predict that microprocessors will continue to improve rapidly,
such a steady advance is far from certain. It is unclear how manufacturers will make tinier, faster transistors in the years to come. The photolithographic methods they now use are reaching serious limits. If the problem is
not resolved, the progress we have enjoyed for decades will screech to a halt.
In photolithography, light is used to transfer circuit patterns from a quartz
template, or mask, onto the surface of a silicon chip. The technique now
fashions chip features that are some 0.35 micron wide. Making features half
as wide would yield transistors
four times smaller, since the device is essentially two-dimensional. But it seems impossible to
make such tiny parts using light;
the light waves are just too wide.
Many companies have invested in
finding ways to substitute smaller
x-rays for light waves. To date,
however, x-rays have not succeeded as a way to mass-produce stateof-the-art chips.
Other proposals abound. One
ΠΗΟΤΟΜΑΣΚΣ αρε ρεδυχεδ ανδ προϕεχτ− hope is to deploy the electron
εδ οντο σιλιχον ωαφερσ το µακε χιρχυιτσ.
beams used to create quartz masks
to pattern silicon wafers. The thin
stream of charged particles could trace each line in a circuit diagram, one by
one, directly onto a chip. The catch is that although this solution is feasible, it
is unreasonably slow for commercial use and would therefore prove costly.
Compared with photolithography, drawing with an electron beam is analogous to rewriting a letter by hand instead of photocopying it.
Technical hurdles aside, any improvements in microprocessors are further
threatened by the rising cost of semiconductor manufacturing plants. At $1
billion to $2 billion, these complexes now cost 1,000 times more than they
did 30 years ago. Buyers and sellers of semiconductor equipment follow the
rule that halving the minimum feature size doubles the price. Clearly, even if
innovative methods are found, the income generated by the sale of smaller
chips must double to secure continued investments in new lines. This pattern
will happen only by making more chips or by charging more for them.
Today there are as many companies that have semiconductor lines as there
are car companies. But increasingly few of them can afford the multibilliondollar cost of replacing the equipment. If semiconductor equipment manufacturers do not offer machinery that trades off, say, the speed of making a
wafer for the cost of the equipment, the number of companies making stateof-the-art chips may shrink to a mere handful. Without the spur of competition,
—D.A.P.
once again, the rapid pace of improvement may well slow down.
τηε προγραµ µυστ σπεχιφψ ωηιχη ινστρυχ−
τιονσ χαν βε λαυνχηεδ βψ ωηιχη προχεσ−
σορ ατ ωηατ τιµε.
Συπερσχαλαρ προχεσσινγ βεαρσ σιµιλαρ−
ιτιεσ το παραλλελ προχεσσινγ, ανδ ιτ ισ µορε
ποπυλαρ βεχαυσε τηε ηαρδωαρε αυτοµατ−
ιχαλλψ ⇒νδσ ινστρυχτιονσ τηατ λαυνχη ατ
τηε σαµε τιµε. Βυτ ιτσ ποτεντιαλ προχεσσ−
ινγ ποωερ ισ νοτ ασ λαργε. Ιφ ιτ ωερε νοτ
σο δι⇔χυλτ το ωριτε τηε νεχεσσαρψ προ−
γραµσ, παραλλελ προχεσσορσ χουλδ βε
µαδε ασ ποωερφυλ ασ ονε χουλδ α⇑ορδ.
Φορ τηε παστ 25 ψεαρσ, χοµπυτερ σχιεν−
τιστσ ηαϖε πρεδιχτεδ τηατ τηε προγραµ−
µινγ προβλεµσ ωιλλ βε οϖερχοµε. Ιν
66
φαχτ, παραλλελ προχεσσινγ ισ πραχτιχαλ φορ
ονλψ α φεω χλασσεσ οφ προγραµσ τοδαψ.
Ιν ρεϖιεωινγ ολδ αρτιχλεσ, Ι ηαϖε σεεν
φανταστιχ πρεδιχτιονσ οφ ωηατ χοµπυτ−
ερσ ωουλδ βε λικε ιν 1995. Μανψ στατεδ
τηατ οπτιχσ ωουλδ ρεπλαχε ελεχτρονιχσ;
χοµπυτερσ ωουλδ βε βυιλτ εντιρελψ φροµ
βιολογιχαλ µατεριαλσ; τηε στορεδ προγραµ
χονχεπτ ωουλδ βε δισχαρδεδ. Τηεσε δε−
σχριπτιονσ δεµονστρατε τηατ ιτ ισ ιµ−
ποσσιβλε το φορεσεε ωηατ ινϖεντιονσ ωιλλ
προϖε χοµµερχιαλλψ ϖιαβλε ανδ γο ον το
ρεϖολυτιονιζε τηε χοµπυτερ ινδυστρψ. Ιν
µψ χαρεερ, ονλψ τηρεε νεω τεχηνολογιεσ
ηαϖε πρεϖαιλεδ : µιχροπροχεσσορσ, ραν−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
δοµ−αχχεσσ µεµορψ ανδ οπτιχαλ ⇒βερσ.
Ανδ τηειρ ιµπαχτ ηασ ψετ το ωανε, δε−
χαδεσ αφτερ τηειρ δεβυτ.
Συρελψ ονε ορ τωο µορε ινϖεντιονσ ωιλλ
ρεϖισε χοµπυτινγ ιν τηε νεξτ 25 ψεαρσ.
Μψ γυεσσ, τηουγη, ισ τηατ τηε στορεδ προ−
γραµ χονχεπτ ισ τοο ελεγαντ το βε εασιλψ
ρεπλαχεδ. Ι βελιεϖε φυτυρε χοµπυτερσ ωιλλ
βε µυχη λικε µαχηινεσ οφ τηε παστ,
εϖεν ιφ τηεψ αρε µαδε οφ ϖερψ δι⇑ερεντ
στυ⇑. Ι δο νοτ τηινκ τηε µιχροπροχεσσορ
οφ 2020 ωιλλ βε σταρτλινγ το πεοπλε φροµ
ουρ τιµε, αλτηουγη τηε φαστεστ χηιπσ µαψ
βε µυχη λαργερ τηαν τηε ϖερψ ⇒ρστ ωαφερ,
ανδ τηε χηεαπεστ χηιπσ µαψ βε µυχη
σµαλλερ τηαν τηε οριγιναλ Ιντελ 4004.
ΙΡΑΜσ ανδ Πιχοπροχεσσορσ
Π
ιπελινινγ, συπερσχαλαρ οργανιζατιον
ανδ χαχηεσ ωιλλ χοντινυε το πλαψ µα−
ϕορ ρολεσ ιν τηε αδϖανχεµεντ οφ µιχρο−
προχεσσορ τεχηνολογψ, ανδ ιφ ηοπεσ αρε
ρεαλιζεδ, παραλλελ προχεσσινγ ωιλλ ϕοιν
τηεµ. Ωηατ ωιλλ βε σταρτλινγ ισ τηατ µι−
χροπροχεσσορσ ωιλλ προβαβλψ εξιστ ιν εϖ−
ερψτηινγ φροµ λιγητ σωιτχηεσ το πιεχεσ
οφ παπερ. Ανδ τηε ρανγε οφ αππλιχατιονσ
τηεσε εξτραορδιναρψ δεϖιχεσ ωιλλ συπ−
πορτ, φροµ ϖοιχε ρεχογνιτιον το ϖιρτυαλ
ρεαλιτψ, ωιλλ ϖερψ λικελψ βε αστουνδινγ.
Τοδαψ µιχροπροχεσσορσ ανδ µεµο−
ριεσ αρε µαδε ον διστινχτ µανυφαχτυρινγ
λινεσ, βυτ ιτ νεεδ νοτ βε σο. Περηαπσ ιν
τηε νεαρ φυτυρε, προχεσσορσ ανδ µεµο−
ρψ ωιλλ βε µεργεδ οντο α σινγλε χηιπ, ϕυστ
ασ τηε µιχροπροχεσσορ ⇒ρστ µεργεδ τηε
σεπαρατε χοµπονεντσ οφ α προχεσσορ
οντο α σινγλε χηιπ. Το ναρροω τηε προ−
χεσσορ−µεµορψ περφορµανχε γαπ, το
τακε αδϖανταγε οφ παραλλελ προχεσσινγ,
το αµορτιζε τηε χοστσ οφ τηε λινε ανδ
σιµπλψ το µακε φυλλ υσε οφ τηε πηενοµ−
εναλ νυµβερ οφ τρανσιστορσ τηατ χαν βε
πλαχεδ ον α σινγλε χηιπ, Ι πρεδιχτ τηατ
τηε ηιγη−ενδ µιχροπροχεσσορ οφ 2020
ωιλλ βε αν εντιρε χοµπυτερ.
Λετ∏σ χαλλ ιτ αν ΙΡΑΜ, στανδινγ φορ ιν−
τελλιγεντ ρανδοµ−αχχεσσ µεµορψ, σινχε
µοστ οφ τηε τρανσιστορσ ον τηισ µεργεδ
χηιπ ωιλλ βε δεϖοτεδ το µεµορψ. Ωηερε−
ασ χυρρεντ µιχροπροχεσσορσ ρελψ ον ηυν−
δρεδσ οφ ωιρεσ το χοννεχτ το εξτερναλ
µεµορψ χηιπσ, ΙΡΑΜσ ωιλλ νεεδ νο µορε
τηαν χοµπυτερ νετωορκ χοννεχτιονσ ανδ
α ποωερ πλυγ. Αλλ ινπυτ−ουτπυτ δεϖιχεσ
ωιλλ βε λινκεδ το τηεµ ϖια νετωορκσ. Ιφ
τηεψ νεεδ µορε µεµορψ, τηεψ ωιλλ γετ
µορε προχεσσινγ ποωερ ασ ωελλ, ανδ ϖιχε
ϖερσα∇αν αρρανγεµεντ τηατ ωιλλ κεεπ
τηε µεµορψ χαπαχιτψ ανδ προχεσσορ
σπεεδ ιν βαλανχε. ΙΡΑΜσ αρε αλσο τηε
ιδεαλ βυιλδινγ βλοχκ φορ παραλλελ προχεσσ−
ινγ. Ανδ βεχαυσε τηεψ ωουλδ ρεθυιρε σο
φεω εξτερναλ χοννεχτιονσ, τηεσε χηιπσ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Ω
ith decades of innovative potential ahead of them,
conventional microelectronic designs will dominate
much of the 21st century. That trend does not discourage
many laboratories from exploring a variety of novel technologies that might be useful in designing new generations of computers and microelectronic devices. In some
cases, these approaches would allow chip designs to
reach a level of miniaturization unattainable through anything like conventional lithography techniques. Among
the ideas being investigated are:
• Quantum dots and other single-electron devices. Quantum dots are molecular arrays that allow researchers to trap individual electrons and monitor their
movements. These devices can in theory be used as binary registers in which the presence or absence of a single
electron is used to represent the 0 or 1 of a data bit. In a
variation on this scheme, laser light shining on atoms
could switch them between their electronic ground state
and an excited state, in effect flipping the bit value.
One complication of making the transistors and wires
extremely small is that quantum-mechanical effects begin
to disrupt their function. The logic components hold their
0 or 1 values less reliably because the locations of single
electrons become hard to specify. Yet this property could
be exploited: Seth Lloyd of the Massachusetts Institute of
Technology and other researchers are studying the possibility of developing quantum computing techniques,
which would capitalize on the nonclassical behavior of the
devices.
• Molecular computing. Instead of making components out of silicon, some investigators are trying to develop data storage systems using biological molecules.
Robert L. Birge of Syracuse University, for example, is ex-
χουλδ βε εξτραορδιναριλψ σµαλλ. Ωε µαψ
ωελλ σεε χηεαπ πιχοπροχεσσορσ τηατ αρε
σµαλλερ τηαν τηε ανχιεντ Ιντελ 4004. Ιφ
παραλλελ προχεσσινγ συχχεεδσ, τηισ σεα οφ
τρανσιστορσ χουλδ αλσο βε υσεδ βψ µυλτι−
πλε προχεσσορσ ον α σινγλε χηιπ, γιϖινγ
υσ α µιχροµυλτιπροχεσσορ.
Τοδαψ∏σ µιχροπροχεσσορσ αρε αλµοστ
100,000 τιµεσ φαστερ τηαν τηειρ Νεανδερ−
τηαλ ανχεστορσ οφ τηε 1950σ, ανδ ωηεν
ιν⇓ατιον ισ χονσιδερεδ, τηεψ χοστ 1,000
amining the computational potential of molecules related
to bacteriorhodopsin, a pigment that alters its configuration in response to light. One advantage of such a molecule is that it could be used in an optical computer, in
which streams of photons would take the place of electrons. Another is that
many of these molecules
might be synthesized by
microorganisms, rather
than fabricated in a factory. According to some
estimates, photonically
activated biomolecules
could be linked into a
three-dimensional memory system that would
have a capacity 300
times greater than today’s CD-ROMs.
ΘΥΑΝΤΥΜ ∆ΟΤ ( πυρπλε) ιν
• Nanomechanical τηισ σεµιχονδυχτορ στρυχτυρε
logic gates. In these τραπσ ελεχτρονσ.
systems, tiny beams or
filaments only one atom wide might be physically moved,
like Tinkertoys, to carry out logical operations [see “Self-Assembling Materials,” by George M. Whitesides, page 146].
• Reversible logic gates. As the component density
on chips rises, dissipating the heat generated by computations becomes more difficult. Researchers at Xerox PARC,
the IBM Thomas J. Watson Research Center and elsewhere
are therefore checking into the possibility of returning capacitors to their original state at the end of a calculation.
Because reversible logic gates would in effect recapture
some of the energy expended, they would generate less
waste heat.
—The Editors
τιµεσ λεσσ. Τηεσε εξτραορδιναρψ φαχτσ εξ−
πλαιν ωηψ χοµπυτινγ πλαψσ συχη α λαργε
ρολε ιν ουρ ωορλδ νοω. Λοοκινγ αηεαδ,
µιχροπροχεσσορ περφορµανχε ωιλλ εασιλψ
κεεπ δουβλινγ εϖερψ 18 µοντησ τηρουγη
τηε τυρν οφ τηε χεντυρψ. Αφτερ τηατ, ιτ ισ
ηαρδ το βετ αγαινστ α χυρϖε τηατ ηασ ουτ−
στριππεδ αλλ εξπεχτατιονσ. Βυτ ιτ ισ πλαυ−
σιβλε τηατ ωε ωιλλ σεε ιµπροϖεµεντσ ιν
τηε νεξτ 25 ψεαρσ ατ λεαστ ασ λαργε ασ
τηοσε σεεν ιν τηε παστ 50. Τηισ εστιµατε
HENRYK TEMKIN AT&T Bell Laboratories
Ανδ Αφτερ 2020?
µεανσ τηατ ονε δεσκτοπ χοµπυτερ ιν
2020 ωιλλ βε ασ ποωερφυλ ασ αλλ τηε χοµ−
πυτερσ ιν Σιλιχον ςαλλεψ τοδαψ. Πολισηινγ
µψ χρψσταλ βαλλ το λοοκ ψετ ανοτηερ 25
ψεαρσ αηεαδ, Ι σεε ανοτηερ θυαντυµ
ϕυµπ ιν χοµπυτινγ ποωερ. Τηε ιµπλι−
χατιονσ οφ συχη α βρεατητακινγ αδϖανχε
αρε λιµιτεδ ονλψ βψ ουρ ιµαγινατιονσ.
Φορτυνατελψ, τηε εδιτορσ ηαϖε ασκεδ οτη−
ερσ το πονδερ τηε ποσσιβιλιτιεσ, ανδ Ι
ηαππιλψ πασσ τηε βατον το τηεµ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
∆ΑςΙ∆ Α. ΠΑΤΤΕΡΣΟΝ ηασ ταυγητ σινχε 1977 ατ τηε Υνι−
ϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια, Βερκελεψ, ωηερε ηε νοω ηολδσ τηε
Ε. Η. ανδ Μ. Ε. Παρδεε Χηαιρ ιν Χοµπυτερ Σχιενχε. Ηε ισ α
µεµβερ οφ τηε Νατιοναλ Αχαδεµψ οφ Ενγινεερινγ ανδ ισ α
φελλοω οφ βοτη τηε Ινστιτυτε οφ Ελεχτριχαλ ανδ Ελεχτρονιχ Εν−
γινεερσ ανδ τηε Ασσοχιατιον φορ Χοµπυτινγ Μαχηινερψ. Ηε
ηασ ωον σεϖεραλ τεαχηινγ αωαρδσ, χο−αυτηορεδ φιϖε βοοκσ
ανδ χονσυλτεδ φορ µανψ χοµπανιεσ, ινχλυδινγ ∆ιγιταλ, Ιντελ
ανδ Συν Μιχροσψστεµσ. Ηισ χυρρεντ ρεσεαρχη ισ ον λαργε−
σχαλε χοµπυτινγ υσινγ νετωορκσ οφ ωορκστατιονσ.
ΜΙΧΡΟΠΡΟΧΕΣΣΟΡΣ: ΦΡΟΜ ∆ΕΣΚΤΟΠΣ ΤΟ ΣΥΠΕΡΧΟΜΠΥΤΕΡΣ. Φ. Βασκεττ ανδ ϑ. Λ.
Ηεννεσσψ. Σχιενχε, ςολ. 261, παγεσ 864∠871; Αυγυστ 13, 1993.
ΧΟΜΠΥΤΕΡ ΟΡΓΑΝΙΖΑΤΙΟΝ ΑΝ∆ ∆ΕΣΙΓΝ: ΤΗΕ ΗΑΡ∆ΩΑΡΕ/ΣΟΦΤΩΑΡΕ ΙΝΤΕΡ−
ΦΑΧΕ. ϑ. Λ. Ηεννεσσψ ανδ ∆. Α. Παττερσον. Μοργαν Καυφµανν Πυβλισηερσ, 1994.
ΧΟΜΠΥΤΕΡ ΑΡΧΗΙΤΕΧΤΥΡΕ: Α ΘΥΑΝΤΙΤΑΤΙςΕ ΑΠΠΡΟΑΧΗ. Σεχονδ εδιτιον.
∆. Α. Παττερσον ανδ ϑ. Λ. Ηεννεσσψ. Μοργαν Καυφµανν Πυβλισηερσ, 1995.
ΧΟΜΠΥΤΙΝΓ ΠΕΡΣΠΕΧΤΙςΕΣ. Μ. ς. Ωιλκεσ. Μοργαν Καυφµανν Πυβλισηερσ, 1995.
Φολλοω τηε ρεφερενχε ον τηε Ωορλδ Ωιδε Ωεβ ηττπ://χρα.οργ :80/ρεσεαρχη.ιµ−
παχτ/ ανδ λοοκ υνδερ ΡΙΣΧ το λεαρν µορε αβουτ τηε ραπιδ ρισε ιν προχεσσορ
περφορµανχε.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
67
Ωιρελεσσ Νετωορκσ
In the decade ahead, they will deliver personalized communications to people on the go and
basic service to many who still lack telephones
βψ Γεοργε Ι. Ζψσµαν
Ν
εαρ τηε ενδ οφ τηε 19τη χεντυρψ
α ψουνγ µαν ναµεδ Γυγλιελµο
Μαρχονι χοννεχτεδ α σπαρκ εµιτ−
τερ το α σηορτ αντεννα ανδ σεντ α βυρστ
οφ ραδιο ωαϖεσ τηρουγη τηε αιρ το α σιµ−
πλε ρεχειϖερ. Ιτ ρεσπονδεδ βψ ρινγινγ α
βελλ, σιγναλινγ τηε βιρτη οφ α τεχηνολογψ
τηατ προµισεδ το αλλοω πεοπλε το χοµ−
µυνιχατε αχροσσ διστανχεσ ωηιλε ιν µο−
τιον. Ιν τηε χλοσινγ δεχαδεσ οφ τηε 20τη
χεντυρψ, σεϖεραλ ωαϖεσ οφ ιννοϖατιον
ηαϖε µαδε ωιρελεσσ χοµµυνιχατιονσ
τηε φαστεστ−γροωινγ σεγµεντ οφ τηε γλοβ−
αλ τελεχοµµυνιχατιονσ ινδυστρψ.
Ωιρελεσσ νετωορκσ αρε προλιφερατινγ
ραπιδλψ, γοινγ διγιταλ ανδ ηαρνεσσινγ
ιντελλιγεντ νετωορκ τεχηνολογψ το λο−
χατε ανδ ιδεντιφψ ροαµινγ συβσχριβερσ
ανδ το χυστοµιζε τηε σερϖιχεσ τηεψ ρε−
χειϖε. Αν ιντελλιγεντ νετωορκ χονσιστσ
οφ α διστριβυτεδ σιγναλινγ νετωορκ οφ
σωιτχηεσ, δαταβασεσ ανδ δεδιχατεδ χοµ−
πυτερ σερϖερσ τηατ ισ σεπαρατε φροµ, ψετ
ιντιµατελψ χοννεχτεδ το, τηε τρανσπορτ
νετωορκσ ον ωηιχη συβσχριβερσ∏ ϖοιχε
χαλλσ ανδ δατα αχτυαλλψ ⇓οω. Τηισ αρχηι−
τεχτυραλ φραµεωορκ, ωηιχη ηασ βεεν ρε−
⇒νεδ οϖερ τηε παστ 30 ψεαρσ το συππορτ
συχη σερϖιχεσ ασ 800−νυµβερ χαλλινγ,
χαλλερ ιδεντι⇒χατιον ανδ 911, ωιλλ σοον
µακε περσοναλιζεδ χοµµυνιχατιονσ σερ−
ϖιχεσ ασ πορταβλε ασ α ποχκετ τελεπηονε.
Ασ αδϖανχεσ ιν µιχροελεχτρονιχσ, διγ−
ιταλ ραδιο, σιγναλ προχεσσινγ ανδ νετ−
ωορκ σοφτωαρε χονϖεργε ιν τηε µαρκετ−
πλαχε, πορταβλε τελεπηονεσ αρε γεττινγ
σµαλλερ, σµαρτερ ανδ λεσσ εξπενσιϖε.
Σοµε αρε τακινγ ον νεω φορµσ, συχη ασ
τηε ωιρελεσσ ηανδηελδ χοµπυτερσ χαλλεδ
περσοναλ διγιταλ ασσισταντσ ( Π∆Ασ), σο
τηατ τηεψ χαν ηανδλε τεξτ ανδ γραπηιχσ
ασ ωελλ ασ αυδιο µεσσαγεσ; ϖιδεο ισ νοτ
φαρ βεηινδ. Ινχρεασινγλψ, τηε σοφτωαρε
ρυννινγ ον σµαρτ τερµιναλσ∇τψπι⇒εδ
βψ τηε γραπηιχαλ υσερ ιντερφαχεσ ανδ ιν−
τελλιγεντ σοφτωαρε αγεντσ αϖαιλαβλε το−
δαψ ιν Π∆Ασ∇ωιλλ ωορκ ηανδ ιν ηανδ
ωιτη ιντελλιγεντ νετωορκσ το ενηανχε
πορταβλε χοµµυνιχατιονσ.
Οϖερ τηε παστ ⇒ϖε ψεαρσ τηε δεµανδ
φορ ωιρελεσσ σερϖιχεσ ηασ ρισεν βεψονδ
αλλ εξπεχτατιονσ. Ιν 1983 σοµε ινδυστρψ
αναλψστσ πρεδιχτεδ τηατ φεωερ τηαν ονε
µιλλιον Αµεριχανσ ωουλδ υσε χελλυλαρ
σερϖιχεσ βψ τηε ψεαρ 2000. Χυρρεντλψ
µορε τηαν 20 µιλλιον δο. Χελλυλαρ σερ−
ϖιχεσ νοω σπεαρηεαδ τηε µαρκετ πενε−
τρατιον οφ ωιρελεσσ χοµµυνιχατιονσ, ασ
τηε νυµβερ οφ χελλυλαρ υσερσ γροωσ αν−
νυαλλψ βψ αππροξιµατελψ 50 περχεντ ιν
Νορτη Αµεριχα, 60 περχεντ ιν ωεστερν
Ευροπε, 70 περχεντ ιν Αυστραλια ανδ
Ασια, ανδ µορε τηαν 200 περχεντ ιν
Σουτη Αµεριχα∏σ λαργεστ µαρκετσ.
Αναλψστσ νοω προϕεχτ τηατ βψ 2001,
τηρεε θυαρτερσ οφ τηε ηουσεηολδσ ιν τηε
Υ.Σ. ανδ νεαρλψ ηαλφ α βιλλιον πεοπλε
ΩΙΡΕΛΕΣΣ ΝΕΤΩΟΡΚΣ βασεδ ον χελλυλαρ
τεχηνολογψ ωιλλ βε τηε ⇒ρστ ινφραστρυχ−
τυρε το προϖιδε τελεπηονε σερϖιχε ιν
σοµε πλαχεσ, συχη ασ ον τηισ ρανχη ιν
Αργεντινα.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
RICHARD PASLEY
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Τηε Σωιτχη το ∆ιγιταλ
Τ
ηε πρεσεντ αναλογ στανδαρδσ υσεδ
βψ µοστ χελλυλαρ σψστεµσ ενχοδε
ϖοιχεσ ανδ εϖεν διγιταλ δατα ιντο χον−
τινυουσ ϖαριατιονσ οφ α χαρριερ ωαϖε,
ωηιχη αρε τηεν δεχοδεδ βψ τηε ρεχειϖερ.
Αλρεαδψ µανψ χελλυλαρ σερϖιχε προϖιδερσ
αρε χονϖερτινγ τηειρ νετωορκσ το ονε οφ
σεϖεραλ διγιταλ στανδαρδσ τηατ τρανσλατε
ϖοιχεσ ανδ δατα ιντο α βιτ στρεαµ, ωηιχη
ισ σεντ ιν ωαϖεφορµσ τηατ ρεπρεσεντ δισ−
χρετε πυλσεσ. Χοµπαρεδ ωιτη τηειρ ανα−
λογ χουντερπαρτσ, διγιταλ σψστεµσ χαν
βοτη εξπανδ τηε χαπαχιτψ οφ τηε µεδιυµ
ανδ χοµπρεσσ τηε µεσσαγεσ ιτ χαρριεσ.
Μοστ χελλυλαρ ανδ ΠΧΣ νετωορκσ ωιλλ
σοον υσε ονε οφ τηε διγιταλ αιρ ιντερφαχε
στανδαρδσ∇δι⇑ερεντ ωαψσ οφ σηαρινγ
τηε λιµιτεδ σπεχτρυµ αµονγ µανψ υσ−
ερσ ατ α τιµε∇τηατ αρε νοω ϖψινγ φορ αχ−
χεπτανχε. Ωηετηερ ονε ωιλλ εϖεντυαλλψ
ωιν ουτ ρεµαινσ το βε σεεν. Ιν τηε µοστ
λικελψ σχεναριο, ιντελλιγεντ βασε στατιονσ
ανδ δυαλ−µοδε τερµιναλσ ωιλλ αδαπτ το α
πατχηωορκ οφ µυλτιπλε−αχχεσσ αιρ ιντερ−
φαχε στανδαρδσ σπρεαδ αχροσσ τηε ωιρε−
λεσσ λανδσχαπε. Βυτ αλλ τηε λεαδινγ διγι−
ταλ αιρ ιντερφαχε στανδαρδσ ο⇑ερ α σιµιλαρ
βενε⇒τ : τηε αβιλιτψ το παχκ µορε βιτσ οφ
χονϖερσατιονσ ιντο α σλιχε οφ σπεχτρυµ
τηαν αν αναλογ σψστεµ χαν.
Ονχε ωιρελεσσ σερϖιχε προϖιδερσ σωιτχη
το διγιταλ, τηεψ χαν φυρτηερ ινχρεασε τηε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
νυµβερ οφ χυστοµερσ σερϖεδ βψ εµπλοψ−
ινγ χοµπρεσσιον τεχηνιθυεσ, ωηιχη αρε
ιµπροϖινγ στεαδιλψ. Α στρεαµ οφ ειγητ
κιλοβιτσ περ σεχονδ χαν τρανσµιτ γοοδ−
θυαλιτψ σπεεχη; βεττερ θυαλιτψ, δελιϖερεδ
νοτ λονγ αγο ατ τηε ρατε οφ 32 κιλοβιτσ
περ σεχονδ, νοω ρεθυιρεσ ονλψ 13.
Σερϖιχε προϖιδερσ χαν αλσο κεεπ αηεαδ
οφ δεµανδ βψ σηρινκινγ τηε σιζε οφ εαχη
χελλ∇τηε αρεα χοϖερεδ βψ α σινγλε βασε
στατιον∇ιν χροωδεδ αρεασ. Ιτ ισ µυχη
εασιερ το αδδ σµαλλ χελλσ ωιτη διγιταλ
στανδαρδσ, σινχε τηεψ προϖιδε ερρορ χορ−
ρεχτιον ανδ ηελπ τηε ρεχειϖερσ ρεσολϖε
ιντερφερενχε βετωεεν αδϕαχεντ χελλσ.
Τηε µοϖε το αλλ−διγιταλ τεχηνολογψ ισ
δριϖινγ χοµµυνιχατιονσ τερµιναλσ το−
ωαρδ γρεατερ φυνχτιοναλιτψ, σµαλλερ σιζε
ανδ λοωερ ποωερ. Πορταβλε τελεπηονεσ
ανδ οτηερ ωιρελεσσ δεϖιχεσ αρε εσσεντιαλ−
λψ µινιατυρε χοµπυτερσ ωιτη σοµε εξ−
τρα ελεχτρονιχσ το τρανσµιτ ανδ ρεχειϖε
ραδιο σιγναλσ. Ασ συχη, τηεψ αρε συσχεπ−
τιβλε το Μοορε∏σ Λαω, αν αξιοµ ⇒ρστ ποσ−
τυλατεδ βψ Γορδον Μοορε, χο−φουνδερ οφ
Ιντελ, ιν 1965. Ιτ οβσερϖεσ τηατ τηε περ−
φορµανχε οφ µασσ−προδυχεδ µιχροχηιπσ
δουβλεσ εϖερψ 18 µοντησ ορ σο.
Εϖερψ ψεαρ ανδ α ηαλφ τηε διγιταλ χηιπσ
νεεδεδ το ρυν α ωιρελεσσ τερµιναλ ορ
βασε στατιον σηρινκ βψ αβουτ 50 περχεντ.
Αλρεαδψ χελλυλαρ τελεπηονεσ αρε σλιππεδ
ιντο ποχκετσ. Σοον τηεψ χουλδ βε
στραππεδ οντο ωριστσ. Αναλογ βασε στα−
τιονσ τηατ χυρρεντλψ ρεθυιρε τοωερσ, ρεαλ
εστατε ανδ αιρ−χονδιτιονεδ σηαχκσ ωιλλ
εϖεντυαλλψ βε ρεπλαχεδ βψ ινχονσπιχυουσ
διγιταλ βασε στατιονσ σερϖινγ µινιχελλσ.
Μιχροχελλ σψστεµσ δεπλοψεδ το χοϖερ
ϖερψ σµαλλ αρεασ µαψ εϖεν βεχοµε τηε
σιζε οφ α σµοκε δετεχτορ.
Οϖερ τηε νεξτ φεω ψεαρσ, χαβλε τελεϖι−
σιον οπερατορσ ωιλλ βεγιν αδδινγ βασε
στατιονσ το τηειρ ⇒βερ−οπτιχ ανδ χοαξιαλ−
χαβλε νετωορκσ, χαρρψινγ τελεπηονε τραφ−
φιχ ον υνυσεδ χαβλε χηαννελσ ανδ συπ−
πλψινγ ωιρελεσσ αχχεσσ το νειγηβορηοοδσ
ιν χοµπετιτιον ωιτη οτηερ λοχαλ αχχεσσ
προϖιδερσ. Ιφ τηεψ υσε τηε σαµε αιρ ιν−
τερφαχε στανδαρδ ασ α λοχαλ χελλυλαρ χαρ−
ριερ, τηειρ τελεπηονε χυστοµερσ χουλδ
βε αβλε το πλαχε χαλλσ οϖερ τηε χελλυλαρ
νετωορκ, ανδ ϖιχε ϖερσα. Ποωερ χοµπα−
νιεσ, ωηιχη οων υβιθυιτουσ γριδσ οφ
χοµµυνιχατιονσ ασ ωελλ ασ ποωερ φαχιλ−
ιτιεσ, αρε εντερταινινγ σιµιλαρ τηουγητσ.
∆ατα ον τηε Αιρ
Α
λτηουγη πορταβλε πηονεσ ανδ παγερσ
αρε χερταινλψ χονϖενιεντ∇αφτερ αλλ,
τωο ουτ οφ τηρεε βυσινεσσ χαλλσ στιλλ ενδ
ιν τελεπηονε ταγ∇νεω δεϖιχεσ ανδ
νετωορκ σψστεµσ τηατ χαν τρανσµιτ ανδ
ρεχειϖε τεξτ ανδ ιµαγεσ οϖερ τηε αιρ ωιλλ
P. J. GRIFFITHS Magnum
ωορλδωιδε ωιλλ συβσχριβε το α ωιρελεσσ
σερϖιχε οφ σοµε κινδ. Τηε Φεδεραλ Χοµ−
µυνιχατιονσ Χοµµισσιον ηασ ραισεδ
νεαρλψ ∃8 βιλλιον ιν τηε παστ ψεαρ, ωιτη
µορε το χοµε, βψ αυχτιονινγ λιχενσεσ
το υσε εµεργινγ τεχηνολογιεσ ανδ ραδιο
σπεχτρυµ αρουνδ τηε φρεθυενχψ οφ τωο
γιγαηερτζ το προϖιδε α νεω σετ οφ ωιρε−
λεσσ χαπαβιλιτιεσ κνοων ασ περσοναλ
χοµµυνιχατιονσ σερϖιχεσ, ορ ΠΧΣ. Τηε
τερµσ οφ τηεσε αυχτιονσ ρεθυιρε λιχενσ−
εεσ το µοϖε θυιχκλψ το ινσταλλ τηε ιν−
φραστρυχτυρε νεεδεδ το προϖιδε ΠΧΣ. Τηε
µαγνιτυδε οφ τηε ινϖεστµεντ τηατ ηασ
βεεν µαδε βψ ΠΧΣ λιχενσεεσ ανδ εθυιπ−
µεντ µανυφαχτυρερσ ισ α µεασυρε οφ
τηε ινδυστρψ∏σ χον⇒δενχε ιν τηε προϕεχτ−
εδ µαρκετ δεµανδ. Τηισ πηενοµενον
ισ νοτ λιµιτεδ το τηε Υ.Σ. Βεφορε τηε χεν−
τυρψ ισ ουτ, σερϖιχε προϖιδερσ ιν Ευροπε,
ϑαπαν, Τηαιλανδ, Σινγαπορε, Μαλαψσια,
Χηινα, Αυστραλια, Νεω Ζεαλανδ ανδ Ιν−
δια αλλ ρεπορτεδλψ πλαν το ηαϖε ΠΧΣ σψσ−
τεµσ υπ ανδ ρυννινγ.
Τηε γροωτη οφ τηε ωιρελεσσ µαρκετ
ηασ ινχρεασεδ πρεσσυρε ον ρεγυλατορψ
βοδιεσ το αλλοχατε µορε σπεχτρυµ ανδ
ον σερϖιχε προϖιδερσ το υσε σπεχτρυµ
µορε ε⇔χιεντλψ βψ χονϖερτινγ το διγιταλ
τεχηνολογψ.
ΩΙΡΕΛΕΣΣ ΩΡΙΣΤΠΗΟΝΕ χρεατεδ ατ
ΑΤ&Τ Βελλ Λαβορατοριεσ δεµονστρατεσ
τηατ αλτηουγη τηε µαρκετ µαψ νοτ βε
ρεαδψ φορ ωεαραβλε χοµµυνιχατιονσ δε−
ϖιχεσ, τηε τεχηνολογψ ισ χλοσε ατ ηανδ.
ηαϖε α λαργερ ιµπαχτ, ιν τηε λονγ τερµ,
ον τηε ωαψ πεοπλε χοµµυνιχατε. Βυιλτ−
ιν ραδιο µοδεµσ χαν λινκ λαπτοπσ, Π∆Ασ
ανδ οτηερ ηανδηελδ διγιταλ δεϖιχεσ οϖερ
τοδαψ∏σ πρεδοµιναντλψ αναλογ χελλυλαρ
νετωορκσ, ανδ τηερε αρε σεϖεραλ δεδιχατ−
εδ ωιρελεσσ δατα νετωορκσ ιν σερϖιχε.
∆ιγιταλ χελλυλαρ νετωορκσ φορ µοβιλε ανδ
παχκετ δατα σερϖιχεσ αρε βεγιννινγ το
ο⇑ερ οτηερ αλτερνατιϖεσ. Λιχενσεσ το προ−
ϖιδε ναρροωβανδ ΠΧΣ∇τωο−ωαψ παγ−
ινγ ανδ µοδερατε−σπεεδ δατα µεσσαγ−
ινγ σερϖιχεσ ατ φρεθυενχιεσ αρουνδ 900
µεγαηερτζ∇ωερε αωαρδεδ βψ τηε ΦΧΧ
τηρουγη αυχτιονσ ηελδ ιν 1994.
Φιρστ−γενερατιον ηανδηελδ ωιρελεσσ
χοµπυτερσ διδ νοτ χατχη ον, περηαπσ
βεχαυσε τηεψ ωερε σοµεωηατ αωκωαρδ
ανδ ηαδ τοο λιττλε φυνχτιοναλιτψ φορ τηε
πριχε. Βυτ ασ πεοπλε οφ εϖερψ αγε ανδ
ινχοµε γροω ινχρεασινγλψ φαµιλιαρ ωιτη
ελεχτρονιχ µαιλ, χοµµερχιαλ ον−λινε σερ−
ϖιχεσ ανδ τηε Ιντερνετ, ιτ στανδσ το ρεα−
σον τηατ τηεψ ωιλλ ωαντ αχχεσσ το τηε ιν−
φορµατιον τηεσε µεδια ο⇑ερ ατ ανψ τιµε,
αχχορδινγ το νεεδ ορ ωηιµ∇νοτ ϕυστ
ωηεν τηεψ ηαππεν το βε σιττινγ ατ α
χοµπυτερ.
Ιτ ισ ποσσιβλε το αδαπτ ολδ−φασηιονεδ
δεϖιχεσ το ρεχειϖε νεωφανγλεδ µεσσαγ−
εσ. Σεϖεραλ χοµπανιεσ ο⇑ερ το ⇒λτερ ανδ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
69
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
φορωαρδ Ε−µαιλ, ονε λινε ατ α τιµε, το
ψουρ αλπηανυµεριχ παγερ ϖια σατελλιτε.
Αρτι⇒χιαλ−σπεεχη χηιπσ αρε νοω σοπηισ−
τιχατεδ ανδ ινεξπενσιϖε ενουγη τηατ
τηεψ χουλδ βε πυτ ιντο τελεπηονεσ, σο
τηατ τηεψ ωουλδ ρεαδ ινχοµινγ τεξτ
αλουδ. Βυτ µορε ϖερσατιλε δεϖιχεσ ωιλλ
ρεθυιρε δισπλαψσ ανδ ρεασοναβλψ φαστ
τρανσµισσιον ρατεσ το ηανδλε γραπηιχσ
ανδ τεξτ.
Αναλογ νετωορκ τεχηνολογψ λιµιτσ
δατα χοµµυνιχατιονσ ϖια µοδεµ το
ρελατιϖελψ σλοω σπεεδσ: 14.4 κιλοβιτσ περ
σεχονδ ορ λεσσ. ∆ιγιταλ νετωορκινγ ωιλλ
ηελπ σοµεωηατ βψ ελιµινατινγ χονϖερ−
σιονσ βετωεεν αναλογ ανδ διγιταλ φορ−
µατσ; ιτ ωιλλ νοτ νεχεσσαριλψ ινχρεασε
δατα ρατεσ φορ στανδαρδ σερϖιχε βεψονδ
τηε εθυιϖαλεντ οφ α τελεπηονε λινε.
Εϖεντυαλλψ, εϖεν τηε βοοστ φροµ τηε
πρεσεντ διγιταλ στανδαρδσ ανδ χοµπρεσ−
σιον τεχηνιθυεσ ωιλλ προϖε ινσυ⇔χιεντ
το προϖιδε ενουγη ροοµ το πασσ δατα−
ιντενσιϖε µεσσαγεσ αµονγ ηυνδρεδσ οφ
µιλλιονσ οφ χυστοµερσ. Βψ τηε τυρν οφ τηε
χεντυρψ, ωιρελεσσ φαξεσ ωιλλ βε χοµµον,
ανδ ϖιδεο µαιλ χουλδ βε ωιδελψ υσεδ
τηρουγηουτ ωιρελεσσ ασ ωελλ ασ ωιρε−λινε
νετωορκσ. Ιφ σπεχτρυµ ισ αλλοχατεδ το αχ−
χοµµοδατε τηε ρεσυλτινγ δελυγε οφ ιµ−
αγεσ, ιτ ωιλλ προβαβλψ βε ατ φρεθυενχιεσ
οφ αρουνδ 30 το 40 γιγαηερτζ, αλτηουγη
σοµε ϖιδεο σερϖιχεσ µαψ βε αϖαιλαβλε
ατ 2.5 γιγαηερτζ. Βεχαυσε ραδιο σιγναλσ
ατ τηεσε σηορτ ωαϖελενγτησ βεηαϖε λικε
λιγητ, βυιλδινγσ ανδ εϖεν φολιαγε βλοχκ
τηεµ, ανδ χοϖεραγε ισ εσσεντιαλλψ λιµιτ−
εδ το λινε οφ σιγητ. Σο ωιρελεσσ βροαδ−
βανδ σερϖιχεσ ωουλδ βε ⇒ξεδ ρατηερ
τηαν µοβιλε, ανδ σερϖιχε προϖιδερσ
ωουλδ νεεδ το σηρινκ χελλσ φυρτηερ το
σερϖε λαργε νυµβερσ οφ συβσχριβερσ.
Αιρ ιντερφαχε στανδαρδσ ωιλλ αλσο προβ−
αβλψ εϖολϖε το αχχοµµοδατε βροαδβανδ
δατα ανδ ϖιδεο τρανσµισσιον. Τηε ⇒ρστ
γενερατιον οφ διγιταλ στανδαρδσ πρε−
συµεσ α χιρχυιτλικε χοννεχτιον βετωεεν
τωο δεϖιχεσ φορ αν εντιρε χαλλ. Τηατ αρ−
ρανγεµεντ ισ βεττερ συιτεδ το τελεπηονε
χαλλσ τηαν το συρ⇒νγ τηε Νετ. Τηε Ιντερ−
νετ υσεσ στανδαρδσ βασεδ ον ρουτινγ
ινδιϖιδυαλλψ αδδρεσσεδ παχκετσ οφ δατα.
Τελεπηονε χοµπανιεσ δεσιγνινγ ⇒βερ−
οπτιχ νετωορκσ το χαρρψ ιντεραχτιϖε ϖιδεο
σερϖιχεσ πλαν το χοννεχτ τηεµ ωιτη
βροαδβανδ παχκετ σωιτχηεσ∇υσινγ α
τεχηνολογψ χαλλεδ ασψνχηρονουσ τρανσ−
φερ µοδε, ορ ΑΤΜ∇τηατ χαν σηυντ παχκ−
ετσ οφ δατα, ϖοιχε ανδ ϖιδεο αλονγ τηε
αππροπριατε πατησ ατ εξτρεµελψ φαστ
ρατεσ. Ωιρελεσσ νετωορκσ ωιλλ φολλοω τηισ
τρενδ ωηεν ιτ βεχοµεσ τηε µοστ ε⇔−
χιεντ ωαψ το χοµβινε ϖοιχε ανδ µυλτι−
µεδια σερϖιχεσ. Ιτ ισ ποσσιβλε, ιν φαχτ,
τηατ ωιρελεσσ σερϖιχε προϖιδερσ ανδ χα−
βλε Τς χοµπανιεσ µαψ λεαδ τηε σηιφτ το
ΑΤΜ. Τηε τιµινγ ωιλλ δεπενδ ον εξιστ−
ινγ νετωορκ ασσετσ, τεχηνολογιχαλ πλανσ
ανδ ινϖεστµεντ στρατεγιεσ.
Ιντελλιγενχε ιν Μοτιον
Α
σ πορταβλε τελεπηονεσ γροω ιν ποπ−
υλαριτψ, τηεψ ωιλλ αλσο τενδ το ο⇑ερ
µορε φεατυρεσ. Τεν ψεαρσ φροµ νοω ψου
ωιλλ αλµοστ χερταινλψ στιλλ βε αβλε το βυψ
α σιµπλε ωιρελεσσ δεϖιχε τηατ ισ λιµιτεδ
το ϖοιχε χαλλσ; ιτ ωιλλ προβαβλψ βε θυιτε
ινεξπενσιϖε. Μορε χοµµον, ηοωεϖερ,
ωιλλ βε δεϖιχεσ τηατ χαν ηανδλε φαξεσ
ανδ ϖιδεο ανδ ρυν σοφτωαρε αππλιχα−
τιονσ. ∆ουβτλεσσ τηερε ωιλλ βε µανψ
στψλεσ ωιτη ωιδελψ ϖαρψινγ χαπαβιλιτιεσ.
Τηισ χουλδ χαυσε προβλεµσ. Τηε σµαρτ−
ερ α δεϖιχε µυστ βε, τηε γρεατερ τηε ρισκ
τηατ ιτσ χοµπλεξιτψ ωιλλ βα⇐ε τηε υσερ.
Ανδ δι⇑ερεντ µοδελσ ωιλλ ωορκ δι⇑ερ−
Ωιρελεσσ Τελεπηονψ φορ ∆εϖελοπινγ Χουντριεσ
he same technologies that provide flip-phone service example, announced in February 1994 that it was awardto people on the go can provide basic dial tone to re- ing licenses for the entire country to CTI, a GTE-led congions where it has never been heard before. This is much sortium. By May an 800-cell fixed wireless network that
of the planet: about half the people alive today have never AT&T built for CTI was up and running. It can serve as
made a telephone call. A number of developing countries many as 160,000 subscribers.
Telecommunications, many have observed, constitutes
have expressed a desire to leapfrog over a generation or
two of network technology, using wireless infrastructure the main infrastructure for the global economy. Where
there is a potential for revenue, wireless technology could
to jump-start telephone service.
These countries see two advantages in wireless tele- offer a bootstrap to participation in that market for many
phone systems. The first is cost. Many of the facilities nec- regions of the world that might otherwise be excluded.
essary for a conventional wire-line access network are typically engineered for 20 to 30 years
of service expansion. As a result, the cost of
building such a network where no infrastructure
exists may be prohibitively high.
With a “fixed wireless” network geared for access rather than mobility, a service provider can
cover a large region with base stations and a single unit for switching and control—a significantly
smaller investment. Subscribers can then connect to the global network using portable telephones, wireless public telephones, or terminals
mounted on buildings and wired to conventional
telephones. As the number of subscribers grows,
the service provider can easily add more base
stations to split the area covered by the network
into smaller segments.
The second benefit is time. Wireless networks
can be installed in months rather than the years ΠΑΡΤΣ ΟΦ ΑΡΓΕΝΤΙΝΑ ιναχχεσσιβλε το ωιρε−λινε τελεπηονε σερϖιχε
required to install copper wires. Argentina, for αρε νοω σερϖεδ βψ α ωιρελεσσ νετωορκ βυιλτ ιν λεσσ τηαν σιξ µοντησ.
70
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
RICHARD PASLEY
Τ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
P. J. GRIFFITHS Magnum
εντλψ. Πιχκινγ υπ α φριενδ∏σ τελεπηονε το
µακε α χαλλ µιγητ λεαϖε ψου σταρινγ ατ α
χοµπλετελψ υνφαµιλιαρ υσερ ιντερφαχε.
Ονε ωαψ το σιµπλιφψ τηε οπερατιον οφ
ηανδηελδ ωιρελεσσ γαδγετσ ανδ µακε
τηεµ µορε υσερ−φριενδλψ ισ το πλαχε
σοµε οφ τηε ιντελλιγενχε νεεδεδ το αχ−
χοµπλιση υσεφυλ τασκσ ιν τηε νετωορκ.
Ιντελλιγεντ νετωορκ σερϖιχεσ αϖαιλαβλε
νοω χαν, φορ εξαµπλε, φορωαρδ χαλλσ αυ−
τοµατιχαλλψ το α συβσχριβερ∏σ χαρ, ο⇔χε,
ηοµε, πορταβλε τελεπηονε ορ ϖοιχε µαιλ.
Σοφτωαρε αρχηιτεχτυρεσ ανδ σψστεµσ
τηατ φαχιλιτατε χολλαβορατιον βετωεεν ιν−
τελλιγεντ δεϖιχεσ ανδ ιντελλιγεντ νετ−
ωορκσ ωιλλ ιµπροϖε τηε αχχυραχψ οφ περ−
σοναλ µοβιλιτψ σερϖιχεσ∇ρινγινγ τηε
ριγητ δεϖιχε ον τηε ⇒ρστ τρψ∇ανδ ωιλλ
µακε µυχη µορε σοπηιστιχατεδ ιντερ−
αχτιονσ ποσσιβλε.
Ατ ΑΤ&Τ, ουρ ϖισιον οφ ΠΧΣ ισ τηατ ιτ
ωιλλ δελιϖερ τηε ριγητ σερϖιχε το τηε ριγητ
λοχατιον ανδ δεϖιχε ωιτηουτ ανψ ιντερ−
ϖεντιον βψ τηε χαλλερ ορ τηε συβσχριβερ.
Τηε τριχκ ισ κεεπινγ τραχκ οφ ωηερε συβ−
σχριβερσ αρε. Ονε σολυτιον ισ το υσε περ−
σοναλ νυµβερσ: ονε περ περσον, ινστεαδ
οφ τηε τηρεε, ⇒ϖε, σεϖεν ορ µορε τηατ το−
δαψ αδδρεσσ δι⇑ερεντ δεϖιχεσ ανδ νετ−
ωορκ λοχατιονσ ωηερε α περσον µιγητ
βε ρεαχηεδ. Ρεγιστερ ωιτη τηε νετωορκ,
ανδ τηε νετωορκ ωιλλ τρανσλατε ψουρ περ−
σοναλ νυµβερ, ασ διαλεδ βψ α χαλλερ, το
τηε νυµβερ φορ τηε αππροπριατε λοχαλ
δεϖιχε ορ µαιλβοξ, δεπενδινγ ον τηε
τψπε οφ χαλλ ορ µεσσαγε ανδ ον ψουρ
σερϖιχε πρεφερενχεσ.
Σµαρτ χαρδσ ο⇑ερ ανοτηερ σολυτιον. Ιφ
αλλ τελεπηονεσ ωερε εθυιππεδ ωιτη α
χαρδ ρεαδερ, ψου χουλδ ινσερτ ψουρ χαρδ
ιν τηε νεαρεστ τελεπηονε, εϖεν ιφ ιτ βε−
λονγεδ το σοµεονε ελσε, ανδ ρεγιστερ
ψουρ πρεσενχε ωιτη τηε νετωορκ. Ιτ
ωουλδ τηεν διρεχτ αλλ ψουρ χαλλσ∇ορ περ−
ηαπσ ονλψ τηοσε φροµ α σπεχιαλ λιστ οφ
πριοριτψ νυµβερσ∇το τηατ τελεπηονε. Ορ
ψου χουλδ σιµπλψ σενδ τηε νετωορκ α
νορµαλ δαιλψ σχηεδυλε ανδ υσε τηε χαρδ
το ρεγιστερ εξχεπτιονσ. Πεοπλε ωηο
ωουλδ ρατηερ νοτ βε φουνδ ωουλδ ρεγισ−
τερ τηατ ωιτη τηε νετωορκ, τοο.
Σµαρτ χαρδσ µιγητ αλσο ηελπ γετ
αρουνδ τηε χοµπλεξιτψ οφ υσινγ σοπηισ−
τιχατεδ τελεπηονεσ. Χυρρεντλψ ωηεν ονε
τραϖελσ το ανοτηερ χουντρψ, διαλινγ 911
δοεσ νοτ γετ αν εµεργενχψ οπερατορ;
011 ισ ραρελψ τηε χορρεχτ πρε⇒ξ φορ ιν−
τερνατιοναλ χαλλσ. Συχη χουντρψ−σπεχι⇒χ
χοδεσ µαψ προλιφερατε ασ δεϖιχεσ βε−
χοµε µορε χοµπλεξ. Βυτ αν ιντερφαχε
δεσχριπτιον χουλδ βε στορεδ ον α σµαρτ
χαρδ. Ινσερτ τηατ χαρδ ιν α στρανγε δε−
ϖιχε, ανδ ιτ χουλδ ρεχον⇒γυρε ιτσελφ το
ωορκ ϕυστ λικε ψουρ οων. Ψου ωουλδ νοτ
ηαϖε το λεαρν ηοω το υσε α πλετηορα οφ
ΩΙΡΕΛΕΣΣ ∆ΙΓΙΤΑΛ ςΙ∆ΕΟ ρεσεαρχηερσ ατ Βελλ Λαβσ αρε υσινγ ιννοϖατιϖε σιγναλ−προ−
χεσσινγ τεχηνιθυεσ το µινιµιζε τηε ε⇑εχτσ οφ χοµπρεσσιον ανδ τηε ϖαγαριεσ οφ
τρανσµισσιον τηρουγη τηε αιρ ον ιµαγε θυαλιτψ.
νεω δεϖιχεσ; ινστεαδ τηεψ ωουλδ λεαρν
ηοω το ωορκ ωιτη ψου.
Σµαρτ χαρδσ ηαϖε βεεν τεχηνολογιχαλ−
λψ δεµονστρατεδ. Ωηετηερ τηε βυσινεσσ
ανδ περσοναλ πριϖαχψ ισσυεσ τηεψ ραισε
χαν βε σεττλεδ ισ ανοτηερ µαττερ. Χοµ−
πανιεσ ιν α ωιδε ϖαριετψ οφ βυσινεσσεσ
σεε υσεσ φορ σµαρτ χαρδσ, βυτ εαχη ηασ
αν ιντερεστ ιν χοντρολλινγ τηε περσοναλ
ινφορµατιον τηατ ωιλλ βε στορεδ ον τηεµ.
Τηερε αρε οτηερ, λεσσ χοντροϖερσιαλ
ωαψσ το τραχκ χαλλερσ ανδ το προϖιδε λο−
χατιον−σπεχι⇒χ σερϖιχεσ. Χελλυλαρ σψστεµσ
χαν αλρεαδψ λοχατε α χαλλερ∏σ ποσιτιον το
ωιτηιν α φεω σθυαρε µιλεσ. Α µορε πρε−
χισε αλτερνατιϖε ωουλδ βε το εθυιπ δε−
ϖιχεσ ωιτη Γλοβαλ Ποσιτιονινγ Σψστεµ
ρεχειϖερσ, ωηιχη χαν οφτεν πινποιντ τηειρ
λοχατιον το ωιτηιν αβουτ 100 φεετ υσινγ
σιγναλσ φροµ α χονστελλατιον οφ ορβιτινγ
σατελλιτεσ. Εθυιππινγ χελλ σιτεσ το λοχατε
δεϖιχεσ βψ τριανγυλατιον χουλδ βε λεσσ
εξπενσιϖε τηαν υσινγ τηε ΓΠΣ; τηισ τηιρδ
µετηοδ µιγητ εϖεν βε µορε αχχυρατε.
Ιν εµεργενχιεσ, συχη τεχηνιθυεσ χουλδ
ηελπ 911 σερϖιχεσ ρεαχη χαλλερσ ωηο δο
νοτ κνοω ωηερε τηεψ αρε. Μορε ρουτινε−
λψ, νετωορκσ χουλδ ο⇑ερ χυστοµερσ ιν−
τελλιγεντ αχχεσσ το ιντεραχτιϖε δατα σερ−
ϖιχεσ ιν α κινδ οφ ινφορµατιον µαλλ
τηατ πυλλσ τογετηερ σερϖιχεσ φροµ µανψ
ινδεπενδεντ χοµπανιεσ. Αρριϖινγ ιν αν
υνφαµιλιαρ τοων, α τραϖελερ µιγητ υσε
ηερ Π∆Α το ρεθυεστ α λιστ οφ νεαρβψ Ιταλ−
ιαν ρεσταυραντσ φροµ τηε νετωορκ. Τηε
νετωορκ χουλδ πασσ τηισ ρεθυεστ το α
προγραµ ρυν βψ τηε Ιταλιαν Ρεσταυραντ
Ασσοχιατιον οφ Αµεριχα. Τηε λιστινγ ιτ
γενερατεσ µιγητ τηεν βε σεντ το αν ιν−
τερφαχε προγραµ προϖιδεδ βψ α τηιρδ
χοµπανψ βεφορε αππεαρινγ ον τηε τραϖ−
ελερ∏σ σχρεεν. Ηερ Π∆Α ωουλδ νοτ ηαϖε
το δο µυχη ωορκ ατ αλλ.
Συχη αδϖανχεδ σερϖιχεσ ωιλλ ηαϖε το
ωαιτ φορ τηε βυσινεσσ το δεϖελοπ. Ονε
οφ τηε βιγγεστ ηυρδλεσ ισ βιλλινγ: εϖερψ
χοµπανψ ωαντσ το βε τηε ονε τηατ
βονδσ ωιτη χυστοµερσ ανδ χολλεχτσ ιν−
φορµατιον αβουτ τηεµ, σινχε τηατ χαν
λεαδ το νεω βυσινεσσ οππορτυνιτιεσ.
Υλτιµατελψ, τηε διστινχτιον βετωεεν
ωιρελεσσ ανδ ωιρε−λινε νετωορκσ ωιλλ ρε−
χεδε το τηε ϖανισηινγ ποιντ. Πορταβλε
δεϖιχεσ ωιλλ βε νο µορε δι⇔χυλτ το υσε
τηαν τηειρ ωιρεδ χουντερπαρτσ ανδ ωιλλ
ο⇑ερ εθυιϖαλεντ περφορµανχε ανδ σερ−
ϖιχεσ. Ηιδινγ τηε χοµπλεξιτψ οφ ωιρελεσσ
νετωορκινγ τεχηνολογψ φροµ τηε πεο−
πλε ιτ σερϖεσ ισ αδµιττεδλψ α χηαλλενγε.
Βυτ τηε τεχηνολογψ ισ ηερε ανδ ωιλλ υλτι−
µατελψ βε πυτ το ιτσ προπερ υσε∇µακ−
ινγ ιτσελφ ινϖισιβλε.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΓΕΟΡΓΕ Ι. ΖΨΣΜΑΝ ισ χηιεφ
τεχηνιχαλ ο⇔χερ οφ ΑΤ&Τ ∏σ Νετ−
ωορκ Ωιρελεσσ Σψστεµσ βυσινεσσ
υνιτ ανδ α διρεχτορ οφ ΑΤ&Τ Βελλ
Λαβορατοριεσ.
ΩΙΡΕΛΕΣΣ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ. Σπεχιαλ ισσυε οφ ΑΤ&Τ Τεχηνι−
χαλ ϑουρναλ, ςολ. 72, Νο. 4; ϑυλψ∠Αυγυστ 1993.
ΩΙΡΕΛΕΣΣ ΠΕΡΣΟΝΑΛ ΧΟΜΜΥΝΙΧΑΤΙΟΝΣ. Σπεχιαλ ισσυε οφ
ΙΕΕΕ Χοµµυνιχατιονσ Μαγαζινε, ςολ. 33, Νο. 1; ϑαν−
υαρψ 1995.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
71
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Αλλ−Οπτιχαλ
Νετωορκσ
Fiber optics will become more e¤cient
as light waves replace electrons for processing
signals in communications networks
βψ ςινχεντ Ω. Σ. Χηαν
Χ
οντεµποραρψ ⇒βερ−οπτιχ νετ−
ωορκσ τρανσµιτ ϖοιχε, ϖιδεο ανδ
δατα ατ σπεεδσ 10 το 100 τιµεσ
φαστερ τηαν τηε στανδαρδ χοππερ ωιρινγ
τηατ ηασ βεεν υσεδ ιν τελεχοµµυνιχα−
τιονσ φορ οϖερ α χεντυρψ. Τηεψ ηαϖε,
νονετηελεσσ, ρεαλιζεδ ονλψ α σµαλλ φραχ−
τιον οφ τηε προµισε οφ τηε τεχηνολογψ.
Το φυλ⇒λλ ιτσ ποτεντιαλ, ⇒βερ οπτιχσ
µυστ δο µορε τηαν σιµπλψ ρεπλαχε χοπ−
περ τελεπηονε ωιρινγ ωιτη τηιν, χψλινδρι−
TRANSMITTER/
RECEIVER
VIDEO
CAMERA
χαλ χονδυιτσ οφ γλασσ τηατ γυιδε λιγητ.
Οπτιχαλ τρανσµισσιον µυστ ιν φαχτ γο
βεψονδ τηε λιµιτατιονσ ιµποσεδ βψ τηε
ελεχτρονιχσ τεχηνολογψ τηατ πρεχεδεδ ιτ.
Ιν χοντεµποραρψ ⇒βερ−οπτιχ νετωορκσ,
εαχη τιµε α λιγητ πυλσε ισ αµπλι⇒εδ,
σωιτχηεδ, ινσερτεδ ιντο ορ ρεµοϖεδ φροµ
τηε νετωορκ, ιτ µυστ βε χηανγεδ ιντο α
στρεαµ οφ ελεχτρονσ φορ προχεσσινγ. Τηισ
οπτοελεχτρονιχ χονϖερσιον χαν βεχοµε
αν ιµπεδιµεντ ιν ϖερψ ηιγη σπεεδ χοµ−
µυνιχατιονσ. Α νετωορκ µυστ βε
σαδδλεδ ωιτη µορε εξπενσιϖε ανδ
χοµπλεξ ελεχτρονιχσ, ανδ ιτ βεχοµεσ
µορε δι⇔χυλτ το προχεσσ τηε σµαλλ−
ερ πυλσεσ οφ λιγητ νεεδεδ το τρανσ−
µιτ τενσ οφ γιγαβιτσ (α γιγαβιτ ισ α
βιλλιον βιτσ) οφ διγιταλ ινφορµατιον
ιν α σεχονδ∏σ τιµε. Αβοϖε α χερταιν
τρανσµισσιον σπεεδ∇αβουτ 50 γιγα−
βιτσ περ σεχονδ∇ελεχτρονιχ εθυιπ−
µεντ ωιλλ ⇒νδ ιτ ηαρδ το ηανδλε
τηισ χονσταντ βαχκ−ανδ−φορτη τρανσ−
φορµατιον βετωεεν ελεχτρονσ ανδ
λιγητ ωαϖεσ.
Ιτ ωουλδ βε σιµπλερ, φαστερ ανδ
µορε εχονοµιχαλ το τρανσφερ αν οπ−
τιχαλ σιγναλ φροµ ονε ενδ οφ α νετ−
VIDEO
CAMERA
ωορκ το τηε οτηερ βψ υσινγ τηε προπερ−
τιεσ οφ τηε λιγητ ωαϖε ιτσελφ το ρουτε τηε
τρανσµισσιον αλονγ δι⇑ερεντ πατηωαψσ
τηρουγη τηε νετωορκ. Τηε σιγναλ ωουλδ
βεχοµε ελεχτρονιχ ονλψ ωηεν ιτ µοϖεδ
ιντο τηε χιρχυιτσ οφ τηε χοµπυτερ φορ
ωηιχη ιτ ισ δεστινεδ ορ ελσε ιντο α λοω−
ερ−σπεεδ νετωορκ τηατ στιλλ εµπλοψσ
ελεχτρονιχ προχεσσινγ οφ σιγναλσ.
Τηισ αλλ−οπτιχαλ νετωορκ ωουλδ βυιλδ
ον τηε συχχεσσεσ οφ ⇒βερ−οπτιχσ νετ−
ωορκσ χυρρεντλψ δεπλοψεδ χοµµερχιαλλψ
τηατ ρελψ ον οπτοελεχτρονιχ χοµπονεντσ
φορ σιγναλ προχεσσινγ. Χοµµερχιαλ ⇒βερ−
οπτιχ χαβλεσ οωνεδ βψ λονγ−διστανχε
τελεχοµµυνιχατιονσ χοµπανιεσ, φορ εξ−
αµπλε, τρανσφερ τελεπηονε χαλλσ ανδ ϖιδ−
εο ιµαγεσ ασ διγιταλ βιτσ, ασ µανψ ασ 2.5
γιγαβιτσ εαχη σεχονδ περ ⇒βερ. Τηισ µυλ−
τιγιγαβιτ τρανσπορτ οφ ινφορµατιον ισ φαστ
ενουγη το µοϖε αν εδιτιον οφ τηε Ενχψ−
χλοπαεδια Βριταννιχα φροµ χοαστ το χοαστ
ιν α σεχονδ∏σ τιµε. Βυτ ιφ χοµµυνιχα−
τιονσ τρα⇔χ γροωσ δραµατιχαλλψ, ρελιανχε
ον οπτοελεχτρονιχσ ωιλλ εϖεντυαλλψ λιµιτ
τηε αβιλιτψ οφ τηεσε νετωορκσ το χαρρψ
µορε ινφορµατιον.
Ωιτη συχη ηυγε χοµµυνιχατιονσ πιπεσ
αλρεαδψ ιν πλαχε, ονε µιγητ εϖεν θυεσ−
τιον τηε νεχεσσιτψ οφ πυρσυινγ τηε δε−
ϖελοπµεντ οφ τεχηνολογιεσ τηατ χαν ιν−
χρεασε νετωορκ χαπαχιτψ 100−φολδ. Ιν φαχτ,
δυρινγ τηε εαρλψ 1990σ, χορπορατε ⇒ναν−
χιαλ ο⇔χερσ ατ µαϕορ Υ.Σ. τελεχοµµυ−
νιχατιονσ χοµπανιεσ χιτεδ αν αππαρεντ
συρφειτ οφ χοµµυνιχατιονσ χαπαχιτψ ανδ
αν αβσενχε οφ µαρκετ δεµανδ το ϕυστιφψ
βυδγετ ρεδυχτιονσ τηατ λεδ το τηε ϖιρτυ−
αλ δισαππεαρανχε οφ ⇒βερ−χοµµυνιχα−
τιονσ ρεσεαρχη δεπαρτµεντσ ιν τηε Υ.Σ.
∆εσπιτε συχη διρε πρεδιχτιονσ, τηε ρεϖ−
ολυτιον ιν ηιγη−σπεεδ ⇒βερ χοµµυνιχα−
τιονσ µαψ ηαϖε ονλψ ϕυστ βεγυν. Τηε αδ−
ϖεντ οφ α µαρκετ φορ διγιταλ ϖιδεο χουλδ
οϖερωηελµ τηε φαστεστ χοµµερχιαλ οπ−
τιχαλ νετωορκσ. ∆ιγιταλ ϖιδεο ωιλλ ρεθυιρε
υπ το 500 τιµεσ τηε χοµµυνιχατιονσ
χαπαχιτψ, ορ βανδωιδτη, νεεδεδ φορ τηε
ΑΛΛ−ΟΠΤΙΧΑΛ ΝΕΤΩΟΡΚΣ οπερατε ωιτηουτ χονϖερτινγ τηε οπτιχαλ σιγναλ το αν
ελεχτρονιχ φορµατ. Εαχη χοµπυτερ ορ ϖιδεο χαµερα ιν α σεγµεντ οφ τηε νετ−
ωορκ, ορ συβνετωορκ, συχη ασ τηε ονε ατ τηε λεφτ, υσεσ α τρανσµιττερ το σενδ α
σινγλε ωαϖελενγτη∇ρεπρεσεντεδ βψ τηε χολορεδ λινεσ. Εαχη ωαϖελενγτη χαν
χαρρψ σεϖεραλ γιγαβιτσ περ σεχονδ. Τηε τηρεε σιγναλσ αρε µυλτιπλεξεδ, ορ
µεργεδ, ιντο αν οπτιχαλ ⇒βερ ανδ αρε σεντ τηρουγη αν οπτιχαλ αµπλι⇒ερ τηατ
βοοστσ τηε σιγναλσ. Τηεν εαχη ωαϖελενγτη µοϖεσ ιντο α ρουτερ, φροµ ωηιχη ιτ
ισ σεντ το οτηερ συβνετωορκσ. Ιφ τωο σιγναλσ σηαρε τηε σαµε ωαϖελενγτη ωιτηιν
τηε σαµε ⇒βερ∇ασ ηαππενσ ιν τηε συβνετωορκ ατ τηε υππερ ριγητ∇α ωαϖελενγτη
χονϖερτερ χηανγεσ ονε οφ τηε σιγναλσ το α δι⇑ερεντ ωαϖελενγτη το αϖοιδ α
χον⇓ιχτ; τηε σιγναλ φροµ τηε ρουτερ ισ σωιτχηεδ φροµ ρεδ το βλυε, φορ εξαµπλε.
COUPLER
72
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ρουτινε τελεπηονε χαλλσ τρανσµιττεδ οϖερ
⇒βερ−οπτιχ νετωορκσ.
Συχη α νετωορκ ωουλδ αλσο αχχοµµο−
δατε τηε ⇓οω οφ ενορµουσ θυαντιτιεσ οφ
διγιταλ δατα. Προποσαλσ αβουνδ το χρεατε
ον−λινε λιβραριεσ λαργε ενουγη το ηολδ αλλ
τηε τεξτ, ιµαγεσ ανδ αυδιο αρχηιϖεσ φροµ
τηε εντιρε Λιβραρψ οφ Χονγρεσσ. Α χοµ−
µυνιχατιονσ νετωορκ τηατ χουλδ τρανσ−
µιτ τεραβιτσ (τριλλιονσ οφ βιτσ) οφ ινφορ−
µατιον χουλδ οπεν τηε φυλλ ρεσουρχεσ οφ
α ρεσεαρχη λιβραρψ το εϖερψ ηοµε, σχηοολ,
ο⇔χε ανδ λαβορατορψ.
Φορ τηεσε σχεναριοσ το µατεριαλιζε,
πηψσιχιστσ ανδ ενγινεερσ µυστ δεϖισε
µετηοδσ το υσε µορε οφ αν οπτιχαλ ⇒−
βερ∏σ χαπαχιτψ. Α σινγλε ⇒βερ χουλδ, ιν
τηεορψ, τρανσπορτ 25 τεραβιτσ εαχη σεχ−
ονδ, αν αµουντ συ⇔χιεντ το χαρρψ σι−
µυλτανεουσλψ αλλ τηε τελεπηονε χαλλσ ιν
τηε Υ.Σ. ον Μοτηερ∏σ ∆αψ. Βυτ τηε πραχ−
τιχαλ ινφορµατιον−χαρρψινγ ρατε οφ α ⇒−
βερ ισ µυχη µορε λιµιτεδ: ιτ ισ χηεχκεδ
βψ τηε τενδενχψ οφ α πυλσε ρεπρεσεντινγ
α διγιταλ 0 ορ 1 το λοσε ιτσ σηαπε οϖερ
λονγ διστανχεσ, ασ ωελλ ασ τηε αβσενχε
οφ οπτιχαλ χοµπονεντσ τηατ χαν προχεσσ
ινφορµατιον ατ τηεσε βλαζινγ σπεεδσ.
Ρεχεντ ρεσεαρχη αδϖανχεσ ηολδ προµισε
φορ ταππινγ µυχη µορε οφ α νετωορκ∏σ
υνυσεδ βανδωιδτη.
Τεχηνιχαλ Μιλεστονεσ
α ϕουρνεψ οφ τενσ οφ µιλεσ. Οπτιχαλ αµ−
πλι⇒ερσ, ωηιχη ηαϖε ρεχεντλψ βεεν δε−
πλοψεδ ιν χοµµερχιαλ νετωορκσ, δεµ−
ονστρατε συπεριορ περφορµανχε φορ ϖερψ
ηιγη σπεεδ νετωορκινγ: υνλικε ελεχτρον−
ιχ αµπλι⇒ερσ, τηεψ χαν αµπλιφψ α σιγναλ
χαρρψινγ δατα ατ τρανσµισσιον σπεεδσ
γρεατερ τηαν 50 γιγαβιτσ περ σεχονδ,
ανδ τηεψ χαν βοοστ τηε ποωερ οφ µανψ
ωαϖελενγτησ σιµυλτανεουσλψ.
Οπτιχαλ µυλτιπλεξινγ τεχηνολογψ, φορ
ονε, αλλοωσ α ⇒βερ το βε υσεδ µορε ε⇔−
χιεντλψ βεχαυσε σεπαρατε δατα−χαρρψινγ
σιγναλσ χαν βε σεντ οϖερ τηε σαµε ⇒βερ.
Μυλτιπλεξινγ ισ ιµπορταντ βεχαυσε οφ
τηε δεµανδσ ον χαπαχιτψ τηατ χουλδ βε
πυτ ον φυτυρε νετωορκσ. Α τελεϖισιον
προγραµ ωιτη ηιγη−ρεσολυτιον ιµαγεσ,
φορ ινστανχε, χουλδ χονσυµε υπ το α
γιγαβιτ περ σεχονδ οφ βανδωιδτη ιφ τηε
δατα ιν τηε ιµαγε αρε νοτ χοµπρεσσεδ.
Τηε σιµπλεστ φορµ, χαλλεδ ωαϖελενγτη−
διϖισιον µυλτιπλεξινγ, ισ αναλογουσ το
ραδιο βροαδχαστινγ [σεε ιλλυστρατιον ον
τηεσε τωο παγεσ]. Εαχη τρανσµιττερ ον
τηισ νετωορκ χονταινσ α λασερ τηατ χαν
βε αδϕυστεδ το δισπατχη α σιγναλ ατ α
χερταιν ωαϖελενγτη, ορ χολορ, οφ λιγητ.
ϑυστ ασ α τρανσιστορ ραδιο χαν βε σετ
το πιχκ υπ α χερταιν φρεθυενχψ, αν οπτο−
ελεχτρονιχ ρεχειϖερ χαν βε τυνεδ το τηε
δεσιρεδ λιγητ ωαϖελενγτη. Ιν τηε λαβορα−
Μ
ανψ εξιστινγ ρεσεαρχη ε⇑ορτσ ατ−
τεµπτ το βυιλδ ον τηε µοστ ιµπορ−
ταντ δεϖελοπµεντ ιν οπτιχαλ χοµµυνι−
χατιονσ οφ τηε παστ δεχαδε: τηε οπτιχαλ
αµπλι⇒ερ. Τηε δεϖιχε αλλοωσ τηε ποωερ
οφ α σιγναλ το βε ρεστορεδ το ιτσ οριγιναλ
στρενγτη ωιτηουτ τηε υσυαλ οπτιχαλ−το−
ελεχτρονιχ χονϖερσιον. Ιν αν οπτιχαλ αµ−
πλι⇒ερ, ερβιυµ ιονσ αρε εµβεδδεδ ιν
τηε γλασσ οφ α ⇒βερ. Ωηεν στιµυλατεδ
ωιτη α λασερ, τηε εξχιτεδ ιονσ ρεϖιϖιφψ αν
οπτιχαλ σιγναλ τηατ ηασ ωεακενεδ αφτερ
COUPLER
WAVELENGTH CONVERTER
PUMP
LASER
ERBIUMDOPED
FIBER
OPTICAL
AMPLIFIER
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
MICHAEL GOODMAN
COUPLER
ROUTER
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
73
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
INPUT:
40 GIGABITS
PER SECOND
OUTPUT:
30 GIGABITS
PER SECOND
SIGNAL
SPLITTER
MICHAEL GOODMAN
NONLINEAR OPTICAL LOOP MIRROR
ΟΠΤΙΧΑΛ ∆ΕΜΥΛΤΙΠΛΕΞΕΡ τακεσ α στρεαµ οφ δατα µοϖινγ ατ 40 γιγαβιτσ περ σεχονδ
ανδ βρεακσ ιτ ιντο σεπαρατε λοωερ−σπεεδ τρανσµισσιονσ. Α δεϖιχε χαλλεδ α νονλινεαρ
οπτιχαλ λοοπ µιρρορ ρεχειϖεσ ινχοµινγ λιγητ πυλσεσ (εαχη πυλσε ρεπρεσεντσ ονε βιτ οφ
δατα ) ανδ σπλιτσ ιτ ιν τωο. Τηε σιγναλσ µοϖε τηρουγη τηε λοοπ οφ οπτιχαλ ⇒βερ ιν οπ−
ποσιτε διρεχτιονσ. Α τραιν οφ χοντρολ πυλσεσ ( γρεεν) ανδ τηε βλυε, χλοχκωισε πυλσεσ
ιντεραχτ ωιτη ονε ανοτηερ βεχαυσε οφ χερταιν νονλινεαρ πηψσιχαλ προπερτιεσ ιν τηε
⇒βερ. Τηισ ιντερπλαψ οφ λιγητ πυλσεσ χηανγεσ τηε πηασε οφ σοµε οφ τηε χλοχκωισε
πυλσεσ (σηοων ασ βλυε τυρνινγ το ρεδ ). Αφτερ τηε χοντρολ πυλσε λεαϖεσ τηε λοοπ, τηε
τωο πυλσε στρεαµσ µοϖινγ ιν οπποσιτε διρεχτιονσ µεργε βαχκ ατ τηε σιγναλ σπλιττερ,
εµιττινγ 10−γιγαβιτ−περ−σεχονδ πυλσεσ (ψελλοω) φροµ ονε ⇒βερ ανδ 30−γιγαβιτ−περ−
σεχονδ πυλσεσ ( πυρπλε) φροµ τηε οτηερ.
τορψ, ΑΤ&Τ ηασ σηοων τηατ τηισ µετηοδ
οφ χοµβινινγ σιγναλσ αλλοωσ υπ το 17
δι⇑ερεντ ωαϖελενγτησ, εαχη τρανσπορτινγ
20 γιγαβιτσ περ σεχονδ∇α χαπαχιτψ το−
ταλινγ 340 γιγαβιτσ περ σεχονδ∇το βε
χαρριεδ µορε τηαν 90 µιλεσ.
Βυιλδινγ Συβνετωορκσ
∆
εσπιτε τηε ⇒βερ∏σ ηυγε ποτεντιαλ,
τηε ινφορµατιον−χαρρψινγ χαπαχιτψ
οφ α νετωορκ τηατ υσεσ α λιγητ−ωαϖε
βροαδχαστινγ σχηεµε χαν στιλλ βεχοµε
εξηαυστεδ. Αδϕαχεντ ωαϖελενγτησ οφ
λιγητ χαν τρανσπορτ ονλψ α λιµιτεδ νυµ−
βερ οφ ϖιδεο τρανσµισσιονσ ωιτηουτ ονε
σιγναλ∏σ ιντερφερινγ ωιτη ανοτηερ. Το
αϖοιδ χον⇓ιχτινγ σιγναλσ, α γυαρδ βανδ
ιν αν υνυσεδ πορτιον οφ τηε οπτιχαλ σπεχ−
τρυµ µυστ βε ιντερσπερσεδ βετωεεν
εαχη οφ τηε ωαϖελενγτησ τηατ χονϖεψσ
ινφορµατιον. Τηε πρεσενχε οφ τηε γυαρδ
βανδσ διµινισηεσ τηε υσεφυλ βανδωιδτη.
Βεχαυσε α νετωορκ µαψ ρυν ουτ οφ
χαπαχιτψ, ιτ ωιλλ ηαϖε το βε παρτιτιονεδ
ιντο σεπαρατε σεγµεντσ, εαχη οφ ωηιχη
ισ χαλλεδ α συβνετωορκ. Τηε ωαϖελενγτησ
τηατ χαρρψ µεσσαγεσ ωιτηιν ονε συβνετ−
ωορκ χαν βε ρεαλλοχατεδ φορ σεπαρατε
τρανσµισσιονσ ιν ανοτηερ συβνετωορκ.
Ονχε αγαιν, εξιστινγ βροαδχαστ µεδια
74
πρεσεντ αν αναλογψ : α ραδιο στατιον ιν
Λοσ Ανγελεσ χαν υσε τηε σαµε φρεθυεν−
χιεσ ασ α στατιον ιν Νεω Ψορκ Χιτψ ωιτη−
ουτ ιντερφερενχε.
Βυιλδινγ αν αχτυαλ νετωορκ φροµ τηεσε
χονχεπτσ ποσεσ α νυµβερ οφ τεχηνολογ−
ιχαλ χηαλλενγεσ. Ιν Μαρχη 1995 α χονσορ−
τιυµ τηατ χοµβινεδ τηε ε⇑ορτσ οφ ΑΤ&Τ,
∆ιγιταλ Εθυιπµεντ Χορπορατιον ανδ τηε
Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ
δεµονστρατεδ ωαϖελενγτη−διϖισιον µυλ−
τιπλεξινγ τηατ λινκεδ τογετηερ α νυµβερ
οφ συβνετωορκσ. Εαχη ⇒βερ ον τηισ νετ−
ωορκ, λοχατεδ ιν εαστερν Μασσαχηυσεττσ,
χαν χαρρψ 20 ωαϖελενγτησ, εαχη οφ ωηιχη
χαν τρανσπορτ υπ το 10 γιγαβιτσ περ σεχ−
ονδ οφ διγιταλ δατα. Τηε νετωορκ ωασ
σχηεδυλεδ το βε εξτενδεδ το ινχλυδε αν
ΑΤ&Τ λαβορατορψ ιν Χραωφορδ Ηιλλ, Ν.ϑ.,
δυρινγ τηε συµµερ οφ 1995.
Τηισ Αλλ−Οπτιχαλ Νετωορκσ Προγραµ,
σπονσορεδ βψ τηε ∆επαρτµεντ οφ ∆ε−
φενσε∏σ Αδϖανχεδ Ρεσεαρχη Προϕεχτσ
Αγενχψ (ΑΡΠΑ), ωιτη αδδιτιοναλ ινϖεστ−
µεντσ βψ ΑΤ&Τ ανδ ∆ιγιταλ Εθυιπµεντ
Χορπορατιον, ηασ τεστεδ τηε χριτιχαλ
ηαρδωαρε φορ ωαϖελενγτη−διϖισιον µυλ−
τιπλεξινγ∇τηε λασερσ ανδ ⇒λτερινγ δεϖιχ−
εσ νεεδεδ το σενδ ανδ ρεχειϖε σπεχι⇒χ
ωαϖελενγτησ οϖερ τηε σαµε ⇒βερ.
Ιτ ηασ αλσο εξπλορεδ αν αλλ−οπτιχαλ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
CONTROL
PULSE
OUTPUT:
10 GIGABITS
PER SECOND
µεανσ το σωιτχη τηοσε σιγναλσ το δι⇑ερ−
εντ ⇒βερσ ασ τηεψ µοϖε φροµ ονε συβ−
νετωορκ το ανοτηερ. Α πρισµλικε σωιτχη−
ινγ δεϖιχε χαλλεδ α ρουτερ δι⇑ραχτσ τηε
λιγητ τραϖελινγ τηρουγη α ⇒βερ ιντο ιτσ
χοµπονεντ ωαϖελενγτησ. Εαχη ωαϖε−
λενγτη χαν τηεν βε ρουτεδ αλονγ α διφ−
φερεντ πατηωαψ ιν τηε ρουτερ∏σ σιλιχον−
ανδ−γλασσ στρυχτυρε ανδ ιντο ονε οφ υπ
το 20 ουτπυτ ⇒βερσ τηατ δελιϖερ τηε σιγ−
ναλσ το τηειρ δεστινατιον. Τηε χονσορ−
τιυµ ηασ αλσο τεστεδ αν αλλ−οπτιχαλ δε−
ϖιχε, α ωαϖελενγτη χονϖερτερ, τηατ χαν
χηανγε τηε ωαϖελενγτη∇ωηιχη ισ υσεφυλ
ιφ τωο διστινχτ τρανσµισσιονσ χον⇓ιχτ βψ
αττεµπτινγ το υσε τηε σαµε ωαϖελενγτη.
Βεσιδεσ τηε νετωορκ ιν Μασσαχηυσεττσ,
οτηερ προϕεχτσ ταργετινγ ωαϖελενγτη−δι−
ϖισιον µυλτιπλεξινγ ηαϖε βεεν λαυνχηεδ
ωιτη φυνδινγ φροµ ΑΡΠΑ: ΙΒΜ λεαδσ ονε
ε⇑ορτ ; Βελλ Χοµµυνιχατιονσ Ρεσεαρχη
(Βελλχορε) ηεαδσ ανοτηερ. Τηε Ευροπεαν
Υνιον∏σ ΡΑΧΕ ( Ρεσεαρχη ανδ ∆εϖελοπ−
µεντ φορ Αδϖανχεδ Χοµµυνιχατιονσ ιν
Ευροπε) Προγραµ ηασ αλσο βεγυν το ιν−
ϖεστιγατε τηισ τεχηνολογψ, ασ ηασ ΝΤΤ,
τηε ϑαπανεσε τελεχοµµυνιχατιονσ γιαντ.
Ωαϖελενγτη−διϖισιον µυλτιπλεξινγ ισ
ιδεαλλψ συιτεδ το τηε γροωινγ δεµανδ
φορ ϖιδεο χοµµυνιχατιονσ ιν ωηιχη τωο
λοχατιονσ µαψ βε χοννεχτεδ χοντινυ−
ουσλψ φορ α µαττερ οφ ηουρσ.
Βυτ α δι⇑ερεντ αππροαχη το νετωορκ−
ινγ ωιλλ βε νεεδεδ φορ σενδινγ δατα
φροµ ονε χοµπυτερ το ανοτηερ. Χοµπυτ−
ερ νετωορκσ, ιν χοντραστ το ϖιδεο λινκαγ−
εσ, υσυαλλψ σενδ δατα (συχη ασ α διγιταλ
γραπηιχσ ⇒λε) φροµ ονε ποιντ το ανοτηερ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
ιν σηορτ, ηιγη−σπεεδ βυρστσ. Το αχχοµ−
µοδατε τηισ τψπε οφ τρα⇔χ, χοµπυτερσ
οφτεν χοµµυνιχατε τηρουγη α νετωορκ
ιν ωηιχη τηε δατα µοϖε φροµ α σενδερ το
α ρεχειϖερ ιν δισχρετε υνιτσ χαλλεδ παχκ−
ετσ. Α µεσσαγε µαψ βε βροκεν ιντο µανψ
δισχρετε παχκετσ ανδ τηεν σωιτχηεδ οντο
ονε οφ σεϖεραλ οπεν πατηωαψσ τηατ λεαδ
το α ρεχειϖινγ χοµπυτερ.
Παχκετ−σωιτχηεδ δατα χαν βε τρανσ−
φερρεδ µορε ραπιδλψ ανδ ωιτη λεσσ εξ−
πενσε βεχαυσε τηερε ισ νο νεεδ το σπενδ
τιµε ορ νετωορκ ρεσουρχεσ το εσταβλιση
α δεδιχατεδ πατη βετωεεν α σενδερ ανδ
ρεχειϖερ. Εαχη παχκετ χονταινσ αν αδ−
δρεσσ τηατ δενοτεσ βοτη ιτσ δεστινατιον
ανδ ηοω ιτ ⇒τσ τογετηερ ωιτη οτηερ παχκ−
ετσ τηατ αρε παρτ οφ τηε σαµε µεσσαγε.
Τηε παχκετσ χαν τραϖελ το τηειρ δεστινα−
τιον οϖερ ανψ οφ σεϖεραλ πατηωαψσ
τηρουγη τηε νετωορκ. Τηε παχκετσ αρε
τηεν ρεασσεµβλεδ, λικε τηε πιεχεσ οφ α
πυζζλε, ατ τηε ρεχειϖινγ σιτε το φορµ α
χοηερεντ µεσσαγε.
Τηε Φυτυρε οφ τηε Ιντερνετ
Π
ερηαπσ τηε βεστ−κνοων ελεχτρονιχ
ϖερσιον οφ α παχκετ νετωορκ ισ τηε
Ιντερνετ. Τηε τεχηνολογιχαλ φυτυρε οφ τηε
Ιντερνετ µαψ βε γλεανεδ βψ εξαµινινγ
αδϖανχεδ ρεσεαρχη ιν οπτιχαλ−παχκετ
νετωορκσ. Ιν συχη α νετωορκ, α σινγλε
ωαϖελενγτη ωουλδ χαρρψ πυλσεσ οφ λιγητ
φροµ α λασερ τηατ χαν σωιτχη ο⇑ ανδ ον
ιν α τριλλιοντη οφ α σεχονδ. Τηε λιγητ
πυλσεσ αρε γενερατεδ βψ λασερσ θυιχκλψ
ενουγη το τρανσµιτ ασ µανψ ασ 100 γι−
γαβιτσ εαχη σεχονδ, ωιτη εαχη πυλσε ρεπ−
ρεσεντινγ ονε βιτ. Εαχη πυλσε ωουλδ βε
χοµβινεδ ωιτη περηαπσ 10,000 ορ σο
οτηερ πυλσεσ φροµ τηε σαµε λασερ το χρε−
ατε α δατα παχκετ.
Ασ ωιτη ωαϖελενγτη−διϖισιον µυλτι−
πλεξινγ, ονε οφ τηε πρινχιπαλ χηαλλενγεσ
ιν βυιλδινγ συχη αν οπτιχαλ συπερηιγη−
ωαψ ισ το µυλτιπλεξ ανδ σωιτχη τηεσε
παχκετσ οφ δατα ωιτηουτ ηαϖινγ το χον−
ϖερτ τηεµ το αν ελεχτρονιχ σιγναλ. Α ⇒−
βερ µαψ τρανσµιτ α τοταλ οφ 100 γιγαβιτσ
εαχη σεχονδ βυτ ισ διϖιδεδ ιντο δεσιγνατ−
εδ τιµε ιντερϖαλσ σο τηατ 10 υσερσ, σαψ,
χαν εαχη σενδ 10 γιγαβιτσ περ σεχονδ.
Εαχη σενδερ οφ δατα χαν βε ασσιγνεδ
α σλοτ οφ τιµε ιν ωηιχη το πλαχε παχκετσ
ωιτη 10 γιγαβιτσ περ σεχονδ οφ δατα οντο
τηε νετωορκ, ορ ιτ µαψ τρανσµιτ τηεµ ιν
ανψ υνυσεδ τιµε σλοτ. Τηε παχκετσ φροµ
ονε σενδερ γετ ιντερσπερσεδ ωιτη παχκ−
ετσ φροµ οτηερ σενδερσ, εαχη οφ τηεµ
ηαϖινγ α δι⇑ερεντ τιµε ιντερϖαλ ιν ωηιχη
το τρανσµιτ α µεσσαγε. Βεχαυσε χοµ−
µυνιχατιονσ χαπαχιτψ ισ αππορτιονεδ βψ
τιµε, νοτ ωαϖελενγτη, τηε τεχηνιθυε ισ
χαλλεδ τιµε−διϖισιον µυλτιπλεξινγ.
Ατ Μ.Ι.Τ., ωε ηαϖε βεεν ωορκινγ ον
τηε τεχηνολογιεσ ανδ δεσιγνσ φορ α 100−
γιγαβιτ−περ−σεχονδ, αλλ−οπτιχαλ νετωορκ
υσινγ τηισ µυλτιπλεξινγ τεχηνιθυε. Τηε
νετωορκ ηαρδωαρε υνδερ δεϖελοπµεντ
ρανγεσ φροµ ηιγη−σπεεδ λασερσ τηατ χαν
τρανσµιτ 100 βιλλιον πυλσεσ περ σεχονδ
το οπτιχαλ βυ⇑ερσ φορ στορινγ πυλσεσ.
Ιν ονε προϕεχτ, ωε ηαϖε σηοων ηοω το
εξτραχτ δατα φροµ α ⇒βερ τρανσπορτινγ α
τοταλ οφ 40 γιγαβιτσ οφ δατα υσινγ τιµε−
διϖισιον µυλτιπλεξινγ. Α δεϖιχε κνοων
ασ α νονλινεαρ οπτιχαλ λοοπ µιρρορ ισ χα−
παβλε οφ προχεσσινγ τηε οπτιχαλ σιγναλ το
µυλτιπλεξ, δεµυλτιπλεξ, σωιτχη ορ εϖεν
στορε ινφορµατιον. Φορ δεµυλτιπλεξινγ, ιτ
ρεχειϖεσ λιγητ πυλσεσ φροµ α ⇒βερ τρανσ−
πορτινγ α 40−γιγαβιτ−περ−σεχονδ στρεαµ
οφ δατα. Ιν τηε λοοπ µιρρορ, ωηιχη ισ α
χιρχυλαρ στρανδ οφ ⇒βερ ωιτη σπεχιαλ µα−
τεριαλ προπερτιεσ, τηε οπτιχαλ σιγναλ ιντερ−
αχτσ ωιτη ανοτηερ σεριεσ οφ λιγητ πυλσεσ
τηατ ηαϖε βεεν ινϕεχτεδ ιντο τηε δεϖιχε
βψ α λασερ. Τηε ιντεραχτιον οφ τηεσε διφ−
φερεντ τραινσ οφ λιγητ πυλσεσ χαυσεσ α
σιγναλ το εµεργε, ανδ ιτ τρανσπορτσ 10
γιγαβιτσ οφ τηε δατα ιντο α νεω ⇒βερ.
Ατ τηε σαµε τιµε, τηε οριγιναλ σιγναλ∇
νοω χαρρψινγ τηε ρεµαινινγ 30 γιγαβιτσ
περ σεχονδ οφ δατα∇ρετυρνσ το τηε ⇒−
βερ φροµ ωηιχη ιτ εντερεδ τηε µιρρορ. Ιφ
δεµυλτιπλεξινγ ισ νοτ δεσιρεδ, τηε λιγητ
ρετυρνσ το τηε οριγιναλ ⇒βερ υναλτερεδ,
στιλλ τρανσπορτινγ τηε φυλλ 40 γιγαβιτσ
περ σεχονδ οφ δατα [σεε ιλλυστρατιον ον
παγε 74]. Μ.Ι.Τ. ισ νοτ αλονε ιν ιτσ ρε−
σεαρχη. Ρεχεντλψ ΝΤΤ περφορµεδ α σιµ−
ιλαρ εξπεριµεντ ωιτη α 100−γιγαβιτ−περ−
σεχονδ τρανσµισσιον.
Τηε οπτιχαλ λοοπ µιρρορ χαν αλσο σερϖε
ασ α διγιταλ−προχεσσινγ δεϖιχε. Ιν δεµυλ−
τιπλεξινγ τηε σιγναλ, τηε λοοπ µιρρορ ει−
τηερ µοδι⇒εσ τηε σιγναλ ορ λεαϖεσ ιτ υν−
χηανγεδ∇αν ον−ορ−ο⇑ στατε ιδεντιχαλ το
τηε 0 ορ 1 οφ διγιταλ λογιχ. Βψ χηαινινγ
τογετηερ σεϖεραλ λοοπ µιρρορσ, α λογιχ δε−
ϖιχε χαν βε φασηιονεδ τηατ ρεαδσ τηε
αδδρεσσεσ ιν παχκετσ οφ δατα.
Νετωορκ δεσιγνερσ χουλδ χοµβινε οπ−
τιχαλ λογιχ ανδ δεµυλτιπλεξινγ το βυιλδ
α ρυδιµενταρψ χοµµυνιχατιονσ σωιτχη.
Τηε λογιχ δεϖιχεσ ωουλδ δετερµινε
ωηετηερ σοµε οφ τηε δατα σηουλδ βε υν−
λοαδεδ φροµ τηε ινχοµινγ σιγναλ βψ
ρεαδινγ τηε αδδρεσσ οφ α παχκετ∇ανδ,
ιφ σο, τηε δεµυλτιπλεξερ ωουλδ σωιτχη
τηε δεσιρεδ δατα το ονε οφ σεϖεραλ ουτ−
πυτ ⇒βερσ φορ ρουτινγ το τηε αππροπρι−
ατε χοµπυτερ ορ συβνετωορκ.
Μ.Ι.Τ. ρεσεαρχηερσ ηαϖε αλσο υσεδ αν
οπτιχαλ ⇒βερ το χονστρυχτ αν οπτιχαλ στορ−
αγε δεϖιχε, α βυ⇑ερ τηατ χαν ρεταιν λιγητ
πυλσεσ τεµποραριλψ βεφορε τηεψ αρε ρουτ−
εδ το τηειρ δεστινατιον. Ιν τηε προτοτψπε,
α σιγναλ τηατ εντερσ τηε λοοπ ισ χηαν−
νελεδ τηρουγη α σεριεσ οφ δεϖιχεσ τηατ
ρεστορε ανδ χονδιτιον τηε σιγναλ. Τηε
αβιλιτψ το βυ⇑ερ ινφορµατιον ιν τηεσε
δεϖιχεσ ισ ενηανχεδ βψ α τψπε οφ λιγητ
πυλσε χαλλεδ α σολιτον, ωηιχη ρεταινσ ιτσ
οριγιναλ σηαπε αλµοστ ινδε⇒νιτελψ. Τηε
σολιτον∏σ αβιλιτψ το ρεσιστ δεγραδατιον
αλσο µακεσ ιτ ωελλ συιτεδ φορ λονγ−δισ−
τανχε τρανσµισσιον ον οπτιχαλ νετωορκσ.
Αλλ−οπτιχαλ χοµµυνιχατιονσ ωιλλ, φορ
ψεαρσ το χοµε, φαχε χοµπετιτιον φροµ
ελεχτρονιχ χοµµυνιχατιονσ, ωηοσε πριχε
χοντινυεσ το δροπ ωηιλε ιτσ περφορµανχε
ιµπροϖεσ. Νεϖερτηελεσσ, αν αλλ−οπτιχαλ
νετωορκ ο⇑ερσ χοµπελλινγ αδϖανταγεσ.
Ιτ ωουλδ προϖιδε σο µυχη χαπαχιτψ τηατ
τηε εξχηανγε οφ ϖιδεο ανδ λαργε χοµπυτ−
ερ ⇒λεσ ωουλδ βεχοµε ρουτινε. Α ϖιδεο
χαµχορδερ οωνερ χουλδ πλυγ τηε χαµ−
ερα ιντο α χαβλε ωαλλ ουτλετ ανδ ηαϖε ρελ−
ατιϖεσ αχροσσ τηε χουντρψ παρτιχιπατε ιν
α χηιλδ∏σ βιρτηδαψ τηρουγη ϖιδεο λινκαγ−
εσ. Ιν φαχτ, ονε χαν ονλψ βεγιν το ιµαγ−
ινε τηε υσεσ φορ α νετωορκ ιν ωηιχη
βανδωιδτη βεχοµεσ ασ ινεξπενσιϖε ασ
ελεχτριχιτψ, γασ ορ ωατερ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ςΙΝΧΕΝΤ Ω. Σ. ΧΗΑΝ ισ ασσοχιατε ηεαδ οφ τηε Χοµµυνιχατιονσ ∆ιϖισιον οφ
τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ∏σ Λινχολν Λαβορατορψ. Ηε οϖερσεεσ
προϕεχτσ ιν οπτιχαλ χοµµυνιχατιονσ, σπαχε χοµµυνιχατιονσ ανδ ωιρελεσσ νετ−
ωορκσ. Χηαν ρεχειϖεδ α βαχηελορ∏σ, µαστερ∏σ ανδ Πη.∆. ιν ελεχτριχαλ ενγινεερινγ
φροµ Μ.Ι.Τ. Ον ρεχειϖινγ ηισ δοχτορατε ιν 1974, ηε βεχαµε αν ασσισταντ προφεσ−
σορ ιν τηε σχηοολ οφ ελεχτριχαλ ενγινεερινγ ατ Χορνελλ Υνιϖερσιτψ. Ηε ϕοινεδ Λιν−
χολν Λαβορατορψ ιν 1977. Σινχε 1992 ηε ηασ σερϖεδ ασ διρεχτορ οφ τηε Χονσορ−
τιυµ ον Ωιδεβανδ Αλλ−Οπτιχαλ Νετωορκσ, ωηιχη ισ φυνδεδ βψ τηε Αδϖανχεδ Ρε−
σεαρχη Προϕεχτσ Αγενχψ ασ ωελλ ασ ΑΤ&Τ ανδ ∆ιγιταλ Εθυιπµεντ Χορπορατιον.
Α ΠΡΕΧΟΜΠΕΤΙΤΙςΕ ΧΟΝΣΟΡΤΙΥΜ ΟΝ ΩΙ∆Ε−ΒΑΝ∆ ΑΛΛ−ΟΠ−
ΤΙΧΑΛ ΝΕΤΩΟΡΚΣ. ςινχεντ Ω. Σ. Χηαν ετ αλ. ιν ϑουρναλ οφ
Λιγητωαϖε Τεχηνολογψ, ςολ. 11, Νο. 5∠6; Μαψ 1993.
ΜΥΛΤΙ−ΩΑςΕΛΕΝΓΤΗ ΤΡΑΝΣΠΟΡΤ ΝΕΤΩΟΡΚΣ. Πετερ ϑ.
Χηιδγεψ ιν ΙΕΕΕ Χοµµυνιχατιονσ, ςολ. 32, Νο. 12, παγεσ
28∠35; ∆εχεµβερ 1994.
ΤΟΩΑΡ∆ ΧΥΣΤΟΜΕΡ−ΥΣΑΒΛΕ ΑΛΛ−ΟΠΤΙΧΑΛ ΝΕΤΩΟΡΚΣ.
Παυλ Ε. Γρεεν, ϑρ., ιν ΙΕΕΕ Χοµµυνιχατιονσ, ςολ. 32, Νο.
12, παγεσ 44∠49; ∆εχεµβερ 1994.
76
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Αρτι⇒χιαλ
Ιντελλιγενχε
A crucial storehouse
of commonsense knowledge
is now taking shape
βψ ∆ουγλασ Β. Λενατ
Ο
οφ τηεµ ιµαγινεδ τηατ 40 ψεαρσ λατερ ωε
ωουλδ ηαϖε χοµε συχη α σηορτ διστανχε
τοωαρδ τηατ γοαλ.
Ινδεεδ, ωηατ φεω συχχεσσεσ αρτι⇒χιαλ
ιντελλιγενχε ηασ ηαδ ποιντ υπ τηε ωεακ−
νεσσ οφ χοµπυτεριζεδ ρεασονινγ ασ
µυχη ασ τηεψ δο ιτσ ναρροω στρενγτησ.
Ιν 1965, φορ εξαµπλε, Στανφορδ Υνιϖερσι−
τψ∏σ ∆ενδραλ προϕεχτ αυτοµατεδ σοπηισ−
τιχατεδ ρεασονινγ αβουτ χηεµιχαλ στρυχ−
τυρεσ; ιτ γενερατεδ α λιστ οφ αλλ τηε ποσσι−
βλε τηρεε−διµενσιοναλ στρυχτυρεσ φορ α
χοµπουνδ ανδ τηεν αππλιεδ α σµαλλ σετ
JASON GOLTZ
νε οφ τηε µοστ φρυστρατινγ λεσ−
σονσ χοµπυτερσ ηαϖε ταυγητ
υσ τιµε ανδ τιµε αγαιν ισ τηατ
µανψ οφ τηε αχτιονσ ωε τηινκ οφ ασ διφ−
φιχυλτ αρε εασψ το αυτοµατε∇ανδ ϖιχε
ϖερσα. Ιν 1944 δοζενσ οφ πεοπλε σπεντ
µοντησ περφορµινγ τηε χαλχυλατιονσ ρε−
θυιρεδ φορ τηε Μανηατταν Προϕεχτ. Το−
δαψ τηε τεχηνολογψ το δο τηε σαµε τηινγ
χοστσ πεννιεσ. Ιν χοντραστ, ωηεν ρε−
σεαρχηερσ µετ ατ ∆αρτµουτη Χολλεγε ιν
τηε συµµερ οφ 1956 το λαψ τηε γρουνδ−
ωορκ φορ αρτι⇒χιαλ ιντελλιγενχε (ΑΙ), νονε
οφ σιµπλε ρυλεσ το σελεχτ τηε µοστ πλαυ−
σιβλε ονεσ. Σιµιλαρλψ, ιν 1975 α προγραµ
χαλλεδ Μψχιν συρπασσεδ τηε αϖεραγε
πηψσιχιαν ιν τηε αχχυραχψ ωιτη ωηιχη ιτ
διαγνοσεδ µενινγιτισ ιν πατιεντσ. Ιτ ριγ−
ορουσλψ αππλιεδ τηε χριτερια τηατ εξπερτ
χλινιχιανσ ηαδ δεϖελοπεδ οϖερ τηε ψεαρσ
το διστινγυιση αµονγ τηε τηρεε δι⇑ερ−
εντ χαυσεσ οφ τηε δισεασε. Συχη τασκσ
αρε µυχη βεττερ συιτεδ το α χοµπυτερ
τηαν το α ηυµαν βραιν βεχαυσε τηεψ
χαν βε χοδι⇒εδ ασ α ρελατιϖελψ σµαλλ σετ
οφ ρυλεσ το φολλοω; χοµπυτερσ χαν ρυν
τηρουγη τηε σαµε οπερατιονσ ενδλεσσλψ
ωιτηουτ τιρινγ.
Μεανωηιλε µανψ οφ τηε τασκσ τηατ
αρε εασψ φορ πεοπλε το δο∇⇒γυρε ουτ α
σλυρρεδ ωορδ ιν α χονϖερσατιον ορ ρεχ−
ογνιζε α φριενδ∏σ φαχε ∇αρε αλλ βυτ ιµ−
ποσσιβλε το αυτοµατε, βεχαυσε ωε ηαϖε
νο ρεαλ ιδεα οφ ηοω ωε δο συχη τηινγσ.
Ωηο χαν ωριτε δοων τηε ρυλεσ φορ ρεχ−
ογνιζινγ α φαχε?
Ασ α ρεσυλτ, αµιδ τηε εξπλοσιϖε προγ−
ρεσσ ιν χοµπυτερ νετωορκινγ, υσερ ιντερ−
φαχε αγεντσ ανδ ηαρδωαρε (εαχη χηρονι−
χλεδ ελσεωηερε ιν τηισ ισσυε), αρτι⇒χιαλ
ιντελλιγενχε αππεαρσ το βε αν υνδερ−
αχηιεϖερ. Αφτερ ινιτιαλ γαινσ λεδ το ηιγη
εξπεχτατιονσ δυρινγ τηε λατε 1970σ ανδ
εαρλψ 1980σ, τηερε ωασ α βιττερ βαχκλαση
αγαινστ ΑΙ ιν βοτη ινδυστρψ ανδ γοϖερν−
µεντ. Ιρονιχαλλψ, 11 ψεαρσ αγο, ϕυστ ασ
τηε µανια ωασ ατ ιτσ πεακ, Ι ωροτε αν
αρτιχλε φορ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ [Χοµ−
πυτερ Σοφτωαρε φορ Ιντελλιγεντ Σψστεµσ,
Σεπτεµβερ 1984] ιν ωηιχη Ι δαρεδ το βε
φαιρλψ πεσσιµιστιχ αβουτ τηε χοµινγ δε−
χαδε. Ανδ νοω τηατ τηε ωορλδ ηασ αλλ βυτ
γιϖεν υπ ον τηε ΑΙ δρεαµ, Ι βελιεϖε τηατ
αρτι⇒χιαλ ιντελλιγενχε στανδσ ον τηε βρινκ
οφ συχχεσσ.
Μψ διρε πρεδιχτιονσ αροσε βεχαυσε
τηε προγραµσ τηατ φυελεδ ΑΙ ηψπε ωερε
νοτ σαϖαντσ βυτ ιδιοτ σαϖαντσ. Τηεσε σο−
χαλλεδ εξπερτ σψστεµσ ωερε οφτεν ριγητ,
ιν τηε σπεχι⇒χ αρεασ φορ ωηιχη τηεψ ηαδ
βεεν βυιλτ, βυτ τηεψ ωερε εξτρεµελψ βριτ−
τλε. Γιϖεν εϖεν α σιµπλε προβλεµ ϕυστ
σλιγητλψ βεψονδ τηειρ εξπερτισε, τηεψ
ωουλδ υσυαλλψ γετ α ωρονγ ανσωερ, ωιτη−
ουτ ανψ ρεχογνιτιον τηατ τηεψ ωερε ουτ−
σιδε τηειρ ρανγε οφ χοµπετενχε. Ασκ α
ΧΟΜΜΟΝ ΣΕΝΣΕ υνδεργιρδσ εϖεν τηε
σιµπλεστ τασκσ τηατ πεοπλε περφορµ. Α
περσον σεαρχηινγ φορ πιχτυρεσ οφ ωετ
πεοπλε (λεφτ ), φορ ινστανχε, χαν σχαν
τηρουγη α ϖαστ λιστ οφ χαπτιονσ ανδ πιχκ
ουτ λικελψ χανδιδατεσ βψ βρινγινγ χοµ−
µονσενσε κνοωλεδγε οφ τηε ωορλδ το
βεαρ, εϖεν ιφ τηε ιµαγε δεσχριπτιον χον−
80
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
“Running a marathon entails running for
at least a couple of hours.”
µεδιχαλ προγραµ αβουτ α ρυστψ ολδ χαρ,
ανδ ιτ µιγητ βλιτηελψ διαγνοσε µεασλεσ.
Φυρτηερµορε, τηεσε προγραµσ χουλδ
νοτ σηαρε τηειρ κνοωλεδγε. Μψχιν χουλδ
νοτ ταλκ το προγραµσ τηατ διαγνοσεδ
λυνγ δισεασεσ ορ αδϖισεδ δοχτορσ ον χαν−
χερ χηεµοτηεραπψ, ανδ νονε οφ τηε µεδ−
ιχαλ προγραµσ χουλδ χοµµυνιχατε ωιτη
εξπερτ σχηεδυλινγ σψστεµσ τηατ µιγητ
τρψ το αλλοχατε ηοσπιταλ ρεσουρχεσ. Εαχη
ρεπρεσεντεδ ιτσ βιτ οφ τηε ωορλδ ιν ιδιο−
σψνχρατιχ ανδ ινχοµπατιβλε ωαψσ βε−
χαυσε δεϖελοπερσ ηαδ χυτ χορνερσ βψ ιν−
χορπορατινγ µανψ τασκ−σπεχι⇒χ ασσυµπ−
τιονσ. Τηισ ισ στιλλ τηε χασε τοδαψ.
Νο Προγραµ Ισ αν Ισλανδ
Π
εοπλε σηαρε κνοωλεδγε σο εασιλψ τηατ
ωε σελδοµ εϖεν τηινκ αβουτ ιτ. Υν−
φορτυνατελψ, τηατ µακεσ ιτ αλλ τηε µορε
δι⇔χυλτ το βυιλδ προγραµσ τηατ δο τηε
σαµε. Μανψ οφ τηε πρερεθυισιτε σκιλλσ
ανδ ασσυµπτιονσ ηαϖε βεχοµε ιµπλιχιτ
τηρουγη µιλλεννια οφ χυλτυραλ ανδ βιο−
λογιχαλ εϖολυτιον ανδ τηρουγη υνιϖερσαλ
εαρλψ χηιλδηοοδ εξπεριενχεσ. Βεφορε µα−
χηινεσ χαν σηαρε κνοωλεδγε ασ ⇓εξιβλψ
ασ πεοπλε δο, τηοσε πρερεθυισιτεσ νεεδ
το βε ρεχαπιτυλατεδ σοµεηοω ιν εξπλιχ−
ιτ, χοµπυταβλε φορµσ.
Φορ τηε παστ δεχαδε, ρεσεαρχηερσ ατ
τηε ΧΨΧ προϕεχτ ιν Αυστιν, Τεξ., ηαϖε
βεεν ηαρδ ατ ωορκ δοινγ εξαχτλψ τηατ.
Οριγιναλλψ, τηε γρουπ εξαµινεδ σνιπ−
πετσ οφ νεωσ αρτιχλεσ, νοϖελσ, αδϖερτισε−
µεντσ ανδ τηε λικε ανδ φορ εαχη σεν−
τενχε ασκεδ : Ωηατ διδ τηε ωριτερ ασ−
συµε τηατ τηε ρεαδερ αλρεαδψ κνεω ? Ιτ
ισ τηατ πρερεθυισιτε κνοωλεδγε, νοτ τηε
χοντεντ οφ τηε τεξτ, τηατ ηαδ το βε χοδι−
ταινσ νο σψνονψµ οφ ωετ. Α προγραµ
ωιτη αχχεσσ το τηε σαµε κινδ οφ κνοωλ−
εδγε χαν αλσο περφορµ τηισ τασκ, ρυν−
νινγ τηρουγη α σηορτ χηαιν οφ ινφερ−
ενχεσ (ριγητ ) το δεχιδε ωηετηερ α χαπ−
τιον ισ ρελεϖαντ. Ψετ ωιτηουτ τηοσε φεω
πιεχεσ οφ εϖερψδαψ κνοωλεδγε, νο
αµουντ οφ ρεασονινγ ωουλδ συ⇔χε.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Salvador Garcia is a person who has been
running for more than two hours.
“Running a marathon entails running for
at least a couple of hours."
“Running entails high exertion.”
(Implies (And (∈ e Running) (performedBy e x))
(levelOfPhysicalExertion x e High))
Salvador Garcia has been doing high
exertion for more than two hours.
“Running a marathon entails running for
at“Running
least a couple
of hours."
entails
high exertion.”
“People sweat when doing something at a high
exertion level; they generally start sweating within
10 minutes and continue for at least a couple of
minutes after they stop that activity.”
(Implies (And (∈ x Person)
(levelOfPhysicalExertion x e High)
(duration e (IntervalMin (MinutesDuration 10))))
(ThereExists s
(And (∈ s Sweating)
(doneBy s x)
(temporallySubsumes
s
(TimeIntervalFrom
(DateAfter (StartOf e) (minutesDuration 10))
(DateAfter (EndOf e) (minutesDuration 2)))))))
Salvador Garcia is sweating.
“Running a marathon entails running for
entails
high exertion.”
at“Running
least a couple
of hours."
“People sweat when doing something at a high
exertion level; they generally start sweating
“You’re wet when you sweat.”
(Implies (And (∈ e Sweating) (doneBy e x))
(holdsIn e (wetnessOfObject x Wet)))
LAURIE GRACE
Salvador
Garcia
finishing a
marathon
in 1990.
Salvador Garcia
is wet.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
STEVEN E. SUTTON Duomo
Show me
a person
who is wet.
(Implies (∈ e runningAMarathon)
(And (∈ e Running)
(duration e (IntervalMin (HoursDuration 2)))
(Implies (performedBy e x) ∈ x Person))))
81
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
⇒εδ. Τηισ προχεσσ ηασ λεδ τηε γρουπ το
ρεπρεσεντ 100,000 δισχρετε χονχεπτσ
ανδ αβουτ ονε µιλλιον πιεχεσ οφ χοµ−
µονσενσε κνοωλεδγε αβουτ τηεµ.
Μανψ οφ τηεσε εντιτιεσ∇φορ εξαµπλε,
ΒοδψΟφΩατερ∇δο νοτ χορρεσπονδ το
α σινγλε Ενγλιση ωορδ. Χονϖερσελψ, αν
ιννοχυουσ ωορδ συχη ασ ιν τυρνσ ουτ
το ηαϖε τωο δοζεν µεανινγσ, εαχη χορ−
ρεσπονδινγ το α διστινχτ χονχεπτ. Τηε
ωαψ ιν ωηιχη ψου, τηε ρεαδερ, αρε ιν α
ροοµ ισ δι⇑ερεντ φροµ τηε ωαψ τηε αιρ
ισ ιν τηε ροοµ, τηε ωαψ τηε χαρπετ ισ ιν
τηε ροοµ, τηε ωαψ τηε παιντ ον τηε ωαλλσ
ισ ιν τηε ροοµ ανδ τηε ωαψ α λεττερ ιν α
δεσκ δραωερ ισ ιν τηε ροοµ. Εαχη ωαψ
τηατ σοµετηινγ χαν βε ιν α πλαχε ηασ
δι⇑ερεντ ιµπλιχατιονσ∇τηε λεττερ χαν
βε ρεµοϖεδ φροµ τηε ροοµ, φορ ινστανχε,
ωηερεασ τηε αιρ χαννοτ. Νειτηερ τηε αιρ
νορ τηε λεττερ, ηοωεϖερ, ισ ϖισιβλε ατ ⇒ρστ
γλανχε το σοµεονε εντερινγ τηε ροοµ.
Ωηατ Εϖερψονε Κνοωσ
Μ
οστ οφ τηεσε πιεχεσ οφ κνοωλεδγε
τυρνεδ ουτ νοτ το βε φαχτσ φροµ αν
αλµαναχ ορ δε⇒νιτιονσ φροµ α διχτιο−
ναρψ βυτ ρατηερ χοµµον οβσερϖατιονσ
ανδ ωιδελψ ηελδ βελιεφσ. ΧΨΧ ηαδ το βε
ταυγητ ηοω πεοπλε εατ σουπ, τηατ χηιλ−
δρεν αρε σοµετιµεσ φριγητενεδ βψ ανι−
µαλσ ανδ τηατ πολιχε ιν µοστ χουντριεσ
αρε αρµεδ.
Το µακε µαττερσ εϖεν µορε χοµπλι−
χατεδ, µανψ οφ τηε οβσερϖατιονσ ωε ιν−
χορπορατεδ ιντο ΧΨΧ∏σ κνοωλεδγε βασε
χοντραδιχτ ονε ανοτηερ. Βψ τηε τιµε α
κνοωλεδγε−βασεδ προγραµ γροωσ το
χονταιν µορε τηαν 10,000 ρυλεσ∇1 περ−
χεντ οφ ΧΨΧ∏σ σιζε∇ιτ βεχοµεσ δι⇔χυλτ
το αδδ νεω κνοωλεδγε ωιτηουτ ιντερ−
φερινγ ωιτη σοµετηινγ αλρεαδψ πρεσεντ.
Ωε οϖερχαµε τηισ ηυρδλε βψ παρτιτιον−
ινγ τηε κνοωλεδγε βασε ιντο ηυνδρεδσ
οφ σεπαρατε µιχροτηεοριεσ, ορ χοντεξτσ.
Λικε τηε ινδιϖιδυαλ πλατεσ ιν α συιτ οφ αρ−
µορ, εαχη χοντεξτ ισ φαιρλψ ριγιδ ανδ χον−
σιστεντ, βυτ αρτιχυλατιονσ βετωεεν τηεµ
περµιτ αππαρεντ χοντραδιχτιονσ αµονγ
χοντεξτσ. ΧΨΧ κνοωσ τηατ ∆ραχυλα ωασ α
ϖαµπιρε, βυτ ατ τηε σαµε τιµε ιτ κνοωσ
τηατ ϖαµπιρεσ δο νοτ εξιστ.
Φιχτιοναλ χοντεξτσ (συχη ασ τηε ονε
φορ Βραµ Στοκερ∏σ νοϖελ ) αρε ιµπορταντ
βεχαυσε τηεψ αλλοω ΧΨΧ το υνδερστανδ
µεταπηορσ ανδ υσε αναλογιεσ το σολϖε
προβλεµσ. Μυλτιπλε χοντεξτσ αρε αλσο
υσεφυλ φορ ρεασονινγ ατ δι⇑ερεντ λεϖελσ
οφ δεταιλ, φορ χαπτυρινγ τηε βελιεφσ οφ διφ−
φερεντ αγε γρουπσ, νατιοναλιτιεσ ορ ηισ−
τοριχ εποχησ, ανδ φορ δεσχριβινγ δι⇑ερ−
εντ προγραµσ, εαχη οφ ωηιχη µακεσ ιτσ
οων ασσυµπτιονσ αβουτ τηε σιτυατιον ιν
ωηιχη ιτ ωιλλ βε υσεδ. Ωε χαν εϖεν υσε
αλλ τηε βριττλε ιδιοτ σαϖαντσ φροµ παστ
γενερατιονσ οφ ΑΙ βψ ωραππινγ εαχη ονε
ιν α χοντεξτ τηατ δεσχριβεσ ωηεν ανδ
ηοω το υσε ιτ αππροπριατελψ.
Τηε βρεαδτη οφ ΧΨΧ∏σ κνοωλεδγε ισ
εϖιδεντ εϖεν ιν α σιµπλε δατα ρετριεϖ−
αλ αππλιχατιον ωε βυιλτ ιν 1994, ωηιχη
φετχηεσ ιµαγεσ ωηοσε δεσχριπτιονσ
µατχη τηε χριτερια α υσερ σελεχτσ. Ιν ρε−
σπονσε το α ρεθυεστ φορ πιχτυρεσ χον−
ταινινγ σεατεδ πεοπλε, ΧΨΧ ωασ αβλε το
λοχατε τηισ χαπτιον: Τηερε αρε σοµε
χαρσ. Τηεψ αρε ον α στρεετ. Τηερε αρε
σοµε τρεεσ ον τηε σιδε οφ τηε στρεετ.
Τηεψ αρε σηεδδινγ τηειρ λεαϖεσ. Σοµε οφ
τηεµ αρε ψελλοω ταξιχαβσ. Τηε Νεω Ψορκ
Χιτψ σκψλινε ισ ιν τηε βαχκγρουνδ. Ιτ ισ
συννψ. Τηε προγραµ τηεν υσεδ ιτσ φορ−
µαλιζεδ χοµµον σενσε αβουτ χαρσ∇
τηεψ ηαϖε α δριϖερ∏σ σεατ, ανδ χαρσ ιν
µοτιον αρε γενεραλλψ βεινγ δριϖεν∇το
ινφερ τηατ τηερε ωασ α γοοδ χηανχε τηε
ιµαγε ωασ ρελεϖαντ. Σιµιλαρλψ, ΧΨΧ χουλδ
παρσε τηε ρεθυεστ Σηοω µε ηαππψ πεο−
πλε ανδ δελιϖερ α πιχτυρε ωηοσε χαπτιον
ρεαδσ, Α µαν ωατχηινγ ηισ δαυγητερ
λεαρν το ωαλκ. Νονε οφ τηε ωορδσ αρε
σψνονψµουσ ορ εϖεν χλοσελψ ρελατεδ,
βυτ α λιττλε χοµµον σενσε µακεσ ιτ
εασψ το ⇒νδ τηε χοννεχτιον.
Ρεαδψ φορ Τακεο⇑
Χ
ΨΧ ισ φαρ φροµ χοµπλετε, βυτ ιτ ισ απ−
προαχηινγ τηε λεϖελ ατ ωηιχη ιτ χαν
σερϖε ασ τηε σεεδ φροµ ωηιχη α βασε οφ
σηαρεδ κνοωλεδγε χαν γροω. Προγραµσ
τηατ υνδερστανδ νατυραλ λανγυαγεσ ωιλλ
εµπλοψ τηε εξιστινγ κνοωλεδγε βασε το
χοµπρεηενδ α ωιδε ϖαριετψ οφ τεξτσ λαδ−
εν ωιτη αµβιγυιτψ ανδ µεταπηορ; ιν−
φορµατιον δραων φροµ ΧΨΧ∏σ ρεαδινγσ
ωιλλ αυγµεντ ιτσ χονχεπτσ ανδ τηυσ εν−
αβλε φυρτηερ εξτενσιονσ. ΧΨΧ ωιλλ αλσο
λεαρν βψ δισχοϖερψ, φορµινγ πλαυσιβλε
ηψποτηεσεσ αβουτ τηε ωορλδ ανδ τεστινγ
τηεµ. Ονε οφ τηε προϖοχατιϖε αναλογιεσ
ιτ νοτιχεδ ανδ εξπλορεδ α φεω ψεαρσ αγο
ωασ τηατ βετωεεν α χουντρψ ανδ α φαµι−
λψ. Λικε πεοπλε, ΧΨΧ ωιλλ λεαρν ατ τηε
φρινγεσ οφ ωηατ ιτ αλρεαδψ κνοωσ, ανδ σο
ιτσ χαπαχιτψ φορ εδυχατιον ωιλλ δεπενδ
στρονγλψ ον ιτσ εξιστινγ κνοωλεδγε.
∆υρινγ τηε χοµινγ δεχαδε, ρεσεαρχη−
ερσ ωιλλ ⇓εση ουτ ΧΨΧ∏σ βασε οφ σηαρεδ
κνοωλεδγε βψ βοτη µανυαλ ανδ αυτο−
µατεδ µεανσ. Τηεψ ωιλλ αλσο βεγιν το
βυιλδ αππλιχατιονσ, εµβεδδινγ χοµ−
µον σενσε ιν φαµιλιαρ σορτσ οφ σοφτωαρε
αππλιανχεσ, συχη ασ σπρεαδσηεετσ, δατα−
βασεσ, δοχυµεντ πρεπαρατιον σψστεµσ
ανδ ον−λινε σεαρχη αγεντσ.
Ωορδ προχεσσορσ ωιλλ χηεχκ χοντεντ,
νοτ ϕυστ σπελλινγ ανδ γραµµαρ; ιφ ψου
προµισε ψουρ ρεαδερσ το δισχυσσ αν ισ−
συε λατερ ιν α δοχυµεντ βυτ φαιλ το δο σο,
α ωαρνινγ µαψ αππεαρ ον ψουρ σχρεεν.
Σπρεαδσηεετσ ωιλλ ηιγηλιγητ εντριεσ τηατ
αρε τεχηνιχαλλψ περµισσιβλε βυτ ϖιολατε
χοµµον σενσε. ∆οχυµεντ ρετριεϖαλ προ−
γραµσ ωιλλ υνδερστανδ ενουγη οφ τηε
χοντεντ οφ ωηατ τηεψ αρε σεαρχηινγ∇ανδ
οφ ψουρ θυεριεσ∇το ⇒νδ τηε τεξτσ ψου
αρε λοοκινγ φορ ρεγαρδλεσσ οφ ωηετηερ
τηεψ χονταιν τηε ωορδσ ψου σπεχιφψ.
Τηεσε κινδσ οφ προγραµσ ωιλλ αχτ ιν
χονχερτ ωιτη εξιστινγ τρενδσ ιν χοµπυτ−
ερ ηαρδωαρε ανδ νετωορκσ το µακε
χοµπυτερ−βασεδ σερϖιχεσ εϖερ λεσσ εξ−
πενσιϖε ανδ µορε υβιθυιτουσ, το βυιλδ
στεαδιλψ βεττερ υσερ µοδελσ ανδ αγεντ
σοφτωαρε ανδ το ιµµερσε τηε υσερ δεεπ−
ερ ιν ϖιρτυαλ ενϖιρονµεντσ. Τηε γοαλ οφ
α γενεραλ αρτι⇒χιαλ ιντελλιγενχε ισ ιν σιγητ,
ανδ τηε 21στ−χεντυρψ ωορλδ ωιλλ βε ραδ−
ιχαλλψ χηανγεδ ασ α ρεσυλτ. Τηε λατε Αλλεν
Νεωελλ, ονε οφ τηε ⇒ελδ∏σ φουνδερσ, λικ−
ενεδ τηε χοµινγ ερα το τηε λανδ οφ Φαερψ:
ινανιµατε οβϕεχτσ συχη ασ αππλιανχεσ
χονϖερσινγ ωιτη ψου, νοτ το µεντιον
χονϖερσινγ ανδ χοορδινατινγ ωιτη ονε
ανοτηερ. Υνλικε τηε χρεατυρεσ οφ µοστ
φαιρψ στοριεσ, τηουγη, τηεψ ωιλλ γενεραλλψ
βε πλοττινγ το δο πεοπλε γοοδ, νοτ ιλλ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
∆ΟΥΓΛΑΣ Β. ΛΕΝΑΤ ηασ βεεν ωορκινγ ον τηε χοδι⇒χατιον οφ
χοµµονσενσε κνοωλεδγε φορ µορε τηαν 10 ψεαρσ. Ηε ρεχειϖεδ ηισ
Πη.∆. ιν χοµπυτερ σχιενχε ιν 1976 φροµ Στανφορδ Υνιϖερσιτψ ωιτη α
δεµονστρατιον τηατ χοµπυτερσ χουλδ βε προγραµµεδ το προποσε
οριγιναλ µατηεµατιχαλ τηεορεµσ. Ηε ισ νοω πρεσιδεντ οφ Χψχορπ,
Ινχ., ιν Αυστιν, Τεξ., ανδ α χονσυλτινγ προφεσσορ οφ χοµπυτερ σχι−
ενχε ατ Στανφορδ.
ΒΥΙΛ∆ΙΝΓ ΛΑΡΓΕ ΚΝΟΩΛΕ∆ΓΕ−ΒΑΣΕ∆ ΣΨΣΤΕΜΣ: ΡΕΠΡΕΣΕΝΤΑΤΙΟΝ ΑΝ∆
ΙΝΦΕΡΕΝΧΕ ΙΝ ΤΗΕ ΧΨΧ ΠΡΟϑΕΧΤ. ∆ουγλασ Β. Λενατ ανδ Ρ. ς. Γυηα.
Αδδισον−Ωεσλεψ, 1989.
ΣΙΛΙΧΟΝ ΒΑΒΙΕΣ. Παυλ Ωαλλιχη ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν, ςολ. 265, Νο. 6,
παγεσ 124∠134; ∆εχεµβερ 1991.
ΧΨΧ−Ο. ϑε⇑ρεψ Γολδσµιτη ιν Ωιρεδ, ςολ. 2, Νο. 4, παγεσ 94∠95; Απριλ
1994.
82
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Ιντελλιγεντ
Σοφτωαρε
Programs that can act independently
will ease the burdens
that computers put on people
βψ Παττιε Μαεσ
Χ
οµπυτερσ αρε ασ υβιθυιτουσ ασ
αυτοµοβιλεσ ανδ τοαστερσ, βυτ
εξπλοιτινγ τηειρ χαπαβιλιτιεσ στιλλ
σεεµσ το ρεθυιρε τηε τραινινγ οφ α συπερ−
σονιχ τεστ πιλοτ. ςΧΡ δισπλαψσ βλινκινγ
α χονσταντ 12 νοον αρουνδ τηε ωορλδ
τεστιφψ το τηισ χονυνδρυµ. Ασ ιντεραχτιϖε
τελεϖισιον, παλµτοπ διαριεσ ανδ σµαρτ
χρεδιτ χαρδσ προλιφερατε, τηε γαπ βε−
τωεεν µιλλιονσ οφ υντραινεδ υσερσ ανδ
αν εθυαλ νυµβερ οφ σοπηιστιχατεδ µι−
χροπροχεσσορσ ωιλλ βεχοµε εϖεν µορε
σηαρπλψ αππαρεντ. Ωιτη πεοπλε σπενδ−
ινγ α γροωινγ προπορτιον οφ τηειρ λιϖεσ
ιν φροντ οφ χοµπυτερ σχρεενσ∇ινφορµ−
ινγ ανδ εντερταινινγ ονε ανοτηερ, εξ−
χηανγινγ χορρεσπονδενχε, ωορκινγ,
σηοππινγ ανδ φαλλινγ ιν λοϖε∇σοµε αχ−
χοµµοδατιον µυστ βε φουνδ βετωεεν
λιµιτεδ ηυµαν αττεντιον σπανσ ανδ ιν−
χρεασινγλψ χοµπλεξ χολλεχτιονσ οφ σοφτ−
ωαρε ανδ δατα.
Χοµπυτερσ χυρρεντλψ ρεσπονδ ονλψ το
ωηατ ιντερφαχε δεσιγνερσ χαλλ διρεχτ µα−
νιπυλατιον. Νοτηινγ ηαππενσ υνλεσσ α
περσον γιϖεσ χοµµανδσ φροµ α κεψ−
βοαρδ, µουσε ορ τουχη σχρεεν. Τηε χοµ−
πυτερ ισ µερελψ α πασσιϖε εντιτψ ωαιτινγ
το εξεχυτε σπεχι⇒χ, ηιγηλψ δεταιλεδ ιν−
στρυχτιονσ; ιτ προϖιδεσ λιττλε ηελπ φορ
a
b
ΑΡΤΙΦΙΧΙΑΛ ΕςΟΛΥΤΙΟΝ προδυχεσ σοφτωαρε αγεντσ τηατ χαν
⇒νδ ινφορµατιον µατχηινγ α παρτιχυλαρ υσερ∏σ χριτερια. Ιν τηισ
σχηεµατιχ ρεπρεσεντατιον οφ α σψστεµ βυιλτ βψ τηε αυτηορ, αγεντσ
84
χοµπλεξ τασκσ ορ φορ χαρρψινγ ουτ αχ−
τιονσ (συχη ασ σεαρχηεσ φορ ινφορµατιον)
τηατ µαψ τακε αν ινδε⇒νιτε τιµε.
Ιφ υντραινεδ χονσυµερσ αρε το εµπλοψ
φυτυρε χοµπυτερσ ανδ νετωορκσ ε⇑εχ−
τιϖελψ, διρεχτ µανιπυλατιον ωιλλ ηαϖε το
γιϖε ωαψ το σοµε φορµ οφ δελεγατιον.
Ρεσεαρχηερσ ανδ σοφτωαρε χοµπανιεσ
ηαϖε σετ ηιγη ηοπεσ ον σο−χαλλεδ σοφτ−
ωαρε αγεντσ, ωηιχη κνοω υσερσ∏ ιντερ−
εστσ ανδ χαν αχτ αυτονοµουσλψ ον τηειρ
βεηαλφ. Ινστεαδ οφ εξερχισινγ χοµπλετε
χοντρολ (ανδ τακινγ ρεσπονσιβιλιτψ φορ
εϖερψ µοϖε τηε χοµπυτερ µακεσ), πεο−
πλε ωιλλ βε ενγαγεδ ιν α χοοπερατιϖε προ−
χεσσ ιν ωηιχη βοτη ηυµαν ανδ χοµπυτ−
ερ αγεντσ ινιτιατε χοµµυνιχατιον, µον−
ιτορ εϖεντσ ανδ περφορµ τασκσ το µεετ
α υσερ∏σ γοαλσ.
Τηε αϖεραγε περσον ωιλλ ηαϖε µανψ
αλτερ εγοσ∇ιν ε⇑εχτ, διγιταλ προξιεσ∇
οπερατινγ σιµυλτανεουσλψ ιν δι⇑ερεντ
πλαχεσ. Σοµε οφ τηεσε προξιεσ ωιλλ σιµ−
πλψ µακε τηε διγιταλ ωορλδ λεσσ οϖερ−
ωηελµινγ βψ ηιδινγ τεχηνιχαλ δεταιλσ οφ
τασκσ, γυιδινγ υσερσ τηρουγη χοµπλεξ
ον−λινε σπαχεσ ορ εϖεν τεαχηινγ τηεµ
αβουτ χερταιν συβϕεχτσ. Οτηερσ ωιλλ αχ−
τιϖελψ σεαρχη φορ ινφορµατιον τηειρ οων−
ερσ µαψ βε ιντερεστεδ ιν ορ µονιτορ
σπεχι⇒εδ τοπιχσ φορ χριτιχαλ χηανγεσ. Ψετ
οτηερ αγεντσ µαψ ηαϖε τηε αυτηοριτψ το
περφορµ τρανσαχτιονσ (συχη ασ ον−λινε
σηοππινγ ) ορ το ρεπρεσεντ πεοπλε ιν
τηειρ αβσενχε. Ασ τηε προλιφερατιον οφ πα−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
εξαµινε πιεχεσ οφ ινφορµατιον (ρεδ βλοχκσ) τηατ τηειρ οωνερ ηασ
φουνδ ιντερεστινγ (α) ανδ τηεν δισπερσε το ⇒νδ σιµιλαρ µατεριαλ
(β). Τηοσε τηατ βρινγ βαχκ ιρρελεϖαντ δατα αρε χυλλεδ (χ ); τηοσε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Α Φορµιδαβλε Γοαλ
Α
λτηουγη τηε τασκσ ωε ωουλδ λικε
σοφτωαρε αγεντσ το χαρρψ ουτ αρε
φαιρλψ εασψ το ϖισυαλιζε, τηε χονστρυχτιον
οφ τηε αγεντσ τηεµσελϖεσ ισ σοµεωηατ
µορε προβλεµατιχ. Αγεντ προγραµσ διφ−
φερ φροµ ρεγυλαρ σοφτωαρε µαινλψ βψ
ωηατ χαν βεστ βε δεσχριβεδ ασ α σενσε
οφ τηεµσελϖεσ ασ ινδεπενδεντ εντιτιεσ.
Αν ιδεαλ αγεντ κνοωσ ωηατ ιτσ γοαλ ισ
ανδ ωιλλ στριϖε το αχηιεϖε ιτ. Αν αγεντ
σηουλδ αλσο βε ροβυστ ανδ αδαπτιϖε, χα−
παβλε οφ λεαρνινγ φροµ εξπεριενχε ανδ
ρεσπονδινγ το υνφορεσεεν σιτυατιονσ
ωιτη α ρεπερτοιρε οφ δι⇑ερεντ µετηοδσ.
Φιναλλψ, ιτ σηουλδ βε αυτονοµουσ σο
τηατ ιτ χαν σενσε τηε χυρρεντ στατε οφ ιτσ
ενϖιρονµεντ ανδ αχτ ινδεπενδεντλψ το
µακε προγρεσσ τοωαρδ ιτσ γοαλ.
Προγραµµερσ ηαϖε δι⇔χυλτψ χραφτινγ
εϖεν χονϖεντιοναλ σοφτωαρε; ηοω ωιλλ
τηεψ χρεατε αγεντσ? Ινδεεδ, χυρρεντ
χοµµερχιαλλψ αϖαιλαβλε αγεντσ βαρελψ
ϕυστιφψ τηε ναµε. Τηεψ αρε νοτ ϖερψ ιν−
τελλιγεντ; τψπιχαλλψ, τηεψ ϕυστ φολλοω α σετ
οφ ρυλεσ τηατ α υσερ σπεχι⇒εσ. Σοµε Ε−
µαιλ παχκαγεσ, φορ εξαµπλε, αλλοω α υσερ
το χρεατε αν αγεντ τηατ ωιλλ σορτ ινχοµ−
ινγ µεσσαγεσ αχχορδινγ το σενδερ, συβ−
ϕεχτ ορ χοντεντσ. Αν εξεχυτιϖε µιγητ
ωριτε α ρυλε τηατ φορωαρδσ χοπιεσ οφ αλλ
µεσσαγεσ χονταινινγ τηε ωορδ µεετ−
ινγ το αν αδµινιστρατιϖε ασσισταντ. Τηε
ϖαλυε οφ συχη α µινιµαλ αγεντ ρελιεσ
εντιρελψ ον τηε ινιτιατιϖε ανδ προγραµ−
µινγ αβιλιτψ οφ ιτσ οωνερ.
Αρτι⇒χιαλ−ιντελλιγενχε ρεσεαρχηερσ ηαϖε
λονγ πυρσυεδ α ϖαστλψ µορε χοµπλεξ απ−
προαχη το βυιλδινγ αγεντσ. Κνοωλεδγε
ενγινεερσ ενδοω προγραµσ ωιτη ινφορ−
µατιον αβουτ τηε τασκσ το βε περφορµεδ
ιν α σπεχι⇒χ δοµαιν, ανδ τηε προγραµ
ινφερσ τηε προπερ ρεσπονσε το α γιϖεν
σιτυατιον. Αν αρτι⇒χιαλλψ ιντελλιγεντ Ε−
µαιλ αγεντ, φορ εξαµπλε, µιγητ κνοω
τηατ πεοπλε µαψ ηαϖε αδµινιστρατιϖε ασ−
σισταντσ, τηατ α παρτιχυλαρ υσερ ηασ αν ασ−
σισταντ ναµεδ, σαψ, Γεοργε, τηατ αν ασ−
σισταντ σηουλδ κνοω τηε βοσσ∏σ µεετινγ
σχηεδυλε ανδ τηατ α µεσσαγε χονταινινγ
τηε ωορδ µεετινγ µαψ χονταιν σχηεδ−
υλινγ ινφορµατιον. Ωιτη τηισ κνοωλεδγε,
τηε αγεντ ωουλδ δεδυχε τηατ ιτ σηουλδ
φορωαρδ α χοπψ οφ τηε µεσσαγε.
Πεοπλε ηαϖε βεεν τρψινγ το βυιλδ συχη
κνοωλεδγε−βασεδ αγεντσ φορ 40 ψεαρσ.
Υνφορτυνατελψ, τηισ αππροαχη ηασ νοτ
ψετ ρεσυλτεδ ιν ανψ χοµµερχιαλλψ αϖαιλ−
αβλε αγεντσ. Αλτηουγη κνοωλεδγε ενγι−
νεερσ ηαϖε βεεν αβλε το χοδιφψ µανψ
ναρροω δοµαινσ, τηεψ ηαϖε βεεν υναβλε
το βυιλδ α βασε οφ αλλ τηε χοµµονσενσε
ινφορµατιον τηατ αν αγεντ µιγητ νεεδ
το οπερατε ιν τηε ωορλδ ατ λαργε. Ατ πρεσ−
εντ, τηε ονλψ ε⇑ορτ το σψστεµατιζε τηατ
κνοωλεδγε ισ ατ τηε ΧΨΧ προϕεχτ ατ Χψ−
χορπ ιν Αυστιν, Τεξ. [σεε Αρτι⇒χιαλ Ιντελ−
λιγενχε, βψ ∆ουγλασ Β. Λενατ, παγε 80].
Ιτ ισ τοο εαρλψ το τελλ ωηετηερ α ΧΨΧ−
βασεδ αγεντ ωουλδ ηαϖε αλλ τηε κνοωλ−
εδγε ιτ νεεδσ το µακε αππροπριατε δε−
χισιονσ ανδ εσπεχιαλλψ ωηετηερ ιτ ωουλδ
βε αβλε το αχθυιρε ιδιοσψνχρατιχ κνοωλ−
εδγε φορ α παρτιχυλαρ υσερ. Εϖεν ιφ ΧΨΧ
ισ συχχεσσφυλ, ιτ µαψ προϖε ηαρδ φορ πεο−
πλε το τρυστ αν αγεντ ινστρυχτεδ βψ
σοµεονε ελσε.
Βοτη τηε λιµιτεδ αγεντσ νοω διστριβ−
υτεδ χοµµερχιαλλψ ανδ τηε αρτι⇒χιαλ−ιν−
τελλιγενχε ϖερσιονσ υνδερ δεϖελοπµεντ
ρελψ ον προγραµµινγ ιν ονε φορµ ορ αν−
οτηερ. Α τηιρδ ανδ ποσσιβλψ µοστ προµ−
MICHAEL GOODMAN
περ ανδ ελεχτρονιχ ποχκετ διαριεσ ηασ
αλρεαδψ φορεσηαδοωεδ, σοφτωαρε αγεντσ
ωιλλ ηαϖε α παρτιχυλαρλψ ηελπφυλ ρολε το
πλαψ ασ περσοναλ σεχρεταριεσ∇εξτενδεδ
µεµοριεσ τηατ ρεµινδ τηειρ βεαρερσ
ωηερε τηεψ ηαϖε πυτ τηινγσ, ωηοµ τηεψ
ηαϖε ταλκεδ το, ωηατ τασκσ τηεψ ηαϖε αλ−
ρεαδψ αχχοµπλισηεδ ανδ ωηιχη ρεµαιν
το βε ⇒νισηεδ.
Τηισ χηανγε ιν φυνχτιοναλιτψ ωιλλ µοστ
λικελψ γο ηανδ ιν ηανδ ωιτη α χηανγε ιν
τηε πηψσιχαλ ωαψσ πεοπλε ιντεραχτ ωιτη
χοµπυτερσ. Ρατηερ τηαν µανιπυλατινγ α
κεψβοαρδ ανδ µουσε, πεοπλε ωιλλ σπεακ
το αγεντσ ορ γεστυρε ατ τηινγσ τηατ νεεδ
δοινγ. Ιν ρεσπονσε, αγεντσ ωιλλ αππεαρ
ασ λιϖινγ εντιτιεσ ον τηε σχρεεν, χον−
ϖεψινγ τηειρ χυρρεντ στατε ανδ βεηαϖιορ
ωιτη ανιµατεδ φαχιαλ εξπρεσσιονσ ορ
βοδψ λανγυαγε ρατηερ τηαν ωινδοωσ
ωιτη τεξτ, γραπησ ανδ ⇒γυρεσ.
d
c
τηατ δελιϖερ υσεφυλ ⇒λεσ ρεπροδυχε (χρεατινγ ο⇑σπρινγ τηατ χοµ−
βινε τηειρ φεατυρεσ) ανδ γο ουτ το σεαρχη αγαιν (δ ). Αφτερ α φεω
γενερατιονσ, τηε αγεντ ποπυλατιον χοµεσ το µατχη τηε υσερ∏σ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
νεεδσ; ιφ τηοσε ρεθυιρεµεντσ χηανγε, τηε διγιταλ σπεχιεσ ωιλλ
αδαπτ. Συχη διγιταλ εχοσψστεµσ µαψ βεχοµε α χοµµονπλαχε φεα−
τυρε οφ τηε νετωορκεδ ωορλδ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
85
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Alert
Gratified
Unsure
Confused
Thinking
Pleased
Pleased
PATTIE MAES
?
Suggestion
Suggestion
Surprised
ΑΓΕΝΤ ΙΧΟΝΣ τελλ τηε υσερ αβουτ αν
αγεντ∏σ χυρρεντ στατε. Φαχεσ αρε δελιβερ−
ατελψ σιµπλι⇒εδ το αϖοιδ πρεσεντινγ αν
ιµπρεσσιον οφ µορε ιντελλιγενχε τηαν
τηε αγεντ αχτυαλλψ ποσσεσσεσ.
ρατιον χαν µακε ιτ ποσσιβλε φορ χολλεχ−
τιονσ οφ αγεντσ το αχτ ιν σοπηιστιχατεδ,
αππαρεντλψ ιντελλιγεντ ωαψσ εϖεν τηουγη
ανψ σινγλε αγεντ ισ θυιτε σιµπλε.
ισινγ αππροαχη εµπλοψσ τεχηνιθυεσ δε−
ϖελοπεδ ιν τηε ρελατιϖελψ ψουνγ ⇒ελδ οφ
αρτι⇒χιαλ λιφε, ωηοσε πραχτιτιονερσ στυδψ
µεχηανισµσ βψ ωηιχη οργανισµσ οργα−
νιζε τηεµσελϖεσ ανδ αδαπτ ιν ρεσπονσε
το τηειρ ενϖιρονµεντ. Αλτηουγη τηεψ αρε
στιλλ πριµιτιϖε, αρτι⇒χιαλ−λιφε αγεντσ αρε
τρυλψ αυτονοµουσ: ιν ε⇑εχτ, τηεψ προ−
γραµ τηεµσελϖεσ. Τηειρ σοφτωαρε ισ δε−
σιγνεδ το χηανγε ιτσ βεηαϖιορ βασεδ ον
εξπεριενχε ανδ ον ιντεραχτιονσ ωιτη
οτηερ αγεντσ. Ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ιν−
στιτυτε οφ Τεχηνολογψ, ωε ηαϖε βυιλτ σοφτ−
ωαρε αγεντσ τηατ χοντινυουσλψ ωατχη α
περσον∏σ αχτιονσ ανδ αυτοµατε ανψ ρεγ−
υλαρ παττερνσ τηεψ δετεχτ. Αν Ε−µαιλ
αγεντ χουλδ λεαρν βψ οβσερϖατιον τηατ
τηε υσερ αλωαψσ φορωαρδσ α χοπψ οφ α
µεσσαγε χονταινινγ τηε ωορδ µεετ−
ινγ το αν αδµινιστρατιϖε ασσισταντ ανδ
µιγητ τηεν ο⇑ερ το δο σο αυτοµατιχαλλψ.
Αγεντσ χαν αλσο λεαρν φροµ αγεντσ
τηατ περφορµ τηε σαµε τασκ. Αν Ε−µαιλ
αγεντ φαχεδ ωιτη αν υνκνοων µεσσαγε
µιγητ θυερψ ιτσ χουντερπαρτσ το ⇒νδ ουτ,
φορ εξαµπλε, τηατ πεοπλε τψπιχαλλψ ρεαδ
Ε−µαιλ µεσσαγεσ αδδρεσσεδ το τηεµ περ−
σοναλλψ βεφορε τηεψ ρεαδ µεσσαγεσ αδ−
δρεσσεδ το α µαιλινγ λιστ. Συχη χολλαβο−
Τυρινγ Μεετσ ∆αρωιν
Ο
ϖερ τιµε, αρτι⇒χιαλ εϖολυτιον χαν
χοδιφψ ανδ χοµβινε τηε βεηαϖιορσ
οφ τηε µοστ ε⇑εχτιϖε αγεντσ ιν α σψσ−
τεµ (ασ ρατεδ βψ τηειρ οωνερσ) το βρεεδ
αν εϖεν ⇒ττερ ποπυλατιον. Μψ χολλεαγυεσ
ανδ Ι ηαϖε βυιλτ συχη α σψστεµ το δεϖελ−
οπ αγεντσ το σεαρχη α δαταβασε ανδ ρε−
τριεϖε αρτιχλεσ τηατ µιγητ ιντερεστ τηειρ
υσερσ. Εαχη συχχεεδινγ γενερατιον
µατχηεσ ιτσ οωνερ∏σ ιντερεστσ βεττερ.
Ιν τιµε, τηισ αππροαχη χουλδ ρεσυλτ ιν
α χοµπλετε ελεχτρονιχ εχοσψστεµ ηουσεδ
ιν τηε νεξτ χεντυρψ∏σ χοµπυτερ νετ−
ωορκσ. Αγεντσ τηατ αρε οφ σερϖιχε το υσ−
ερσ ορ το οτηερ αγεντσ ωιλλ ρυν µορε οφ−
τεν, συρϖιϖε ανδ ρεπροδυχε; τηοσε τηατ
αρε νοτ ωιλλ εϖεντυαλλψ βε πυργεδ. Οϖερ
τιµε, τηεσε διγιταλ λιφε−φορµσ ωιλλ ⇒λλ διφ−
φερεντ εχολογιχαλ νιχηεσ∇σοµε αγεντσ
χουλδ εϖολϖε το βε γοοδ ινδεξερσ οφ
δαταβασεσ, ωηερεασ οτηερσ ωουλδ υσε
τηειρ ινδιχεσ το ⇒νδ αρτιχλεσ οφ ιντερεστ
το α παρτιχυλαρ υσερ. Τηερε ωιλλ βε εξαµ−
πλεσ οφ παρασιτισµ, σψµβιοσισ ανδ µανψ
οτηερ πηενοµενα φαµιλιαρ φροµ τηε βι−
ολογιχαλ ωορλδ. Ασ εξτερναλ δεµανδσ φορ
ινφορµατιον χηανγε, τηε σοφτωαρε εχο−
σψστεµ ωιλλ χοντινυαλλψ ρενεω ιτσελφ.
Τηε Αυτηορ
Οβϖιουσλψ τηε ωιδεσπρεαδ δισσεµινα−
τιον οφ αγεντσ ωιλλ ηαϖε ενορµουσ σοχιαλ,
εχονοµιχ ανδ πολιτιχαλ ιµπαχτ. Αγεντσ
ωιλλ βρινγ αβουτ α σοχιαλ ρεϖολυτιον: αλ−
µοστ ανψονε ωιλλ ηαϖε αχχεσσ το τηε
κινδ οφ συππορτ στα⇑ τηατ τοδαψ ισ τηε
µαρκ οφ α φεω πριϖιλεγεδ πεοπλε. Ασ α
ρεσυλτ, τηεψ ωιλλ βε αβλε το διγεστ λαργε
αµουντσ οφ ινφορµατιον ανδ ενγαγε ιν
σεϖεραλ δι⇑ερεντ αχτιϖιτιεσ ατ ονχε. Τηε
υλτιµατε ραµι⇒χατιονσ οφ τηισ χηανγε
αρε ιµποσσιβλε το πρεδιχτ.
Τηε σηαπε οφ τηε χηανγεσ τηατ αγεντσ
βρινγ ωιλλ, οφ χουρσε, δεπενδ ον ηοω
τηεψ αρε εµπλοψεδ; µανψ θυεστιονσ
ηαϖε ψετ το βε ανσωερεδ, οτηερσ εϖεν το
βε ασκεδ. Φορ εξαµπλε, σηουλδ υσερσ βε
ηελδ ρεσπονσιβλε φορ τηε αχτιονσ οφ τηειρ
αγεντσ? Ηοω χαν ωε ενσυρε τηατ αν
αγεντ κεεπσ πριϖατε αλλ τηε ϖερψ περσον−
αλ ινφορµατιον ιτ αχχυµυλατεσ αβουτ ιτσ
οωνερ?
Σηουλδ αγεντσ αυτοµατε τηε βαδ ηαβ−
ιτσ οφ τηειρ οωνερσ ορ τρψ το τεαχη τηεµ
βεττερ ονεσ (ανδ ιφ σο, ωηο δε⇒νεσ
βεττερ)? Ασ τηε ελεχτρονιχ εχοσψστεµ
γροωσ ιν χοµπλεξιτψ ανδ σοπηιστιχατιον,
ωιλλ ιτ βε ποσσιβλε το ενσυρε τηατ τηερε
ισ στιλλ ενουγη χοµπυτινγ ποωερ ανδ
χοµµυνιχατιονσ βανδωιδτη λεφτ οϖερ φορ
τηε µψριαδ τασκσ
τηατ ηυµαν βε−
Working
Working
ινγσ ωαντ το γετ
αχχοµπλισηεδ?
Τηε λιµιτεδ εξ−
περιµεντσ τηατ
ρεσεαρχηερσ ηαϖε
περφορµεδ τηυσ
φαρ ονλψ ηιντ ατ
τηε ποσσιβιλιτιεσ
νοω οπενινγ υπ.
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΠΑΤΤΙΕ ΜΑΕΣ ισ ασσοχιατε προφεσσορ οφ µεδια αρτσ ανδ σχιενχεσ ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ιν− ΙΝΤΕΛΛΙΓΕΝΤ ΑΓΕΝΤΣ. Σπεχιαλ ισσυε οφ Χοµµυ−
στιτυτε οφ Τεχηνολογψ. Ιν 1987 Μαεσ ρεχειϖεδ α δοχτορατε ιν χοµπυτερ σχιενχε ανδ νιχατιονσ οφ τηε ΑΧΜ, ςολ. 37, Νο. 7; ϑυλψ 1994.
αρτι⇒χιαλ ιντελλιγενχε φροµ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Βρυσσελσ. Σινχε τηεν, σηε ηασ βεεν ωορκινγ ατ ΟΥΤ ΟΦ ΧΟΝΤΡΟΛ: ΤΗΕ ΝΕΩ ΒΙΟΛΟΓΨ ΟΦ ΜΑ−
Μ.Ι.Τ., ⇒ρστ ιν χολλαβορατιον ωιτη Ροδνεψ Βροοκσ ανδ Μαρϖιν Μινσκψ ον τηε χονστρυχτιον ΧΗΙΝΕΣ, ΣΟΧΙΑΛ ΣΨΣΤΕΜΣ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΕΧΟΝΟΜΙΧ
οφ αυτονοµουσ ιντελλιγεντ ροβοτσ ανδ, µορε ρεχεντλψ, ον τηε δεϖελοπµεντ οφ ιντελλιγεντ ΩΟΡΛ∆. Κεϖιν Κελλψ. Αδδισον−Ωεσλεψ, 1995.
σοφτωαρε αγεντσ τηατ βοτη ασσιστ ανδ εντερταιν. Σηε ισ α φουνδερ οφ Αγεντσ, Ινχ., ιν Βοστον, Μ.Ι.Τ. Μεδια Λαβ∏σ Ωορλδ Ωιδε Ωεβ ηοµε παγε:
Μασσ., ονε οφ τηε ⇒ρστ χοµπανιεσ το χοµµερχιαλιζε σοφτωαρε−αγεντ τεχηνολογψ.
ηττπ://ωωω.µεδια.µιτ.εδυ/
86
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Commentary
ςιρτυαλ
Ρεαλιτψ
VR will transform computers into
extensions of our whole bodies
βψ Βρενδα Λαυρελ
Σ
ινχε τηε ηψπε βεγαν ιν
τηε µιδ−1980σ, ϖιρτυαλ
ρεαλιτψ ( ςΡ ) ηασ χαπτι−
ϖατεδ πυβλιχ ιντερεστ ωιτη πιχ−
τυρεσ οφ πεοπλε ωεαρινγ ενορ−
µουσ γογγλεσ ανδ σενσορ−λα−
δεν γλοϖεσ. Τηε τεχηνολογιεσ
υσεδ το ιµµερσε πεοπλε ιν
α χοµπυτερ−γενερατεδ ωορλδ
ωιλλ, ηοωεϖερ, χηανγε ραδιχαλ−
λψ δυρινγ τηε χοµινγ δεχαδε,
µακινγ τηε βεγογγλεδ χψβερ−
ναυτ ασ θυαιντ αν ιµαγε ασ τηε υνδερσεα εξπλορερ ιν α ηεαϖψ
µεταλ διϖινγ ηελµετ.
Τηε ιµπορταντ τηινγ αβουτ ςΡ ισ ωηατ ιτ δοεσ ρατηερ τηαν
ηοω ιτσ ε⇑εχτσ αρε αχηιεϖεδ : ιτ περµιτσ πεοπλε το βεηαϖε ασ
ιφ τηεψ ωερε σοµεωηερε τηεψ αρε νοτ. Τηατ πλαχε µαψ βε α
χοµπυτατιοναλ ⇒χτιον ορ α ρε−χρεατεδ ενϖιρονµεντ φροµ αν−
οτηερ πλαχε ορ τιµε. ςΡ τρανσπορτσ περχεπτιονσ βψ αππεαλινγ
το σεϖεραλ σενσεσ ατ ονχε∇σιγητ, ηεαρινγ ανδ τουχη∇ανδ βψ
πρεσεντινγ ιµαγεσ τηατ ρεσπονδ ιµµεδιατελψ το ονε∏σ µοϖε−
µεντσ. Τηε τεχηνιθυεσ φορ χρεατινγ τηισ ιλλυσιον δι⇑ερ δεπενδ−
ινγ ον τηε κινδ οφ πλαχε βεινγ ϖισιτεδ ανδ ωηατ α υσερ ωαντσ
το δο ωηιλε τηερε. Α πιλοτ ιν α ⇓ιγητ σιµυλατορ, φορ εξαµπλε,
µιγητ νεεδ ηψδραυλιχ αχτυατορσ το σιµυλατε βανκσ ανδ τυρνσ,
ωηερεασ α µολεχυλαρ βιολογιστ εξπλορινγ τηε βονδσ βετωεεν
µολεχυλεσ µιγητ νεεδ παρτιχυλαρλψ ⇒νε ποσιτιον σενσορσ ανδ
µεχηανισµσ το σιµυλατε τηε φεελ οφ ιντερατοµιχ φορχεσ.
Χερταινλψ τηε χοµινγ δεχαδεσ ωιλλ βρινγ δραµατιχ ιµπροϖε−
µεντσ ιν εξιστινγ αππλιχατιονσ τηρουγη φαστερ, σµαρτερ
χοµπυτινγ ανδ ιµπροϖεδ ιντερφαχε τεχηνολογψ. Βυλκψ, ηεαδ−
µουντεδ στερεοσχοπιχ δισπλαψσ ωιλλ βε ρεπλαχεδ βψ λιγητ−
ωειγητ γλασσεσ τηατ χαν συπεριµποσε σψντηεσιζεδ ιµαγεσ
ον τηε ρεαλ ωορλδ. Τηε ενχρυστατιονσ οφ τραχκινγ ανδ σενσινγ
δεϖιχεσ χψβερναυτσ νοω ωεαρ ωιλλ βε ιντεγρατεδ ιντο χλοτηινγ
ορ ρεπλαχεδ βψ ϖιδεο χαµερασ ανδ οτηερ σενσορσ τηατ µονι−
τορ µοϖεµεντσ ανδ γεστυρεσ φροµ α διστανχε. Σιµιλαρλψ,
τεχηνολογιεσ τηατ σιµυλατε τηε σενσατιονσ οφ φορχε, ρεσισ−
τανχε, τεξτυρε ανδ σµελλ ωιλλ βεχοµε αϖαιλαβλε.
Ινιτιαλλψ, συχη νεω εθυιπµεντ ωιλλ µακε εξιστινγ αππλιχα−
τιονσ ωορκ φαστερ ανδ µορε χοµφορταβλψ. Αλρεαδψ πεοπλε αρε
περφορµινγ χοµπλεξ, δελιχατε τασκσ ιν ηαζαρδουσ ενϖιρον−
µεντσ, συχη ασ σπαχε ορ τηε ινσιδε οφ νυχλεαρ ρεαχτορσ. Πιλοτσ
ανδ αστροναυτσ τραιν ιν ςΡ χοχκπιτσ τηατ µεργε τηρεε−διµεν−
σιοναλ γραπηιχσ ωιτη τηε ϖιεω ουτ τηε ωινδοω ανδ τηατ χον−
ταιν σουνδ σψστεµσ ο⇑ερινγ χυεσ αβουτ τηειρ συρρουνδινγσ.
90
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Αρχηιτεχτσ ανδ πλαννερσ ωαλκ τηρουγη τηε ενϖιρονµεντσ τηεψ
δεσιγν το σεε ηοω ιτ µιγητ φεελ το λιϖε ανδ ωορκ ινσιδε τηεµ.
(Φορ α σπεχυλατιϖε φορεταστε οφ τηε ωιδερ ποσσιβιλιτιεσ, ονε χαν
γο το αρχαδεσ ανδ αµυσεµεντ παρκσ ωηερε πεοπλε ⇓ψ χοµβατ
µισσιονσ, ⇒γητ δινοσαυρσ ορ τραϖελ τηρουγη τηε ηυµαν βοδψ.)
Ασ σοφτωαρε εϖολϖεσ, ασ χοµπυτινγ ποωερ ινχρεασεσ, ςΡ ωιλλ
βε υσεδ το πρεσεντ µοδελσ οφ αλλ κινδσ οφ χοµπλεξ δψναµιχ
σψστεµσ, φροµ περσοναλ ινϖεστµεντσ το γλοβαλ εχονοµιχσ ανδ
φροµ µιχροοργανισµσ το γαλαξιεσ. ∆υρινγ τηε παστ δεχαδε,
τηε συχχεσσ οφ σχιεντι⇒χ ϖισυαλιζατιον ηασ σηοων ηοω το ηαρ−
νεσσ πεοπλε∏σ αβιλιτψ το σεε παττερνσ ιν προπερλψ πρεσεντεδ
δατα; σοον ιτ ωιλλ βε ποσσιβλε το βρινγ µυλτιπλε σενσεσ το βεαρ
σιµυλτανεουσλψ, ενγενδερινγ α ρεσπονσε φροµ τηε µινδ ανδ
τηε βοδψ τηατ ωιλλ βε µορε τηαν τηε συµ οφ ιτσ παρτσ.
Τηε σοχιαλ υσεσ οφ ςΡ ωιλλ αλσο βε αν ιµπορταντ φορχε ιν ιτσ
εϖολυτιον. Εϖεν ιν τηε σιµπλε τεξτ−βασεδ ον−λινε ενϖιρονµεντσ
κνοων ασ ΜΥ∆σ ( Μυλτι−Υσερ ∆ιµενσιονσ), ρεσεαρχηερσ ηαϖε
σηοων τηατ α σενσε οφ πλαχε ισ χρυχιαλ το χοµµυνιχατιον ανδ
χοµµυνιτψ. Ιν τηε ρεαλ ωορλδ, πεοπλε δεϖοτε α γρεατ δεαλ οφ
ενεργψ το χρεατινγ παρτιχυλαρ πλαχεσ ασ α χοντεξτ φορ σοχιαλ ιν−
τεραχτιον∇χονσιδερ δισπλαψ ωινδοωσ, αρχηιτεχτυρε ανδ ιντε−
ριορ δεσιγν. ςΡ ωιλλ µακε ιτ ποσσιβλε το χαρρψ µανψ οφ τηοσε
σκιλλσ οϖερ το χψβερσπαχε. Ασ ϖιρτυαλ σπαχεσ βεγιν τακινγ ον α
ριχηερ, µορε χοµπλεξ τεξτυρε, ςΡ ωιλλ βε τηε φουνδατιον οφ α
µαϕορ τρανσφορµατιον ιν τηε ετηοσ οφ χοµπυτινγ. Πεοπλε
ηαϖε υντιλ νοω τηουγητ οφ χοµπυτερσ ασ τηε λαστ στοπ ον τηε
ροαδ οφ µινδ−βοδψ δυαλισµ: ασ χλοσε το δισεµβοδιεδ τηουγητ
ασ τηε µατεριαλ ωορλδ περµιτσ. Χοµπυτερσ γενεραλλψ ηαϖε νο
σενσε οργανσ, νορ δο τηεψ αδδρεσσ ηυµαν σενσεσ παρτιχυλαρλψ
ωελλ. Τηεψ ηαϖε εϖολϖεδ ασ α ραχε οφ σεϖερεδ ηεαδσ, δοοµεδ
βψ τηε αρχανα οφ τηειρ χοµµυνιχατιονσ µεχηανισµσ το µακε
εξτρεµελψ σµαλλ ταλκ ωιτη πεοπλε ωηο αρε αλµοστ ασ στρανγε
ασ τηεψ αρε.
ςΡ, ιν χοντραστ, µακεσ λιττλε ορ νο διστινχτιον βετωεεν βοδψ
ανδ µινδ. Ινστεαδ ιτ εµπλοψσ ιν α νεω χοντεξτ τηε βοδιλψ
σενσεσ τηατ εϖολυτιον ηασ σο µαγνι⇒χεντλψ πρεπαρεδ. ςΡ ισ
χονχερνεδ ωιτη τηε νατυρε οφ τηε βοδψ∇ηοω ουρ σενσεσ ωορκ,
ηοω ωε µοϖε αρουνδ, ηοω ωε γετ τηε φεελινγ οφ βεινγ σοµε−
ωηερε ανδ ηοω τηε σενσε οφ πρεσενχε α⇑εχτσ υσ. Ιτ ισ αλσο
χονχερνεδ ωιτη ρεπρεσεντινγ τηε νατυρε οφ τηινγσ, βοτη ϖιρ−
τυαλ ανδ αχτυαλ, ιν ωαψσ τηατ ρεϖεαλ τηειρ στρυχτυρε, δψναµιχσ
ανδ ποτεντιαλ υσεσ.
Α
ρτιστσ, ωηο ηαϖε αλωαψσ ηαδ το τηινκ αβουτ τηε ιντερπλαψ
βετωεεν ιντελλεχτυαλ ανδ πηψσιχαλ ρεσπονσεσ το τηειρ
ωορκ, µαψ πλαψ α µορε πιϖοταλ ρολε ιν τηε δεϖελοπµεντ οφ
ςΡ τηαν τεχηνολογιστσ, ωηο µαψ βε χοντεντ ωιτη τηε χοµπυτ−
ερσ ασ α µεδιυµ τηατ εξχλυσιϖελψ αδδρεσσεσ τηε δισεµβοδιεδ
ηυµαν ιντελλεχτ. Ασ αρτιστσ εξπλορε τηε εξπρεσσιϖε ποτεντιαλ
οφ ςΡ, τηεψ ωιλλ γροω µορε αδεπτ ατ ρεπρεσεντινγ τηε συβ−
τλετιεσ ανδ χοµπλεξιτιεσ οφ εξπεριενχε∇φροµ σψντηεστηεσια
το εµοτιοναλ ασσοχιατιονσ∇ανδ ςΡ τοολσ ανδ τεχηνολογψ ωιλλ
εϖολϖε αχχορδινγλψ.
Ασ α ρεσυλτ, ϖιρτυαλ ρεαλιτψ µαψ φυνχτιον ασ α λινκ φροµ τηε
τεχηνολογιχαλ µανιφεστατιονσ οφ ηυµανιτψ βαχκ το τηε ωορλδ
τηατ τεχηνολογψ ηασ οστενσιβλψ συππλαντεδ. ςΡ µαψ τρανσ−
φορµ ουρ υνδερστανδινγ οφ χοµπυτερσ φροµ σεϖερεδ ηεαδσ
το εξτενσιονσ οφ ουρ ωηολε σελϖεσ. Ανδ ιν δοινγ σο, ιτ µαψ
εϖεν ο⇑ερ α ωαψ το ιµαγινε ουρσελϖεσ, τεχηνολογψ ανδ αλλ, ασ
παρτ οφ τηε νατυραλ ωορλδ.
ΒΡΕΝ∆Α ΛΑΥΡΕΛ, αν εξπερτ ον ιντεραχτιϖε µεδια, ϖιδεο
γαµεσ ανδ ϖιρτυαλ ρεαλιτψ, ισ ον τηε ρεσεαρχη στα⇑ οφ Ιντερϖαλ
Ρεσεαρχη Χορπορατιον ιν Παλο Αλτο, Χαλιφ. Σηε ισ τηε αυτηορ οφ
Χοµπυτερσ ασ Τηεατρε (Αδδισον−Ωεσλεψ, 1993).
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΙΝΦΟΡΜΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ
Commentary
Σατελλιτεσ φορ α
∆εϖελοπινγ Ωορλδ
Satellites could provide universal
access to the information economy
βψ Ρυσσελλ ∆αγγαττ
Μ
οστ πεοπλε ον τηισ
πλανετ δο νοτ ηαϖε
αχχεσσ εϖεν το τηε
µοστ βασιχ τελεπηονε σερϖιχε.
Το χιτε ϕυστ ονε στατιστιχ, µορε
τηαν ηαλφ τηε ωορλδ∏σ ποπυλα−
τιον λιϖεσ µορε τηαν τωο
ηουρσ∏ τραϖελ τιµε φροµ τηε
νεαρεστ τελεπηονε. Τηε ηιγη
χοστ οφ ωιρε−λινε ινφραστρυχ−
τυρε ηασ οφτεν κεπτ τελεχοµ−
µυνιχατιονσ σερϖιχεσ φροµ ρε−
µοτε αρεασ∇ασ ωελλ ασ µανψ νοτ σο ρεµοτε αρεασ.
ςαστ ρεγιονσ οφ τηε δεϖελοπινγ ωορλδ αρε χοµπλετελψ ωιτη−
ουτ τελεπηονε σερϖιχε. Ινδια ηασ 860 µιλλιον πεοπλε βυτ ονλψ
αβουτ σεϖεν µιλλιον τελεπηονε λινεσ, ϖιρτυαλλψ αλλ οφ τηεµ χλυσ−
τερεδ ιν α φεω λαργε χιτιεσ. Εϖεν ιν τηε Υ.Σ., δεσπιτε ιτσ υνιϖερ−
σαλ σερϖιχε πρινχιπλε, ρυραλ σερϖιχε ισ οφτεν ωοεφυλλψ ιναδε−
θυατε φορ τηε 21στ χεντυρψ.
Ωηερε βασιχ τελεπηονε σερϖιχε ισ αϖαιλαβλε, τηε νετωορκσ
οϖερ ωηιχη ιτ ισ προϖιδεδ χονσιστ οφ 100−ψεαρ−ολδ τεχηνολο−
γψ∇αναλογ χοππερ ωιρε∇τηατ φορ τηε µοστ παρτ ωιλλ νεϖερ βε
υπγραδεδ το τηε διγιταλ, βροαδβανδ χαπαβιλιτψ ρεθυιρεδ φορ
τηε αδϖανχεδ νετωορκ χοννεχτιονσ τηατ ηαϖε χοµε το βε
κνοων ασ τηε ινφορµατιον ηιγηωαψ.
Ασ τηε ραπιδ µοϖεµεντ οφ ινφορµατιον βεχοµεσ ινχρεασ−
ινγλψ εσσεντιαλ το αλλ τηοσε τηινγσ ωε ασσοχιατε ωιτη α ηιγη
στανδαρδ οφ λιϖινγ∇φροµ εδυχατιον ανδ ηεαλτη χαρε το εχο−
νοµιχ δεϖελοπµεντ ανδ πυβλιχ σερϖιχεσ∇τηερε ισ α ρεαλ δαν−
γερ τηατ τηε θυαλιτψ οφ λιφε ωιλλ νοτ ιµπροϖε, ανδ µαψ εϖεν
δεχλινε, ιν αρεασ τηατ λαχκ α διγιταλ βροαδβανδ ινφραστρυχτυρε.
Τηερε ωιλλ βε πλεντψ οφ οπτιχαλ ⇒βερ, ωιτη ιτσ ενορµουσ χα−
παχιτψ, λινκινγ χουντριεσ ανδ τελεπηονε χοµπανιεσ. Βυτ ⇒βερ
χοννεχτιονσ βετωεεν ινδιϖιδυαλ ο⇔χεσ ανδ ηοµεσ ωιλλ βε
µυχη ραρερ, εϖεν ιν ηεαϖιλψ ινδυστριαλ ρεγιονσ.
Ασ οτηερσ ηαϖε οβσερϖεδ ελσεωηερε ιν τηισ ισσυε [σεε Ωιρε−
λεσσ Νετωορκσ, βψ Γεοργε Ι. Ζψσµαν, παγε 68], ωιρελεσσ σψσ−
τεµσ, ωηετηερ τηεψ εµπλοψ σατελλιτεσ, χελλυλαρ τρανσχειϖερσ ορ
σοµε χοµβινατιον οφ τηε τωο, χαν προϖιδε α ωαψ το εξτενδ
τηε πρινχιπλε οφ υνιϖερσαλ σερϖιχε το υνδερσερϖεδ αρεασ ατ λοω
χοστ. Σατελλιτεσ ανδ χελλυλαρ σψστεµσ αρε νοτ ιντερχηανγεαβλε,
ηοωεϖερ. Το υνδερστανδ ωηψ, ονε µυστ λοοκ αηεαδ το ωηατ
τηε δεϖελοπινγ ωορλδ ωιλλ νεεδ το παρτιχιπατε ιν τηε φυτυρε
ινφορµατιον−βασεδ εχονοµψ.
Τηε λαργε φραχτιον οφ τηε ωορλδ τηατ ειτηερ ηασ νο αχχεσσ το
βασιχ τελεπηονε σερϖιχε ορ ηασ αχχεσσ ονλψ τηρουγη λοω−δατα−
94
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ρατε χελλυλαρ σψστεµσ νεεδσ α χοµπλεµενταρψ τεχηνολογψ
τηατ χαν ινεξπενσιϖελψ συππορτ βροαδβανδ δατα ανδ µυλτι−
µεδια αππλιχατιονσ. Ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, τηεσε αππλιχα−
τιονσ αρε νοτ λικελψ το βε πριµαριλψ φορ περσοναλ υσε βυτ ρατη−
ερ ωιλλ βε σηαρεδ ιν συχη ινστιτυτιονσ ασ ηοσπιταλσ, σχηοολσ,
γοϖερνµεντ ο⇔χεσ ανδ βυσινεσσεσ. Ιν ηεαλτη χαρε, φορ εξαµ−
πλε, δοχτορσ ανδ οτηερ χαρεγιϖερσ χαν χονσυλτ ωιτη σπεχιαλιστσ
τηουσανδσ οφ µιλεσ αωαψ, σηαρε µεδιχαλ ρεχορδσ ανδ ιµαγεσ,
ρελαψ χριτιχαλ ινφορµατιον δυρινγ επιδεµιχσ, διστριβυτε γλοβ−
αλλψ τηε λατεστ ρεσυλτσ οφ τηειρ ρεσεαρχη, εξπεδιτε ρουτινγ οφ
µεδιχαλ συππλιεσ δυρινγ δισαστερ−ρελιεφ ε⇑ορτσ ανδ γιϖε ρε−
µοτε ινστρυχτιον ιν νυτριτιον, σανιτατιον ανδ ινφαντ χαρε.
Ωιτη υνιϖερσαλ αχχεσσ το ιντεραχτιϖε βροαδβανδ χαπαβιλιτιεσ,
ινφορµατιον χαν ⇓οω φρεελψ βετωεεν πεοπλε, χρεατινγ ωιδερ
χοµµυνιτιεσ. Ιν τηισ χοντεξτ, σατελλιτε σψστεµσ χαν χοµπλε−
µεντ τερρεστριαλ χελλυλαρ σψστεµσ ιν προϖιδινγ αδϖανχεδ
βροαδβανδ ινφορµατιον ινφραστρυχτυρεσ ιν αρεασ ωηερε ιτ
ωουλδ νοτ βε εχονοµιχαλλψ φεασιβλε το στρινγ ωιρεσ.
Σοµε οφ τηε αδϖανταγεσ ο⇑ερεδ βψ σατελλιτεσ παραλλελ τηοσε
οφ λανδ−βασεδ χελλυλαρ σψστεµσ. Σατελλιτεσ χαν σερϖε ϖαστ αρεασ
ατ α χοστ τηατ ισ ινδι⇑ερεντ το λοχατιον. Σατελλιτε τερµιναλσ
χαν βε δεπλοψεδ µυχη µορε θυιχκλψ ανδ ⇓εξιβλψ τηαν χαβλεσ
χαν βε λαιδ. Μορεοϖερ, βεχαυσε συβσχριβερσ αρε νοτ γιϖεν εξ−
χλυσιϖε υσε οφ σατελλιτε χηαννελσ, τηε χοστσ χαν βε σπρεαδ οϖερ
µανψ υσερσ αλλ σηαρινγ τηε σαµε ρεσουρχεσ.
Βυτ σατελλιτεσ χαν ηαϖε σοµε αδϖανταγεσ οϖερ χελλυλαρ σψσ−
τεµσ. Ασ τηε διστανχεσ βετωεεν υσερσ ανδ τηε ϖαριαβιλιτψ οφ τηε
τρα⇔χ ινχρεασε, σατελλιτεσ∏ ωιδερ αρεασ οφ χοϖεραγε χαν µακε
τηεµ µορε χοστ−ε⇑εχτιϖε. Σατελλιτεσ αρε αλσο ινϖυλνεραβλε το
συρφαχε χαλαµιτιεσ, συχη ασ εαρτηθυακεσ, ⇓οοδσ, ⇒ρεσ ανδ ηυρ−
ριχανεσ, τηατ χριππλε τερρεστριαλ χοµµυνιχατιονσ σψστεµσ.
Π
ερηαπσ µοστ ιµπορταντ, σατελλιτε χοµµυνιχατιονσ µαψ
ηελπ στεµ τηε λαργε−σχαλε µιγρατιον οφ πεοπλε φροµ τηε
χουντρψσιδε το χιτιεσ ανδ φροµ τηε δεϖελοπινγ ωορλδ το δεϖελ−
οπεδ νατιονσ. Ωιρε−λινε τεχηνολογιεσ ϕυστ εξτενδ τηε ινδυσ−
τριαλ−αγε παραδιγµ ιν ωηιχη τηε εχονοµιχσ οφ ινφραστρυχτυρε
δριϖεσ πεοπλε ιντο οϖερχροωδεδ, οϖερβυρδενεδ υρβαν χον−
γρεγατιονσ. Σατελλιτεσ χαν ηελπ πεοπλε χηοοσε ωηερε τηεψ λιϖε
ανδ ωορκ βασεδ ον συχη χονσιδερατιονσ ασ φαµιλψ, χοµµυνι−
τψ ανδ θυαλιτψ οφ λιφε ρατηερ τηαν αχχεσσ το ινφραστρυχτυρε.
Το τηε εξτεντ τηατ τηε ινφορµατιον ρεϖολυτιον ισ βασεδ ον
οπτιχαλ ⇒βερ, τηε ινφορµατιον ηιγηωαψ µεταπηορ ισ απτ. Λικε
α ηιγηωαψ, ορ τηε ραιλωαψσ βεφορε τηεµ, ⇒βερ ισ ριγιδλψ δεδι−
χατεδ το α παρτιχυλαρ λοχατιον. Ιφ α τοων ισ νεαρ τηε µαιν λινε,
ιτ προσπερσ; ιφ ιτ ισ α φεω µιλεσ δισταντ, ιτ δριεσ υπ ανδ βλοωσ
αωαψ. Εσπεχιαλλψ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, τηισ µοδελ ισ βε−
χοµινγ ινχρεασινγλψ υντεναβλε. Μοϖινγ ινφορµατιον, ινστεαδ
οφ πεοπλε, χαν χρεατε ϖαλυε ανδ προσπεριτψ ωιτηουτ χονσυµ−
ινγ ϖαστ αµουντσ οφ πηψσιχαλ ρεσουρχεσ.
Αδϖανχεδ τεχηνολογιεσ ηαϖε ρεϖολυτιονιζεδ τηε ωαψ πεο−
πλε εξχηανγε ανδ προχεσσ ινφορµατιον ιν υρβαν αρεασ οφ τηε
Υ.Σ. ανδ οτηερ δεϖελοπεδ νατιονσ. Βυτ α βροαδερ νεεδ ισ γο−
ινγ υνµετ. Τοδαψ τηε χοστ οφ βρινγινγ µοδερν χοµµυνιχα−
τιονσ το ποορ ανδ ρεµοτε αρεασ ισ σο ηιγη τηατ µανψ οφ τηε
ωορλδ∏σ χιτιζενσ χαννοτ παρτιχιπατε ιν τηε γλοβαλ χοµµυνιτψ.
Ψετ τηε βενε⇒τσ οφ τηε ινφορµατιον ρεϖολυτιον σηουλδ βε εξ−
τενδεδ το αλλ, ινχλυδινγ τηοσε ωηο δο νοτ λιϖε νεαρ χεντερσ οφ
χοµµερχε ορ ινδυστρψ, ωηο δο νοτ ηαϖε ρεαδψ αχχεσσ το δοχ−
τορσ, ηοσπιταλσ, σχηοολσ ορ λιβραριεσ ανδ ωηο αρε ατ ρισκ οφ βε−
ινγ σηυντεδ ασιδε. Σατελλιτε χοµµυνιχατιονσ σψστεµσ ηαϖε
τηε ποτεντιαλ το αλτερ τηε ινδυστριαλ παραδιγµ ποσιτιϖελψ ανδ
δραµατιχαλλψ∇ανδ ωιτη ιτ τηε λιϖεσ οφ µιλλιονσ.
ΡΥΣΣΕΛΛ ∆ΑΓΓΑΤΤ ισ πρεσιδεντ οφ Τελεδεσιχ Χορπορατιον.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
T R A N S P O RTAT I O N
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Huge flying-wing
aircraft, magnetically
levitated trains and
driverless cars may carry
passengers to their
destinations, while tiny
spacecraft explore the
solar system.
ΧΟΝΤΕΝΤΣ
High-Speed Rail:
Another Golden Age?
100
The Automobile:
Clean and Customized
102
Evolution of the
Commercial Airliner
110
21st-Century Spacecraft
114
Χοµµενταρψ
Why Go Anywhere?
118
ΡΑΙΛΡΟΑ∆ ΣΩΙΤΧΗΨΑΡ∆ ιν Λιν−
ωοοδ, Ν.Χ., εϖινχεσ τηε ονχε δοµι−
ναντ ρολε οφ ραιλροαδσ ιν µοϖινγ πεο−
πλε ανδ φρειγητ αχροσσ Νορτη Αµεριχα.
Τραινσ νοω αχχουντ φορ λεσσ τηαν
2 περχεντ οφ πασσενγερ−µιλεσ, ανδ
τρυχκσ ηαυλ µορε χαργο. Βυτ ροαδ ανδ
αιρπορτ χονγεστιον ηασ σοµε εξπερτσ
χαλλινγ φορ α ρεϖιταλιζατιον οφ τηε
χοντινεντ∏σ ραιλωαψσ.
Photograph by Murray &
Associates/Tony Stone Images
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
Ηιγη−Σπεεδ Ραιλ:
Ανοτηερ Γολδεν Αγε?
Neglected in North America but nurtured
in Europe and Japan, high-speed rail systems
are a critical complement to jets and cars
βψ Τονψ Ρ. Εαστηαµ
ϑΑΠΑΝΕΣΕ ΒΥΛΛΕΤ ΤΡΑΙΝ ρεαχηεσ σπεεδσ οφ 275 κιλοµετερσ
περ ηουρ. Τηισ στρετχη, νεαρ Μουντ Φυϕι, ισ αβουτ 100 κιλοµετερσ
Ι λοοκεδ ατ ηερ ωιτη τηε υνχοµπρε−
ηενδινγ αδορατιον ονε φεελσ φορ λοχοµο−
τιϖεσ . . . . Αγαινστ τηε φαν οφ λιγητ ηερ
γρεατ βυλκ λοοµσ µονστρουσ, α ραϖινγ
µετεορ οφ σουνδ ανδ µασσ.
Τ
ηατ τραινσ ωερε ονχε ρουτινελψ
δεσχριβεδ σο βρεατηλεσσλψ µαψ
χοµε ασ α συρπρισε. Βυτ τηε γολδ−
εν αγε οφ ραιλ τραϖελ ωασ αργυαβλψ ατ ιτσ
ζενιτη ωηεν ιν 1935 χολυµνιστ Χηρισ−
τοπηερ Μορλεψ ωροτε τηοσε ωορδσ φορ
τηε Σατυρδαψ Ρεϖιεω οφ Λιτερατυρε. ∆οζ−
ενσ οφ τραινσ λεφτ Νεω Ψορκ Χιτψ∏σ Γρανδ
Χεντραλ Στατιον εϖερψ δαψ, βουνδ φορ
Χηιχαγο, Μοντρεαλ, Στ. Λουισ ανδ τηε
λικε. Εξτενσιϖε νετωορκσ οφ λινεσ περ−
ϖαδεδ τηε χοντινεντ ανδ µοϖεδ πεο−
πλε, φοοδ στοχκσ, πριµαρψ ρεσουρχεσ ανδ
ινδυστριαλ προδυχτσ. Πασσενγερ τραινσ
100
ωεστ ανδ σουτη οφ Τοκψο, ον τηε ωαψ το Οσακα. Τηε οριγιναλ λινε
λινκεδ τηε τωο χιτιεσ ιν 1964. Σινχε τηεν, τηε νετωορκ ηασ
συχη ασ τηε Γολδεν Αρροω ιν τηε Υ.Κ.,
τηε Οριεντ−Εξπρεσσ ιν Ευροπε ανδ τηε
Ζεπηψρ ιν τηε Υ.Σ. χαµε το εξεµπλιφψ
νοτ ϕυστ σπεεδ, ποωερ ανδ χοµφορτ βυτ
τεχηνολογιχαλ προγρεσσ ιτσελφ.
Οφ χουρσε, τηε σιξ δεχαδεσ σινχε τηατ
τιµε ηαϖε ενχοµπασσεδ τηε αδϖεντ οφ
χοµµερχιαλ αιρ τραϖελ, ασ ωελλ ασ οφ ιν−
τερστατε ανδ ιντερνατιοναλ ηιγηωαψ σψσ−
τεµσ αλλ οϖερ τηε ωορλδ. Βοτη τηεσε
τρανσπορτατιον µοδεσ ηαϖε χοντινυεδ
το δεϖελοπ ανδ εϖεν νοω σεεµ ποισεδ
φορ φυρτηερ αδϖανχεσ. Συχη δεϖελοπ−
µεντσ προµπτ τηε θυεστιον: Ωηατ ωιλλ
βε τηε ρολε οφ ραιλ τραϖελ ιν α ωορλδ οφ
λαργε, συβσονιχ τρανσπορτ αιρχραφτ ανδ
αδϖανχεδ αυτοµοβιλεσ ρυννινγ ον
σµαρτ ηιγηωαψσ?
Τηε ανσωερ, ιν µανψ αδϖανχεδ χουν−
τριεσ, ισ τηατ τραινσ ωιλλ πλαψ α ϖερψ ιµ−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
πορταντ ρολε ινδεεδ. Ιν τηεσε ρεγιονσ,
ραιλ σερϖιχεσ ηαϖε βεεν δραµατιχαλλψ εν−
ηανχεδ τηρουγη αν εϖολυτιον οφ σψστεµσ
ανδ τεχηνολογιεσ ιν σοχιετιεσ τηατ ηαϖε
νεϖερ ρελιεδ ον τηε αυτοµοβιλε ιν θυιτε
τηε σαµε ωαψ µοστ ιν Νορτη Αµεριχα
ηαϖε. Ιν µανψ παρτσ οφ Ευροπε ανδ Ασια,
τραινσ, ρατηερ τηαν αιρπλανεσ, αρε νοω
τηε πρεφερρεδ µεανσ οφ τραϖελ ον ρουτεσ
οφ αβουτ 200 το 600 κιλοµετερσ. Τηειρ
υσε οφ φαστ ανδ τεχηνολογιχαλλψ αδϖανχεδ
τραιν σψστεµσ βεγαν δεχαδεσ αγο ανδ
µαψ βε συππλεµεντεδ ιν χοµινγ ψεαρσ
βψ εϖεν µορε αδϖανχεδ µαγνετιχ−λεϖι−
τατιον (µαγλεϖ) τραινσ. Στεελ−ωηεελ−ον−
στεελ−ραιλ τραινσ αρε νοω οπερατινγ ατ
σπεεδσ οφ υπ το 300 κιλοµετερσ περ
ηουρ, ανδ µαγλεϖ τραινσ αρε βεινγ δε−
ϖελοπεδ ανδ τεστεδ φορ ιντροδυχτιον ατ
σπεεδσ οφ 400 το 500 κιλοµετερσ περ
ηουρ, περηαπσ ωιτηιν 10 ψεαρσ.
Ιν Νορτη Αµεριχα, τηε ιµπλεµεντα−
τιον οφ ηιγη−σπεεδ ραιλ ηασ βεεν φρυσ−
τρατινγλψ σλοω. Ιντερυρβαν ανδ χοµµυτ−
ερ ραιλ σερϖιχεσ νοω αχχουντ φορ λεσσ
τηαν 2 περχεντ οφ πασσενγερ µιλεσ περ
ψεαρ. Ραιλ στιλλ µοϖεσ συβσταντιαλ φρειγητ,
βυτ εϖεν ηερε τρυχκσ ηαϖε βεχοµε τηε
δοµιναντ χαρριερ.
Νεϖερτηελεσσ, τηερε ισ γροωινγ ρεχογ−
νιτιον τηατ µοβιλιτψ ον τηε χοντινεντ ισ
βεινγ τηρεατενεδ βψ χλογγεδ φρεεωαψσ
ιν µετροπολιταν αρεασ ανδ βψ ωινγ−
λοχκ, τηε αναλογουσ χονδιτιον ατ ηυβ
αιρπορτσ ατ πεακ τιµεσ. Συσταινινγ µο−
βιλιτψ ανδ εχονοµιχ δεϖελοπµεντ ωιλλ
δεµανδ α µορε βαλανχεδ χοµβινατιον
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
οφ ραιλ, αιρ ανδ ροαδ τραϖελ. Τηυσ, α ραιλ
ρεναισσανχε ισ βεινγ προποσεδ. Μιλλιονσ
οφ δολλαρσ ηαϖε βεεν σπεντ ον εϖαλυα−
τιονσ, σψστεµσ δεσιγν στυδιεσ, ρουτε συρ−
ϖεψσ ανδ ριδερσηιπ ασσεσσµεντσ φορ
ηεαϖιλψ τραϖελεδ χορριδορσ βετωεεν χιτ−
ιεσ σεϖεραλ ηυνδρεδ κιλοµετερσ απαρτ.
Συχη στυδιεσ ηαϖε βενε⇒τεδ φροµ λονγ
ρεχορδσ οφ εξπεριενχε ιν οτηερ πλαχεσ. Ιν
1964 ιν ϑαπαν, φορ εξαµπλε, τηε φαµεδ
Σηινκανσεν (βυλλετ τραιν) οπενεδ βε−
τωεεν Τοκψο ανδ Οσακα. Οϖερ τηε ψεαρσ,
σπεεδσ ηαϖε χλιµβεδ φροµ 210 το 270
κιλοµετερσ περ ηουρ, δεχρεασινγ τηε τριπ
τιµε ον τηε 553−κιλοµετερ Τοκψο−το−
Οσακα ρυν φροµ φουρ το 2.5 ηουρσ. ϑα−
παν∏σ Σηινκανσεν νετωορκ νοω χοϖερσ
TONY STONE IMAGES
ιντο Σωιτζερλανδ. Ιν 1992 τηεψ βεγαν
ρυννινγ ιν Σπαιν βετωεεν Μαδριδ ανδ
Σεϖιλλε, ανδ βψ 1998 τηεψ αρε το τραϖελ
βετωεεν Σεουλ ανδ Πυσαν ιν Κορεα.
Γερµανψ αλσο ηασ α ηιγη−σπεεδ τραιν,
τηε ΙντερΧιτψ Εξπρεσσ (ΙΧΕ), ωηιχη νοω
ζιπσ αλονγ ατ 250 κιλοµετερσ περ ηουρ
βετωεεν Ηαννοϖερ ανδ ΩŸρζβυργ ανδ
αλσο βετωεεν Μαννηειµ ανδ Στυττγαρτ.
Λικε τηοσε ιν ϑαπαν ανδ Φρανχε, τηισ σψσ−
τεµ οπερατεσ ον α δεδιχατεδ ριγητ−οφ−
ωαψ, µαξιµιζινγ πασσενγερ ανδ πυβλιχ
σαφετψ βψ ελιµινατινγ ροαδ χροσσινγσ
ανδ βψ υσινγ αδϖανχεδ χοντρολ.
Σωεδεν ηασ αδοπτεδ α σοµεωηατ διφ−
φερεντ αππροαχη ιν ιτσ Ξ2000, ωηιχη
αχηιεϖεσ α τοπ σπεεδ οφ 220 κιλοµετερσ
περ ηουρ ον τηε 456−κι−
λοµετερ λινε φροµ Στοχκ−
ηολµ το Úτεβοργ ανδ
γετσ τηε µοστ ουτ οφ εξ−
ιστινγ ραιλροαδ ινφρα−
στρυχτυρε βψ αχτιϖελψ τιλτ−
ινγ τηε πασσενγερ χοµ−
παρτµεντ ρελατιϖε το ιτσ
ωηεελεδ υνδερχαρριαγε.
Τηε σχηεµε αϖοιδσ συβ−
ϕεχτινγ πασσενγερσ το
υνχοµφορταβλε λατεραλ
φορχεσ ωηιλε ρουνδινγ
χυρϖεσ ατ ηιγη σπεεδ. Ιν
Ιταλψ τηε ΕΤΡ−450 τιλτ−
βοδψ τραιν προϖιδεσ
σιµιλαρ σερϖιχε βετωεεν
Ροµε ανδ Φλορενχε.
Ιν Νορτη Αµεριχα,
εξπεριενχε ωιτη ηιγη−
σπεεδ ραιλ ηασ βεεν λιµ−
ιτεδ φορ τηε µοστ παρτ το
παπερ στυδιεσ ανδ δεµ−
ονστρατιονσ οφ Ευροπεαν
γροων το χοϖερ σοµε 2,045 κιλοµετερσ, φροµ Μοριοκα ιν νορτη−
τεχηνολογψ το στιµυλατε
ερν Ηονσηυ το Ηακατα, ον τηε σουτηερν ισλανδ οφ Κψυσηυ.
πυβλιχ ιντερεστ. Μανψ
ρεπορτσ ηαϖε εϖαλυατεδ
τηε συιταβιλιτψ οφ ηιγη−
2,045 κιλοµετερσ, φροµ Μοριοκα ιν σπεεδ ραιλ φορ συχη χορριδορσ ασ Πιττσ−
νορτηερν Ηονσηυ το Ηακατα ιν Κψυσηυ, βυργη−Πηιλαδελπηια, Λασ ςεγασ∠Λοσ Αν−
ανδ χαρριεσ 275 µιλλιον πασσενγερσ εϖ− γελεσ, Σαν Φρανχισχο∠Λοσ Ανγελεσ∠Σαν
ερψ ψεαρ. Ατ τηε σαµε τιµε, τεχηνολογψ ∆ιεγο, ∆αλλασ−Ηουστον∠Σαν Αντονιο, Μι−
δεϖελοπµεντ χοντινυεσ, λεδ βψ ϑαπαν αµι−Ορλανδο−Ταµπα ανδ Τοροντο−Οττα−
Ραιλωαψσ Χεντραλ, ονε οφ τηε χουντρψ∏σ ωα−Μοντρεαλ. Νοτηινγ ηασ βεεν βυιλτ,
ρεγιοναλ ραιλωαψ χοµπανιεσ. Αµονγ τηε ηοωεϖερ, βεχαυσε τηε εχονοµιχσ αρε
προϕεχτσ υνδερ ωαψ ισ α Συπερ Τραιν φορ προϕεχτεδ το βε µαργιναλ ανδ βεχαυσε
τηε Αδϖανχεδ Ραιλωαψ οφ τηε 21στ χεν− φεδεραλ ανδ στατε γοϖερνµεντσ αρε ρε−
τυρψ (ΣΤΑΡ 21), ωηοσε προτοτψπε ηασ λυχταντ το χοµµιτ συβσταντιαλ φυνδσ.
αχηιεϖεδ 425 κιλοµετερσ περ ηουρ.
Αµτρακ, τηε Υ.Σ. ραιλ πασσενγερ χαρρι−
Ιτ ισ Φρανχε, ηοωεϖερ, τηατ ηασ τηε ερ, δοεσ πλαν σιγνι⇒χαντ υπγραδεσ ον
φαστεστ χοµµερχιαλ τραιν σψστεµ ιν τηε ιτσ ⇓αγσηιπ Νορτηεαστ Χορριδορ ρουτεσ,
ωορλδ, τηε Τραιν ˆ Γρανδε ςιτεσσε (ΤΓς). ηοωεϖερ. Παρτ οφ τηισ νετωορκ, βετωεεν
Τηε ΤΓς Ατλαντιθυε ηασ α µαξιµυµ Ωασηινγτον, ∆.Χ., ανδ Νεω Ψορκ Χιτψ, αλ−
σπεεδ οφ 300 κιλοµετερσ περ ηουρ. Παρισ ρεαδψ ρυνσ ατ σπεεδσ οφ υπ το 200 κιλο−
φορµσ τηε ηυβ οφ α νετωορκ τηατ εξ− µετερσ περ ηουρ ανδ χαρριεσ µορε πασ−
τενδσ νορτη το Λιλλε ανδ τηε Χηαννελ σενγερσ τηαν ειτηερ οφ τηε χοµπετινγ αιρ
Τυννελ, ωεστ το Τουρσ ανδ Λε Μανσ, ανδ σηυττλεσ. Ιν τηε ιµµεδιατε φυτυρε, Αµ−
σουτη το Λψονσ. ΤΓς τραινσ αλσο οπερατε τρακ πλανσ το αωαρδ α ∃700−µιλλιον χον−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
τραχτ το πυρχηασε ανδ µαινταιν υπ το
26 ηιγη−σπεεδ τραιν σετσ φορ υσε ιν τηε
χορριδορ; δεπενδινγ ον βυδγετ νεγοτια−
τιονσ ιν τηε Υ.Σ. Χονγρεσσ, τηε χοντραχτ
χουλδ βε αωαρδεδ λατερ τηισ αυτυµν. Τηε
νεω τραινσ ωιλλ λινκ Βοστον, Νεω Ψορκ
Χιτψ ανδ Ωασηινγτον, ∆.Χ., ωιτη σερϖιχε
οφ υπ το 225 κιλοµετερσ περ ηουρ, ονχε
υπγραδινγ οφ τηε ραιλροαδ ινφραστρυχτυρε
ισ ⇒νισηεδ, ποσσιβλψ ιν 1999. Τηε τραινσ
αρε το βε µανυφαχτυρεδ ιν τηε Υ.Σ., µοστ
λικελψ ασ α ϕοιντ ϖεντυρε ωιτη αν ο⇑σηορε
δεϖελοπερ. Χοµπανιεσ χοµπετινγ φορ
τηε Αµτρακ χοντραχτ αρε ο⇑ερινγ ΤΓς,
Ξ2000 ανδ ΙΧΕ/Φιατ τεχηνολογιεσ.
Φλψινγ Λοω
Μ
ανψ οφ τηεσε προµισινγ αππλιχα−
τιονσ φορ ηιγη−σπεεδ ραιλ στεµ φροµ
τηε τεχηνολογψ∏σ εϖολυτιοναρψ νατυρε∇
µοστ προϕεχτσ ωιλλ κεεπ χοστσ δοων βψ
µακινγ υσε οφ εξιστινγ ινφραστρυχτυρε.
Τηισ ισ αν αδϖανταγε νοτ σηαρεδ βψ ηιγη−
σπεεδ ραιλ∏σ ρεϖολυτιοναρψ χουντερπαρτ∇
µαγλεϖ τραινσ. Μαγλεϖ ισ τηε γενεριχ τερµ
φορ α φαµιλψ οφ τεχηνολογιεσ ιν ωηιχη α
ϖεηιχλε ισ συσπενδεδ, γυιδεδ ανδ προ−
πελλεδ βψ µεανσ οφ µαγνετιχ φορχεσ.
Ωιτη ιτσ νεεδ φορ αν εντιρελψ νεω ινφρα−
στρυχτυρε, µαγλεϖ ισ λικελψ το ⇒νδ αππλι−
χατιον πριµαριλψ ιν α φεω ηεαϖιλψ τραϖ−
ελεδ χορριδορσ, ωηερε τηε ποτεντιαλ ρεϖ−
ενυε χουλδ ϕυστιφψ τηε χοστ οφ βυιλδινγ
γυιδεωαψσ φροµ τηε γρουνδ υπ.
Μαινλψ βεχαυσε οφ τηισ οβσταχλε, µαγ−
λεϖ ηασ ηαδ α προλονγεδ αδολεσχενχε.
Τηε ⇒ρστ χονχεπτυαλ ουτλινεσ ωερε πυβ−
λισηεδ σοµε 30 ψεαρσ αγο βψ τωο πηψσι−
χιστσ ατ Βροοκηαϖεν Νατιοναλ Λαβορατο−
ρψ ον Λονγ Ισλανδ, Ν.Ψ. ϑαµεσ Ρ. Ποωελλ
ανδ Γορδον ∆ανβψ ενϖισιονεδ α 480−
κιλοµετερ−περ−ηουρ (300−µιλε−περ−ηουρ)
τραιν συσπενδεδ βψ συπερχονδυχτινγ
µαγνετ χοιλσ. Ωιτηιν α δεχαδε, ηοωεϖ−
ερ, ϖιρτυαλλψ αλλ τηε ρεσεαρχη ανδ δεϖελ−
οπµεντ σηιφτεδ το Γερµανψ ανδ ϑαπαν,
ωηιχη πυρσυεδ δι⇑ερεντ τεχηνιχαλ ϖαρι−
ατιονσ ωιτη συβσταντιαλ γοϖερνµεντ ανδ
πριϖατε φυνδινγ.
Ωιτη µαγλεϖ, αλτερνατινγ−χυρρεντ ελεχ−
τριχιτψ ισ φεδ το ωινδινγσ διστριβυτεδ
αλονγ τηε γυιδεωαψ, χρεατινγ α µαγνετιχ
ωαϖε ιντο ωηιχη τηε ϖεηιχλε∏σ µαγνετσ
αρε λοχκεδ. Σπεεδ ισ χοντρολλεδ βψ ϖαρψ−
ινγ τηε φρεθυενχψ οφ τηε ελεχτριχαλ ενερ−
γψ αππλιεδ το τηε γυιδεωαψ ωινδινγσ.
Ιν ε⇑εχτ, τηε ϖεηιχλε∏σ µαγνετσ ανδ τηε
ωινδινγσ ιν τηε γυιδεωαψ χονστιτυτε α
σινγλε σψνχηρονουσ ελεχτριχ µοτορ,
ωηιχη προϖιδεσ λινεαρ ρατηερ τηαν ροτα−
τιοναλ µοτιον.
Τηερε αρε τωο ϖαριατιονσ ον τηισ
τηεµε. Τηε σο−χαλλεδ ρεπυλσιον−µοδε
ελεχτροδψναµιχ σψστεµ, προποσεδ βψ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
100Α
Ποωελλ ανδ ∆ανβψ ανδ πυρσυεδ ιν ϑα−
παν, υσεσ συπερχονδυχτιϖε µαγνετσ ον
βοαρδ τηε ϖεηιχλε το ινδυχε χυρρεντσ ιν
χονδυχτιϖε χοιλσ ιν τηε γυιδεωαψ. Τηισ
ιντεραχτιον λεϖιτατεσ τηε ϖεηιχλε αβουτ
15 χεντιµετερσ, ασ τηουγη ιτ ωερε α λοω−
⇓ψινγ, γυιδεωαψ−βασεδ αιρχραφτ. Ινδεεδ,
τηε ϑαπανεσε ϖεηιχλε αχηιεϖεσ µαγνετιχ
λιφτο⇑ ατ αβουτ 100 κιλοµετερσ περ ηουρ;
ατ λοωερ σπεεδσ, ιτ ρολλσ ον ωηεελσ.
Τηε οτηερ τψπε, ωηιχη ηασ βεεν δεϖελ−
οπεδ ιν Γερµανψ, ισ τηε αττραχτιον−µοδε
ελεχτροµαγνετιχ σψστεµ. Χονϖεντιοναλ
(νονσυπερχονδυχτινγ) ιρον−χορε ελεχτρο−
µαγνετσ χαρριεδ βψ τηε ϖεηιχλε αρε ατ−
τραχτεδ υπωαρδ τοωαρδ φερροµαγνετιχ
χοµπονεντσ ατταχηεδ το τηε υνδερσιδε
οφ τηε γυιδεωαψ στρυχτυρε. Τηισ τψπε οφ
µαγνετιχ συσπενσιον ισ ινηερεντλψ υν−
σταβλε ανδ νεεδσ πρεχισε χοντρολ το
µαινταιν α χλεαρανχε οφ αβουτ 1.5 χεντι−
µετερσ βετωεεν τηε ϖεηιχλε∏σ µαγνετσ
ανδ τηε γυιδεωαψ. Ονε αδϖανταγε, ηοω−
εϖερ, ισ τηατ τηε ϖεηιχλε ρεµαινσ λεϖιτατ−
εδ εϖεν ωηεν µοτιονλεσσ ανδ τηυσ
χουλδ βε υσεδ φορ υρβαν ανδ χοµµυτερ
τρανσιτ ασ ωελλ ασ φορ λονγερ, ηιγη−σπεεδ
ρουτεσ. Ινδεεδ, τηε ⇒ρστ οπερατιοναλ
µαγλεϖ σψστεµ ωασ α λοω−σπεεδ σηυττλε
ινσταλλεδ ιν 1984 βετωεεν τηε αιρπορτ
τερµιναλ ανδ νεαρβψ ραιλωαψ στατιον ιν
Βιρµινγηαµ, Ενγλανδ.
ϑαπαν∏σ ρεπυλσιον−µοδε σψστεµ ισ βε−
ινγ δεϖελοπεδ βψ τηε χουντρψ∏σ Ραιλωαψ
Τεχηνιχαλ Ρεσεαρχη Ινστιτυτε ιν χολλαβο−
ρατιον ωιτη α νυµβερ οφ λαργε ενγινεερ−
ινγ χοµπανιεσ. Α σεριεσ οφ τεστ ϖεηιχλεσ
ινχλυδεδ τηε ΜΛ−500Ρ, ωηιχη ιν 1979
αχηιεϖεδ α σπεεδ οφ 517 κιλοµετερσ περ
ηουρ∇α ρεχορδ φορ µαγλεϖ∇ον α σεϖ−
εν−κιλοµετερ τεστ τραχκ νεαρ Μιψαζακι,
ον τηε ισλανδ οφ Κψυσηυ. Ιτσ συχχεσσορ,
α προτοτψπε ϖεηιχλε, ωιλλ σταρτ τεστ ρυνσ
ιν 1997 ον α 42.7−κιλοµετερ πρεχοµµερ−
χιαλ τεστ ανδ δεµονστρατιον φαχιλιτψ ιν
Ψαµανασηι πρεφεχτυρε νεαρ Τοκψο. Τηισ
δουβλε−τραχκ γυιδεωαψ ωιλλ αλλοω εσσεν−
τιαλλψ αλλ ασπεχτσ οφ αν οπερατιοναλ σψσ−
τεµ το βε τεστεδ, ινχλυδινγ φυλλ−σιζε ϖε−
ηιχλεσ γοινγ τηρουγη α τυννελ ατ 500 κι−
λοµετερσ περ ηουρ. Βαχκερσ οφ τηε
προϕεχτ αρε ηοπεφυλ τηατ α χοµµερχιαλ
ϖερσιον χουλδ βε ρεαδψ φορ δεπλοψµεντ
βετωεεν Τοκψο ανδ Οσακα βψ 2005.
Ιν Γερµανψ τηε αττραχτιον−µοδε ελεχ−
τροµαγνετιχ Τρανσραπιδ µαγλεϖ σψσ−
τεµ ηασ βεεν υνδερ δεϖελοπµεντ βψ
Μαγνετβαην ΓµβΗ σινχε τηε λατε 1960σ.
Αγαιν, τεστ ϖεηιχλεσ λεδ το τηε χονστρυχ−
τιον οφ α δεµονστρατιον φαχιλιτψ, ατ Εµσ−
λανδ ιν τηε εαρλψ 1980σ. Ιτσ 31−κιλοµετερ,
⇒γυρε−ειγητ−σηαπεδ γυιδεωαψ αλλοωσ φυλλ−
σχαλε ϖεηιχλεσ το ρυν υνδερ χονδιτιονσ
σιµιλαρ το οπερατιοναλ ονεσ. Τηε πρεπρο−
δυχτιον ϖεηιχλε ΤΡ−07 ηασ βεεν υνδερ
εϖαλυατιον φορ αλµοστ ⇒ϖε ψεαρσ, ρεγυ−
λαρλψ αχηιεϖινγ σπεεδσ οφ φροµ 400 το
450 κιλοµετερσ περ ηουρ. Τηε Γερµαν
γοϖερνµεντ ρεχεντλψ χηοσε τηε τεχηνολ−
ογψ φορ α νεω λινε λινκινγ Βερλιν ανδ
Ηαµβυργ. Τηε ρουτε, το βε βυιλτ βψ
αβουτ 2005, ωιλλ βε τηε χεντερπιεχε οφ α
προγραµ το ενηανχε εαστ−ωεστ τραϖελ ιν
τηε ρευνι⇒εδ Γερµανψ.
Υ.Σ. Μαγλεϖ: Συσπενδεδ Ανιµατιον
Ι
ν τηε Υ.Σ., µαγλεϖ δεϖελοπµεντ ωασ
αβανδονεδ αφτερ α βριεφ περιοδ οφ ρε−
σεαρχη φροµ τηε λατε 1960σ το τηε µιδ−
1970σ ατ Φορδ Μοτορ Χοµπανψ, τηε
Στανφορδ Ρεσεαρχη Ινστιτυτε ανδ τηε
Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ.
Τηε χονχεπτ ωασ ρεϕυϖενατεδ ιν τηε λατε
1980σ, ηοωεϖερ, ανδ α γοϖερνµεντ−
σπονσορεδ Νατιοναλ Μαγλεϖ Ινιτιατιϖε
ωασ λαυνχηεδ ιν αν αττεµπτ το αππλψ
σοµε ρελεϖαντ τεχηνολογιεσ∇χρψογενιχσ,
ποωερ ελεχτρονιχσ, αεροδψναµιχσ, χον−
τρολ ανδ ϖεηιχλε δψναµιχσ∇φροµ τηε
αεροσπαχε ανδ ρελατεδ ινδυστριεσ. Τηε
γοαλ ωασ α σεχονδ−γενερατιον µαγλεϖ
σψστεµ το µεετ τηε νεεδσ ανδ χονδι−
τιονσ οφ Νορτη Αµεριχα.
Ιν 1994 γοϖερνµεντ φυνδινγ ραν ουτ
ωιτηουτ σπυρρινγ ανψ συσταινεδ πριϖατε−
σεχτορ χοµµιτµεντ. Φουρ ιννοϖατιϖε
µαγλεϖ σψστεµσ ωερε δεσιγνεδ. Νονε
ωερε βυιλτ, βυτ τηε εξερχισε γενερατεδ
σεϖεραλ ιντερεστινγ ιδεασ, ινχλυδινγ νοϖελ
χονχεπτσ φορ σψνχηρονουσ προπυλσιον
ανδ α συπερχονδυχτινγ ϖερσιον οφ ελεχ−
τροµαγνετιχ συσπενσιον ωιτη α λαργε αιρ
γαπ βετωεεν ϖεηιχλε ανδ τραχκ. Βψ 1994
µαγλεϖ Ρ&∆ ιν Νορτη Αµεριχα ηαδ ρε−
τυρνεδ το ιτσ πρεϖιουσ µινιµαλ στατε.
Το σοµε εξτεντ, µαγλεϖ ⇒νδσ ιτσελφ α
ϖιχτιµ οφ χηανγινγ χιρχυµστανχεσ.
Τωεντψ ορ 25 ψεαρσ αγο τηε τεχηνολογψ
ωασ τηουγητ το βε ιδεαλ φορ χοννεχτινγ
δενσελψ ποπυλατεδ αρεασ υπ το 600 κιλο−
µετερσ απαρτ. Σπεεδσ οφ 450 το 500 κι−
λοµετερσ περ ηουρ ωουλδ µακε µαγλεϖ
χοµπετιτιϖε ωιτη αιρ τραϖελ, ιτ ωασ ρεα−
σονεδ, αµιδ χονχερνσ αβουτ τηε χοστ
ανδ αϖαιλαβιλιτψ οφ οιλ−βασεδ φυελσ.
Τηισ αργυµεντ λαργελψ δεπενδσ ον
τηε µαξιµυµ σπεεδ οφ στεελ−ωηεελ−ον−
ραιλ τραινσ βεινγ σιγνι⇒χαντλψ λεσσ τηαν
τηε σπεεδ οφ µαγλεϖ; οτηερωισε τηεσε
χονϖεντιοναλ τραινσ χουλδ ιν µανψ χασ−
εσ ⇒λλ τηε βιλλ µορε εχονοµιχαλλψ. Τωο
ορ τηρεε δεχαδεσ αγο τηε πραχτιχαλ σπεεδ
λιµιτ φορ στεελ−ωηεελ−ον−ραιλ ωασ γενερ−
αλλψ τηουγητ το βε αβουτ 250 κιλοµετερσ
περ ηουρ. Ψετ, ασ νοτεδ, ηιγη−σπεεδ ραιλ
ηασ δεϖελοπεδ το τηε ποιντ τηατ οπερατ−
ινγ σπεεδσ ηαϖε ρεαχηεδ 300 κιλοµε−
τερσ περ ηουρ. Τηε αχηιεϖεµεντ ηασ φολ−
λοωεδ φροµ α βεττερ υνδερστανδινγ οφ
ωηεελ−ραιλ δψναµιχσ, αεροδψναµιχσ ανδ
τηε τρανσφερρινγ οφ ηιγη λεϖελσ οφ ελεχ−
τριχ ποωερ το α µοϖινγ τραιν φροµ αν
οϖερηεαδ λινε. Εϖεν µορε ιµπρεσσιϖελψ,
ωηεελεδ τραινσ ηαϖε βεεν τεστεδ ατ
σπεεδσ οφ υπ το 520 κιλοµετερσ περ
ηουρ∇τηρεε κιλοµετερσ περ ηουρ φαστερ
τηαν τηε µαγλεϖ ρεχορδ. Αλτηουγη νο
ονε χλαιµσ ιτ ωουλδ βε φεασιβλε το ρυν α
πασσενγερ τραιν ατ τηισ σπεεδ, 350 κιλο−
µετερσ περ ηουρ ισ νοω χονσιδερεδ το
βε οπερατιοναλλψ ωορκαβλε.
Τηυσ, µαγλεϖ∏σ σπεεδ ανδ τοταλ−τριπ−
τιµε αδϖανταγε ισ νοτ ωηατ ιτ ονχε ωασ;
ρεαλιστιχαλλψ, ιτ ωουλδ σεεµ το βε αβουτ
20 ορ 30 περχεντ, ιν χοµπαρισον ωιτη
τηε βεστ ωηεελ−ον−ραιλ σψστεµσ. Ιτ ρε−
µαινσ το βε σεεν ηοω µανψ γοϖερν−
µεντσ ωιλλ ⇒νδ τηισ µαργιν χοµπελλινγ
ενουγη το χοµµιτ το α φυνδαµενταλλψ
νεω τρανσπορτατιον τεχηνολογψ, φορ
τηοσε φεω µεδιυµ−ρανγε, ηεαϖιλψ τραϖ−
ελεδ ρουτεσ ωηερε µαρκετ σηαρε µιγητ
βε ωον φροµ τηε αιρλινεσ.
Οφ χουρσε, ηιγηερ σπεεδσ ωουλδ µακε
µαγλεϖ µορε αττραχτιϖε, ανδ 500 κιλο−
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΤΟΝΨ Ρ. ΕΑΣΤΗΑΜ ισ α προφεσσορ ιν τηε δε−
παρτµεντ οφ ελεχτριχαλ ανδ χοµπυτερ ενγινεερ−
ινγ ατ Θυεεν∏σ Υνιϖερσιτψ ιν Κινγστον, Ον−
ταριο. Ηισ ρεσεαρχη ιντερεστσ ινχλυδε αδϖανχεδ
γρουνδ τρανσπορτατιον, ελεχτριχ δριϖεσ ανδ τηε
δεσιγν οφ µαχηινεσ ανδ ελεχτροµαγνετιχ δε−
ϖιχεσ. Τηισ ψεαρ ηε ισ ϖισιτινγ προφεσσορ οφ
τρανσπορτατιον σψστεµσ ενγινεερινγ ατ τηε
Υνιϖερσιτψ οφ Τοκψο.
ΣΥΠΕΡΤΡΑΙΝΣ: ΣΟΛΥΤΙΟΝΣ ΤΟ ΑΜΕΡΙΧΑ∏Σ ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ ΓΡΙ∆ΛΟΧΚ. ϑοσεπη ςρανιχη. Στ.
Μαρτιν∏σ Πρεσσ, 1993.
ΤΗΕ 21ΣΤ ΧΕΝΤΥΡΨ ΛΙΜΙΤΕ∆: ΧΕΛΕΒΡΑΤΙΝΓ Α ∆ΕΧΑ∆Ε ΟΦ ΠΡΟΓΡΕΣΣ. Ηιγη Σπεεδ Ραιλ/Μαγλεϖ
Ασσοχιατιον, Αλεξανδρια, ςα. Ρειχηµαν Φρανκλε, Ενγλεωοοδ Χλιφφσ, Ν.ϑ., 1994.
ΗΙΓΗ−ΣΠΕΕ∆ ΓΡΟΥΝ∆ ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ ΙΣ ΧΟΜΙΝΓ ΤΟ ΑΜΕΡΙΧΑ∇ΣΛΟΩΛΨ. ϑ. Α. Ηαρρισον ιν
ϑουρναλ οφ Τρανσπορτατιον Ενγινεερινγ, ςολ. 121, Νο. 2, παγεσ 117∠123; Μαρχη∠Απριλ 1995.
ΗΙΓΗ−ΣΠΕΕ∆ ΓΡΟΥΝ∆ ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ ∆ΕςΕΛΟΠΜΕΝΤ ΟΥΤΣΙ∆Ε ΤΗΕ ΥΝΙΤΕ∆ ΣΤΑΤΕΣ. Τονψ
Ρ. Εαστηαµ ιν ϑουρναλ οφ Τρανσπορτατιον Ενγινεερινγ, ςολ. 121, Νο. 5, παγεσ 411∠416; Σεπ−
τεµβερ∠Οχτοβερ 1995.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
100Β
Ρολλινγ ορ Φλοατινγ ατ 300 Κιλοµετερσ περ Ηουρ
Α
dvanced ground transportation has three categories: high speed, very high
speed and magnetic levitation (maglev). High-speed systems, such as Amtrak’s Northeast Corridor in the U.S., use the traditional steel-wheel-on-rail technology and can operate at top speeds ranging from 200 to 240 kilometers per
hour (125 to 150 miles per hour). Very high speed systems are considered capable of reaching 350 kilometers per hour (218 mph ), using enhanced wheelon-rail technology. They are always electrically powered and require relatively
straight route alignments to accommodate the higher speeds. The French Train
à Grande Vitesse (TGV) (shown at bottom ), Germany’s InterCity Express (ICE)
and Japan’s Shinkansen (bullet train) are all examples of very high speed rail.
Maglev systems are quite different from traditional trains. They use electromagnetic forces to levitate, guide and propel train cars along a guideway at
projected speeds of 320 to 500 kilometers per hour (200 to 310 mph). The
German Transrapid (shown at top ) on the elevated guideway, and Japan’s MLU—
both noncommercial prototypes—are the only full-scale examples of high-speed
maglev technology. A feature unique to maglev is the use of a synchronous motor that provides linear rather than rotational motion, with power supplied to
magnet windings in the guideway.
—John A. Harrison, Parsons Brinckerhoff Quade & Douglas, Inc.
INTERIOR OF TRANSRAPID
High-Speed Rail versus Maglev
HIGH-SPEED RAIL
MAGLEV
Speeds of 330 kilometers
per hour planned for the
near future
Likely top speeds in
commercial service of
400 kilometers per hour
New rights-of-way and tracks
needed for high speed, but existing tracks might be used for urban operations at lower speed;
construction costs are lower
Totally new infrastructure
required; higher construction
costs; maintenance costs
may be lower
At speeds of 260 kilometers
per hour, noise level reaches
85 to 90 decibels at a distance
of 25 meters from the track
Noise level equal to or lower
than that of high-speed rail
at identical speeds; quieter
at low speeds because of
lack of friction
31-year history of revenuegenerating lines
No high-speed, commercial
lines in operation
Energy use, per seat-mile,
projected to be similar to
maglev’s at top speeds
Less energy use in general
Faster acceleration than
high-speed rail; can
climb steeper grades
SOURCE: Office of Technology Assessment, U.S. Congress
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
THYSSEN HENSCHEL
High-speed maglev vehicles employ one of two kinds of suspension: electromagnetic (EMS) or electrodynamic (EDS). Used on the German Transrapid
system, EMS relies on attraction between vehicle-mounted electromagnets
and others on the underside of the guideway. In contrast, the electrodynamic
system (shown at right ) pushes the vehicle up above the guideway using repulsing magnets. As implemented in the Japanese MLU prototypes, EDS is
based on superconducting magnets, creating a gap about 10 times greater
than EMS is capable of producing. The greater gap allows for less precision
in guideway construction tolerances.
At present, however, the ride
quality of EDS vehicles is
poorer than for EMS
ones and therefore
requires more
development.
AIR GAP
APPROXIMATELY
1.5 CENTIMETER
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ILLUSTRATIONS BY GEORGE RETSECK
ELECTROMAGNETIC
ELECTRODYNAMIC
REPULSION
FORCES
ATTRACTIVE
FORCES
Y
RS
AIR GAP
APPROXIMATELY
15 CENTIMETERS
ALSIN NOGUES Sygma
MAGNETS
INTERIOR OF TGV
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
µετερσ περ ηουρ ισ νοτ τηε ⇒ναλ, υππερ
λιµιτ βψ ανψ µεανσ. Βυτ ονε οφ τηε µαιν
λιµιτινγ φαχτορσ ατ συχη σπεεδσ ισ αερο−
δψναµιχσ. Τηε ποωερ νεεδεδ το οϖερ−
χοµε αεροδψναµιχ δραγ ινχρεασεσ ασ τηε
χυβε οφ σπεεδ; νοισε φροµ αεροδψναµιχ
σουρχεσ ινχρεασεσ ασ τηε σιξτη ποωερ.
Ανδ τηε δψναµιχ περτυρβατιονσ χαυσεδ
βψ τραινσ πασσινγ ονε ανοτηερ ορ εντερ−
ινγ ανδ εξιτινγ τυννελσ βεχοµε ινχρεασ−
ινγλψ σεϖερε ατ ηιγη σπεεδ. Συχη φαχτορσ
ηαϖε λεδ το προποσαλσ το ρυν µαγλεϖ
τραινσ ιν α φυλλψ ορ παρτιαλλψ εϖαχυατεδ
τυβε.
Ψεαρσ αγο α στυδψ συγγεστεδ τηατ συχη
α τυννελ χουλδ λινκ Νεω Ψορκ Χιτψ, Λοσ
Ανγελεσ ανδ περηαπσ οτηερ ιντερνατιον−
αλ χιτιεσ ασ ωελλ τηρουγη τρανσοχεανιχ
λινκσ το προϖιδε τηε υλτιµατε ιν γλοβαλ
τρανσπορτατιον. Τοπ σπεεδ χουλδ βε ασ
ηιγη ασ 2,000 κιλοµετερσ περ ηουρ, ανδ α
διππινγ ανδ ρισινγ προ⇒λε βετωεεν στα−
τιονσ ωουλδ λετ γραϖιτψ ασσιστ ιν προπυλ−
σιον ανδ βρακινγ. Ενγινεερινγ χονσιδερ−
ατιονσ, συχη ασ τηε χοστ οφ βυιλδινγ ανδ
µαινταινινγ συχη α τυννελ, µακε τηε
ιδεα φανχιφυλ, το σαψ τηε λεαστ.
Αλτηουγη ιτ µαψ βε µανψ δεχαδεσ
βεφορε ιτ ωιλλ βε ποσσιβλε το µακε ρεσερ−
ϖατιονσ φορ τηε τωο−ηουρ τριπ φροµ Νεω
Ψορκ το Λοσ Ανγελεσ, ιµπορταντ µιλε−
στονεσ αρε αηεαδ φορ βοτη µαγλεϖ ανδ
µορε χονϖεντιοναλ, ωηεελ−ον−ραιλ τραινσ.
Τηε νεξτ δεχαδε σηουλδ σεε τηε ιναυγυ−
ρατιον οφ τηε ⇒ρστ µοδερατελψ λονγ−δισ−
τανχε χοµµερχιαλ µαγλεϖ ρουτεσ. Ηιγη−
σπεεδ ραιλ, µεανωηιλε, ωιλλ βε στεαδιλψ
ενηανχεδ ιν σπεεδ, χοµφορτ ανδ πασ−
σενγερ αµενιτιεσ. Ευροπεαν σερϖιχεσ
ωιλλ βεχοµε ινχρεασινγλψ νετωορκεδ. Ατ
τηε σαµε τιµε, µανψ µορε λινεσ ωιλλ βε
βυιλτ ιν Ασια, ινχλυδινγ τηε χοµπλετιον
οφ α νατιοναλ νετωορκ ιν ϑαπαν ανδ νεω
ρουτεσ ιν Κορεα, Ταιωαν ανδ Χηινα.
Τηε Υ.Σ. ισ χλεαρλψ α φολλοωερ ρατηερ
τηαν α λεαδερ ιν τηε νεω ηιγη−σπεεδ ραιλ
τεχηνολογιεσ. Βυτ τηε χουντρψ ωιλλ ⇒νδ ιτ
νεχεσσαρψ το ρεϕυϖενατε ιτσ ραιλ πασσεν−
γερ ρουτεσ, σταρτινγ ωιτη τηε Νορτηεαστ
Χορριδορ. Προβαβλψ, σοµε αδδιτιοναλ
µοτιϖατιον ωιλλ βε νεεδεδ, συχη ασ αν−
οτηερ οιλ χρισισ, ορ ροαδ ανδ αιρ χονγεσ−
τιον σο βαδ τηατ ιτ ιντερφερεσ ωιτη εχο−
νοµιχ γροωτη. Τρυε, ϖιδεοχονφερενχινγ
ανδ οτηερ φορµσ οφ τελεχοµµυνιχατιονσ
ωιλλ λεσσεν τηε νεεδ το τραϖελ ανδ ωιλλ
σαϖε τιµε ανδ µονεψ. Νεϖερτηελεσσ,
τηερε ισ νο ηαρδ εϖιδενχε ψετ τηατ συχη
χοµµυνιχατιονσ φαχιλιτιεσ αρε σλοωινγ
τηε γροωτη οφ βυσινεσσ τραϖελ. Ηιγη−τεχη
τραινσ ωιλλ χοµε το Νορτη Αµεριχα∇ιτ ισ
ϕυστ α µαττερ οφ τιµε, νεεδ ανδ α µορε
φαϖοραβλε εχονοµιχ ενϖιρονµεντ. Τελε−
χοµµυνιχατιονσ µαψ βε τηε νεξτ βεστ
τηινγ, βυτ βεινγ τηερε ισ βεστ οφ αλλ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
101
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
Τηε Αυτοµοβιλε:
Χλεαν ανδ Χυστοµιζεδ
Βοτη τηε Υ.Σ. ανδ ϑαπαν ηαϖε χορρε−
σπονδινγ προϕεχτσ υνδερ ωαψ. Τηε Υ.Σ.
ε⇑ορτ ισ χαλλεδ τηε Ιντελλιγεντ ςεηιχλε
ανδ Ηιγηωαψ Σψστεµ; ϑαπαν∏σ προγραµ,
ωηιχη ισ χονχεντρατινγ ον τρανσµιττινγ
τρα⇔χ ινφορµατιον ατ ιντερσεχτιονσ, ισ
κνοων ασ τηε ςεηιχλε Ινφορµατιον Χοµ−
µυνιχατιον Σψστεµ.
Built-in intelligence will let automobiles tune
themselves to their drivers and cooperate
to get through crowded tra¤c systems safely
Τηρεε Τιερσ
Τ
ο µακε τηειρ ηυγε υνδερτακινγ µαν−
αγεαβλε, Προµετηευσ∏σ ενγινεερσ
ανδ σχιεντιστσ βροκε τηε τασκ δοων ιντο
τηρεε ⇒ελδσ οφ ρεσεαρχη, χοϖερινγ τραφ−
⇒χ µαναγεµεντ, χοοπερατιϖε δριϖινγ
ανδ σαφετψ. Μοστ τεχηνολογιεσ φορ τηε
λαστ τωο αωαιτ δεϖελοπµεντ ορ ιντροδυχ−
τιον; ηοωεϖερ, πιλοτ προϕεχτσ ηαϖε αλ−
∆
εχαδεσ αγο, ασ µοτορ ϖεηιχλεσ
ωερε βεχοµινγ υβιθυιτουσ ιν
µανψ χουντριεσ, ιµαγεσ οφ δριϖ−
ερσ χρυισινγ οπεν ροαδσ ορ µοονλιτ παρκ−
ωαψσ χονϕυρεδ τηε ϖερψ εσσενχε οφ προγ−
ρεσσ ανδ αυτονοµψ. Ανδ φορ γοοδ ρεα−
σον: ιν δεϖελοπεδ χουντριεσ, ατ λεαστ, τηε
αυτοµοβιλε ωασ λιτεραλλψ ωιδενινγ πεο−
πλε∏σ ηοριζονσ, γρεατλψ εξπανδινγ τηε
αρεα ωιτηιν ωηιχη τηεψ χουλδ λιϖε, ωορκ
ανδ ρελαξ.
Βυτ ασ ανψονε ωηο ηασ εϖερ ενδυρεδ
α λονγ ανδ τεδιουσ τρα⇔χ ϕαµ κνοωσ,
αυτοµοβιλεσ µυστ αλσο οπερατε ασ παρτ
οφ α ηυγε, χοµπλεξ ανδ σοµετιµεσ υν−
πρεδιχταβλε σψστεµ. Τηρουγη ιτσ αρτεριεσ
⇓οω στρεαµσ οφ ϖεηιχλεσ δριϖεν βψ πεο−
πλε ωιτη α ϖαριετψ οφ σκιλλ λεϖελσ ανδ αλλ
κινδσ οφ µενταλ στατεσ. Στεαδιλψ ινχρεασ−
ινγ νυµβερσ οφ ϖεηιχλεσ ηαϖε βεγυν
οϖερλοαδινγ τηισ σψστεµ ιν µανψ υρβαν
αρεασ, ωηιλε χοντριβυτινγ το αν αιρ πολ−
λυτιον χρισισ ιν ατ λεαστ α φεω. Ινδεεδ,
χονσερϖατιϖε εστιµατεσ πυτ τηε ωορλδ−
ωιδε χοστσ ασσοχιατεδ ωιτη αχχιδεντσ,
ωαστεδ φυελ ανδ πολλυτιον ατ ηυνδρεδσ
οφ βιλλιονσ οφ δολλαρσ α ψεαρ.
Σο σιγνι⇒χαντ αρε τηεσε χονχερνσ τηατ
τηεψ ηαϖε προµπτεδ τηε ωορλδ∏σ αυτο−
µοβιλε µακερσ το δο σοµετηινγ τηεψ
νεϖερ ηαϖε βεφορε: ϕοιν φορχεσ ωιτη ονε
ανοτηερ ανδ ωιτη α ηοστ οφ τεχηνιχαλ
⇒ρµσ ανδ ρεσεαρχη ινστιτυτεσ το χηαρτ
τηε χουρσε οφ αυτοµοτιϖε τρανσπορτα−
τιον ιν τηε νεξτ φεω δεχαδεσ. Τηεσε αµ−
βιτιουσ προγραµσ, υνδερτακεν σεπαρατε−
λψ ιν Ευροπε ανδ τηε Υ.Σ., αδδρεσσεδ
σαφετψ ανδ ενϖιρονµενταλ ανδ εχονοµ−
ιχ χονχερνσ; ωηατ ωασ µοστ νοταβλε
αβουτ τηεµ, ηοωεϖερ, ωασ τηειρ φοχυσ
ον τρα⇔χ ασ α ωηολε. Τηε χηανγε οφ περ−
σπεχτιϖε πορτενδσ α φυνδαµενταλ σηιφτ
ιν τηε δεϖελοπµεντ οφ τηε αυτοµοτιϖε
τρανσπορτατιον σψστεµ ανδ, θυιτε ποσσι−
βλψ, ιτσ µοστ εξτενσιϖε µεταµορπηοσισ
σινχε ιτσ βεγιννινγσ µορε τηαν α χεντυ−
ρψ αγο.
Φορ τηε ⇒ρστ τιµε, αυτοµοβιλεσ ωιλλ βε
αβλε το σεε, ηεαρ ανδ χοµµυνιχατε ωιτη
ονε ανοτηερ ανδ ωιτη τηε ροαδωαψ ιτ−
σελφ. Τηεψ ωιλλ βεχοµε σενσιτιϖε το τηειρ
δριϖερσ, ωαρνινγ οφ φατιγυε, διστραχτιον
ορ εξχεεδεδ σπεεδ λιµιτσ. Γραδυαλλψ, ϖε−
ηιχλεσ ωιλλ προγρεσσ φροµ βεινγ χοµ−
πλετελψ χοντρολλεδ βψ τηε δριϖερ το δε−
πενδινγ ον τηε δριϖερ µαινλψ φορ στεερ−
ινγ. Ιν τηε µορε δισταντ φυτυρε, χαρσ
µιγητ εϖεν δριϖε τηεµσελϖεσ ον ωελλ−
µαρκεδ ροαδσ ιν γοοδ χονδιτιον ανδ ιν
χερταιν σιτυατιονσ, συχη ασ ωηεν φολλοω−
ινγ οτηερ χαρσ. Ανδ αλτηουγη τηε ϖαστ
µαϕοριτψ οφ τηεµ ωιλλ χοντινυε το βε
ποωερεδ βψ ιντερναλ χοµβυστιον εν−
γινεσ, υλτραε⇔χιεντ µοδελσ ωιλλ αππεαρ,
αλονγ ωιτη γροωινγ νυµβερσ οφ ηψβριδ−
ελεχτριχ ανδ φυλλψ ελεχτριχ ϖεηιχλεσ.
Ιν Ευροπε, µυχη οφ τηε χονχεπτυαλ
ωορκ φορ τηισ γρανδ πλαν ωασ χαρριεδ ουτ
βετωεεν 1986 ανδ 1994 ασ παρτ οφ α προ−
γραµ χαλλεδ Προµετηευσ ( Προγραµ φορ
Ευροπεαν Τρα⇔χ ωιτη Ηιγηεστ Ε⇔χιεν−
χψ ανδ Υνπρεχεδεντεδ Σαφετψ). Τηε προϕ−
εχτ ωασ α χολλαβορατιον αµονγ 13 λεαδ−
ινγ αυτοµοβιλε µανυφαχτυρερσ, σοµε 50
ελεχτρονιχ ⇒ρµσ ανδ διστριβυτορσ, ανδ
αν εθυαλ νυµβερ οφ ρεσεαρχη ινστιτυτεσ.
DOMINIK OBERTREIS Bilderberg
βψ ∆ιετερ Ζετσχηε
∆ΡΙςΕΡΛΕΣΣ ΑΥΤΟΜΟΒΙΛΕ ισ τηε γοαλ οφ α Γερµαν ρεσεαρχη προϕεχτ χαλλεδ ςΙΤΑ, φορ
ςισιον Τεχηνολογψ Αππλιχατιον. ςιδεο χαµερασ σενσε τηε χαρ∏σ ποσιτιον ιν ιτσ λανε,
τρα⇔χ σιγνσ, οβσταχλεσ ανδ οτηερ ϖεηιχλεσ. Αν ονβοαρδ χοµπυτερ ρεαχτσ βψ βρακινγ,
στεερινγ ορ αχχελερατινγ. Τηε ⇒ρστ πηασε υσεδ α λιγητωειγητ τρυχκ (σηοων ηερε); τηε
σεχονδ, α σεδαν. Αλλ τολδ, τηε εξπεριµενταλ τεχηνολογψ ηασ λογγεδ 5,000 κιλοµετερσ,
γυιδινγ τηε ϖεηιχλεσ ον ηιγηωαψσ ατ σπεεδσ υπ το 150 κιλοµετερσ περ ηουρ.
102
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1994 Scientific American, Inc.
ρεαδψ δεµονστρατεδ µοστ οφ τηε ινφρα−
στρυχτυρε φορ τηε τρα⇔χ µαναγεµεντ
σψστεµ.
Ονε οφ ιτσ χορνερστονεσ ωιλλ βε ναϖι−
γατιοναλ ασσιστανχε, φροµ ονβοαρδ χοµ−
πυτερσ ρεχειϖινγ βροαδχαστ τρα⇔χ ρε−
πορτσ. Τηε δριϖερ βεγινσ βψ εντερινγ α
δεστινατιον ιντο τηε ϖεηιχλε∏σ ναϖιγατιον−
αλ χοµπυτερ. Τηε χοµπυτερ χηοοσεσ τηε
φαστεστ ρουτε, τακινγ ιντο αχχουντ χυρ−
ρεντ τρα⇔χ χονδιτιονσ, ανδ γυιδεσ τηε
δριϖερ ωιτη ϖερβαλ ινστρυχτιονσ οϖερ τηε
ϖεηιχλε∏σ σουνδ σψστεµ ανδ τηρουγη α
δασηβοαρδ−µουντεδ δισπλαψ σχρεεν.
ςαριατιονσ οφ τηισ σψστεµ αρε νοω βεινγ
ιντροδυχεδ ιν τηε Υ.Σ., ϑαπαν ανδ Ευροπε.
Ιν τηε Ευροπεαν ϖερσιον, κνοων ασ
∆υαλ−Μοδε Ρουτε Γυιδανχε, τρα⇔χ ρε−
πορτσ ωιλλ βε υπδατεδ χοντινυαλλψ, διγ−
ιταλλψ ενχοδεδ ανδ βροαδχαστ οϖερ α σπε−
χιαλ Τρα⇔χ Μεσσαγε Χηαννελ οφ τηε Ευ−
ροπε−Ωιδε Ραδιο ∆ατα Σψστεµ. Νορ δοεσ
τηε σψστεµ λιµιτ ιτσελφ το αυτοµοβιλεσ:
ιφ τηε µεσσαγε χηαννελ ρεϖεαλσ τηατ αλλ
τηε ρουτεσ το α δεστινατιον αρε ϕαµµεδ,
ανδ α χονϖενιεντ πυβλιχ−τρανσπορτατιον
αλτερνατιϖε εξιστσ, τηε ναϖιγατιοναλ χοµ−
πυτερ ωιλλ ρεχοµµενδ ιτ (ασ σοον ασ τηισ
παρτ οφ τηε σψστεµ ισ αϖαιλαβλε). Σεϖεραλ
αυτοµακερσ αρε νοω ο⇑ερινγ τηε ναϖιγα−
τιοναλ χοµπυτερσ ιν τηειρ λυξυρψ µοδελσ.
Αλονγ ωιτη µοστ οφ τηε οτηερ σψστεµσ
βεινγ δεϖελοπεδ υνδερ Προµετηευσ, τηε
ναϖιγατιοναλ χοµπυτερ χαν βε χονσιδ−
ερεδ α βυιλδινγ βλοχκ οφ α δριϖερλεσσ αυ−
τοµοβιλε. Συχη α δραµατιχ αππλιχατιον,
ωηιχη ισ στιλλ ατ λεαστ σεϖεραλ δεχαδεσ
αωαψ, µιγητ ινιτιαλλψ βε υσεδ ατ αν αιρ−
πορτ ορ φαχτορψ, σηυττλινγ χαργο ορ εθυιπ−
µεντ τηρουγη φαιρλψ πρεδιχταβλε ρουτεσ
ανδ χονδιτιονσ. Ενχουραγινγ ρεσυλτσ
ωερε αχηιεϖεδ ρεχεντλψ ιν α χολλαβορα−
τιον, χαλλεδ ςΙΤΑ ΙΙ, αµονγ ∆αιµλερ−Βενζ
ανδ σεϖεραλ Γερµαν υνιϖερσιτιεσ. Α Μερ−
χεδεσ−Βενζ σεδαν ωασ ουτ⇒ττεδ ωιτη 18
ϖιδεο χαµερασ, ωηιχη φοχυσεδ ον τηε
ϖεηιχλε∏σ συρρουνδινγσ. Τηε χαρ∏σ ποσι−
τιον ιν ιτσ λανε, τρα⇔χ σιγνσ, οβσταχλεσ
ανδ οτηερ τρα⇔χ ωερε αλλ σενσεδ ανδ δε−
χοδεδ, ανδ α χοµπυτερ προχεσσεδ τηε
ινφορµατιον το δριϖε τηε χαρ ιν τηισ ρεαλ−
ιστιχ ηιγηωαψ ενϖιρονµεντ. ∆υρινγ ςΙΤΑ
ΙΙ ανδ ιτσ πρεδεχεσσορ, ςΙΤΑ Ι, α τοταλ οφ
αβουτ 5,000 κιλοµετερσ ωερε λογγεδ ιν
τεστ ρυνσ, µοστλψ ον Γερµαν ηιγηωαψσ,
ατ σπεεδσ οφ υπ το αβουτ 150 κιλοµετερσ
περ ηουρ. ∆εϖελοπερσ αρε νοω χονσιδερ−
Copyright 1994 Scientific American, Inc.
MERCEDES-BENZ
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
ΡΟΑ∆ΣΤΕΡ οφ τηε
φυτυρε νοδσ το χελεβρατεδ
πρεδεχεσσορσ ωιτη 1950σ−στψλε
ηεαδρεστσ. Τηισ Μερχεδεσ−Βενζ χον−
χεπτ χαρ ηασ α ηαρδ τοπ ανδ ρεαρ ωιν−
δοω τηατ ρετραχτ ιντο τηε τρυνκ ατ τηε
πυση οφ α βυττον.
ινγ ωαψσ οφ µακινγ τηε τεχηνολογψ χοµ−
µερχιαλλψ ϖιαβλε.
Χοοπερατιϖε Αππροαχη
Σ
υχη ιντριγυινγ ποσσιβιλιτιεσ νοτωιτη−
στανδινγ, χαρσ ωιλλ, οφ χουρσε, χον−
τινυε το βε δριϖεν βψ πεοπλε φορ µανψ
ψεαρσ το χοµε. Τηυσ, αχχιδεντσ, ροαδ
χονγεστιον ανδ ινχλεµεντ ωεατηερ ωιλλ
χοντινυε το ποσε ηαζαρδσ, το βοτη ϖεηι−
χλε οχχυπαντσ ανδ τηε ε⇔χιεντ ⇓οω οφ
τρα⇔χ. Προµετηευσ∏σ ρεσεαρχηερσ χον−
χλυδεδ τηατ τηε κεψσ το λεσσενινγ τηεσε
δανγερσ αρε ινφορµατιον εξχηανγε ανδ
χοοπερατιον αµονγ ϖεηιχλεσ, σο τηεψ
δεϖελοπεδ σψστεµσ φορ τηεσε φυνχτιονσ
υνδερ α προϕεχτ ναµεδ, αππροπριατελψ
ενουγη, χοοπερατιϖε δριϖινγ.
Ατ τηε ηεαρτ οφ τηειρ πλαν ισ α ροαδσιδε
ινφορµατιον ποολ, ωηιχη ωιλλ γατηερ ιν−
φορµατιον φροµ ρεγιοναλ τρα⇔χ µαναγε−
µεντ χεντερσ ανδ τρανσµιτ ιτ το αυτοµο−
βιλεσ φροµ ινφραρεδ ορ µιχροωαϖε βεα−
χονσ λοχατεδ αλονγ τηε ροαδ. Ιν ε⇑εχτ,
104
τηε ποολ ωιλλ
βε αϖαιλαβλε το
εξτενδ τηε δριϖ−
ερ∏σ κνοωλεδγε οφ τρα⇔χ ανδ
ροαδ χονδιτιονσ φαρ βεψονδ ηισ
ορ ηερ ⇒ελδ οφ ϖισιον. Φορ εξαµπλε,
ωηεν α χολλισιον οχχυρσ, τηε ϖεηιχλεσ ιν−
ϖολϖεδ αρε αυτοµατιχαλλψ λοχατεδ, ανδ
ρεσχυε µεασυρεσ ινιτιατεδ, βψ σπεχιαλλψ
εθυιππεδ µοβιλε τελεπηονεσ.
Το ρεδυχε τηε ποσσιβιλιτψ οφ συβσε−
θυεντ χολλισιονσ, τηε εµεργενχψ χαλλ ωιλλ
αλσο ωαρν αππροαχηινγ ϖεηιχλεσ οφ τηε
δανγερ αηεαδ∇αγαιν, τηρουγη τηε ροαδ−
σιδε ποολ. Το ηελπ αϖοιδ αχχιδεντσ ιν τηε
⇒ρστ πλαχε, τηε ποολ χουλδ ρεβυκε δριϖερσ
ελεχτρονιχαλλψ φορ εξχεεδινγ τηε σπεεδ
λιµιτ βψ σοµε µαργιν. Μοστ οφ τηε τεχη−
νολογψ τηατ ωουλδ µακε αλλ τηισ ποσσι−
βλε ωασ δεµονστρατεδ δυρινγ τηε Προ−
µετηευσ προγραµ ανδ νοω αωαιτσ
ιµπλεµεντατιον.
Ανοτηερ φεατυρε βουνδ το µακε δριϖ−
ινγ σαφερ, παρτιχυλαρλψ φορ τηε εασιλψ δισ−
τραχτεδ, ισ α νεω τψπε οφ χρυισε χοντρολ
ωιτη φαρ µορε ιντελλιγενχε ανδ αυτονο−
µψ. Βψ µανιπυλατινγ τηε βρακε ανδ γασ
πεδαλσ, ιτ ωιλλ αδϕυστ τηε διστανχε βε−
τωεεν α ϖεηιχλε ανδ τηε ονε ιν φροντ οφ
ιτ ον τηε ⇓ψ φορ ανψ χοµβινατιον οφ
σπεεδ ανδ ροαδ χονδιτιονσ. Ινχορπορατ−
εδ ιντο τηε ϖεηιχλε∏σ φροντ ενδ, τηε σψσ−
τεµ ωιλλ υσε ραδαρ ορ ινφραρεδ βεαµσ το
µεασυρε τηε διστανχε το τηε χαρ ιν φροντ
ανδ ωιλλ νοτ ρεθυιρε ανψ σπεχιαλ εθυιπ−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
µεντ ορ σψστεµσ ιν τηε
ροαδωαψ.
Συχη τρα⇔χ−ωιδε απ−
προαχηεσ ωιλλ βε χοµπλε−
µεντεδ, τηανκσ το Προµε−
τηευσ∏σ σαφε δριϖινγ προ−
γραµ, βψ ιµπροϖεµεντσ το
τηε ϖεηιχλεσ τηεµσελϖεσ.
Μανψ οφ τηεσε ωιλλ ηελπ τηε
δριϖερ σεε βεττερ τηρουγη
βαδ ωεατηερ ανδ ιν τηε δαρκ.
Αλρεαδψ σοµε χαρµακερσ αρε
τεστινγ ηεαδλιγητσ τηατ εµιτ σοµε
υλτραϖιολετ ραδιατιον; βεσιδεσ ρεδυχ−
ινγ γλαρε, τηε βεαµσ ωουλδ βε βεττερ
ρε⇓εχτεδ βψ πεδεστριανσ∏ χλοτηινγ, λανε
µαρκινγσ ανδ σο ον. Βεφορε λονγ, σοµε
ηιγη−ενδ αυτοµοβιλεσ ωιλλ ηαϖε ινφραρεδ−
ϖισιον σψστεµσ ανδ πυλσεδ ηεαδλιγητσ
τηατ σενσε τηε σχενε ιν φροντ οφ τηε ϖε−
ηιχλε ωιτηουτ βλινδινγ οτηερ δριϖερσ.
Τηε ιµαγε ωιλλ βε βριγητλψ δισπλαψεδ,
ποσσιβλψ ωιτη α ηεαδσ−υπ σψστεµ, ωηιχη
προϕεχτσ τηε σχενε σο τηατ τηε δριϖερ
σεεσ ιτ ασ τηουγη ιτ ισ ⇓οατινγ σοµε δισ−
τανχε ιν φροντ οφ τηε χαρ. Οπτιοναλλψ, τηε
σψστεµ χουλδ ινχορπορατε α ρανγε−χον−
τρολ δεϖιχε τηατ ρεχοµµενδσ∇ορ εϖεν
ιµποσεσ∇αν αππροπριατε σπεεδ αφτερ
αναλψζινγ τηε δριϖερ∏σ ⇒ελδ οφ ϖισιον.
Σηαρπερ ϖιεωσ οφ τηε ροαδ αηεαδ χαν
ρεδυχε βυτ νοτ ελιµινατε χλοσε χαλλσ, σο
σενσορσ, σοφτωαρε ανδ χοντρολ στρατεγιεσ
αρε ιν τηε ωορκσ το ηελπ δριϖερσ µανευ−
ϖερ ορ στοπ συδδενλψ. Σωερϖινγ, φορ ιν−
στανχε, χαν βε πρεϖεντεδ βψ βρακινγ εαχη
ωηεελ ινδιϖιδυαλλψ, ωιτη τηοσε µοστ φορ−
ωαρδ ιν τηε σωερϖε βρακεδ µορε τηαν
τηε οτηερσ. Ιν αδδιτιον, α νυµβερ οφ αυ−
τοµακερσ αρε εξπεριµεντινγ ωιτη ρα−
δαρ−βασεδ σψστεµσ τηατ ωουλδ ωαρν οφ
αν ιµπενδινγ χολλισιον ανδ ποσσιβλψ
εϖεν αππλψ τηε βρακεσ. Εϖεντυαλλψ, ιτ ωιλλ
βεχοµε φεασιβλε το κεεπ τηε χαρ αυτο−
µατιχαλλψ ωιτηιν α λανε υνδερ νορµαλ
δριϖινγ χονδιτιονσ.
Ωηιλε µονιτορινγ ιτσ συρρουνδινγσ,
τηε χαρ οφ τηε φυτυρε ωιλλ κεεπ ταβσ ον
ιτσ δριϖερ ασ ωελλ. Φατιγυε ανδ λοσσ οφ
χονχεντρατιον αρε λεαδινγ χαυσεσ οφ αχ−
χιδεντσ, εσπεχιαλλψ ον λονγ τριπσ. Βυτ
τιρεδ δριϖερσ γιϖε τηεµσελϖεσ αωαψ: τηειρ
ρεαχτιον τιµε ινχρεασεσ, ανδ στεερινγ
βεχοµεσ ερρατιχ; εψελιδσ βεγιν το χλοσε;
ανδ τηε ελεχτριχαλ ρεσιστανχε οφ τηε σκιν
γοεσ δοων. Ονχε συχη σιγνσ αρε δετεχτ−
εδ, αν αυδιβλε αλαρµ χαν αλερτ τηε δριϖ−
ερ ιτ ισ τιµε φορ α ρεστ.
Βρεατηινγ Εασιερ
Ι
φ ανψτηινγ ηασ βεχοµε χερταιν το αυ−
τοµακερσ ιν ρεχεντ ψεαρσ, ιτ ισ τηατ
πασσενγερ σαφετψ ισ νεχεσσαρψ βυτ νοτ
συ⇔χιεντ; τηειρ προδυχτσ ωιλλ ηαϖε το βε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
MICHAEL ROSENFELD Tony Stone Images
DOMINIK OBERTREIS Bilderberg
µορε ενϖιρονµενταλλψ βενιγν
ασ ωελλ. Πραχτιχαλλψ εϖερψ λεαδ−
ινγ µανυφαχτυρερ ισ νοω χοµ−
µιττεδ το δεϖελοπινγ λεσσ πολ−
λυτινγ σουρχεσ οφ µοτιϖε ποω−
ερ. Θυιτε α φεω εξπεριµενταλ
ϖεηιχλεσ ποωερεδ βψ τηεµ ηαϖε
βεεν τεστεδ, σοµετιµεσ ενχουρ−
αγινγλψ ανδ αµιδ νοταβλε πυβ−
λιχ ιντερεστ. Βυτ φορ τηε νεξτ σεϖ−
εραλ δεχαδεσ, ατ λεαστ, αλµοστ
αλλ αυτοµοβιλεσ ωιλλ χοντινυε το
βε ποωερεδ βψ ιντερναλ χοµ−
βυστιον ενγινεσ, αλβειτ χλεανερ
ανδ µορε ε⇔χιεντ ονεσ.
Ιτ τακεσ λιττλε ιµαγινατιον το
ενϖισιον α µαρκετ φορ αδϖανχεδ,
εχολογιχαλλψ φριενδλψ ϖεηιχλεσ,
διστινγυισηεδ βψ εξτρεµε φυελ
ε⇔χιενχψ. Τηεσε χαρσ ωουλδ βε
αβουτ τωιχε ασ φυελ ε⇔χιεντ ασ
τοδαψ∏σ τηριφτψ χαρσ; α λιτερ οφ
γασολινε ωουλδ προπελ τηεµ ΗΕΑ∆ΙΝΓ ΦΟΡ Α ΧΡΑΣΗ, τηισ φαµιλψ οφ δυµµιεσ ισ ινστρυµεντεδ το ρεχορδ ωηατ ηαππενσ
αβουτ 25 κιλοµετερσ ιν µιξεδ το ιτσ µεµβερσ ον ιµπαχτ. Τηε δυµµιεσ, ωηιχη τοοκ τηειρ σηορτ σπιν ατ ςολκσωαγεν∏σ σαφε−
δριϖινγ χονδιτιονσ (υρβαν ανδ τψ χεντερ ιν Ωολφσβυργ, Γερµανψ, χοστ αβουτ ∃65,000 απιεχε.
ηιγηωαψ, αχχορδινγ το α σταν−
δαρδ Γερµαν τεστ προχεδυρε
χαλλεδ ∆ΙΝ ). Ονε εσσεντιαλ τεχηνολογψ ρενεωεδ ιντερεστ ιν ηψβριδσ, ωιτη µοστ ορ χοµπρεσσεδ νατυραλ γασ βυρν µορε
φορ τηεσε υλτραε⇔χιεντ χαρσ ωιλλ βε αδ− λαργε χαρµακερσ δεϖελοπινγ µοδελσ το χλεανλψ τηαν δοεσ γασολινε ανδ ηαϖε φυ−
ϖανχεδ, ελεχτρονιχ µοτορ−τρανσµισσιον µεετ θυοτασ φορ νονπολλυτινγ ορ λοω− ελεδ εξπεριµενταλ ενγινεσ τηατ ηαϖε
µαναγεµεντ σψστεµσ, ωηιχη ωιλλ ιν− πολλυτινγ ϖεηιχλεσ το τακε ε⇑εχτ ιν σοµε ρεαχηεδ ε⇔χιενχιεσ χοµπαραβλε το τηοσε
χρεασε ε⇔χιενχψ τηρουγη ηειγητενεδ ρεγιονσ ιν τηε νεξτ ⇒ϖε ορ σιξ ψεαρσ.
οφ χονϖεντιοναλ ιντερναλ χοµβυστιον εν−
σενσιτιϖιτψ ανδ ιντεραχτιον βετωεεν τηε
Ανοτηερ µετηοδ οφ χυττινγ εµισσιονσ γινεσ. Τηε χλεανεστ φυελ οφ αλλ ωουλδ βε
ενγινε ανδ τηε λοαδ ον ιτ.
σιγνι⇒χαντλψ ισ το υσε φυελσ τηατ χαυσε ηψδρογεν, ωηοσε ονλψ σιγνι⇒χαντ χοµ−
Οφ χουρσε, ελεχτριχ ϖεηιχλεσ αρε τηε λεσσ πολλυτιον. Ωιτη ρεσπεχτ το ηψδροχαρ− βυστιον βψ−προδυχτ ισ στεαµ. ∆εριϖεδ
χλοσεστ τηινγ το α νονπολλυτινγ τρανσ− βον εµισσιονσ, µετηανολ ανδ λιθυε⇒εδ φροµ ωατερ, ηψδρογεν ισ ποτεντιαλλψ
πορτατιον µεδιυµ. Τηειρ ονλψ
αδϖερσε ε⇑εχτσ ον τηε ενϖιρον−
µεντ ωουλδ βε λινκεδ το τηε
γενερατιον οφ ελεχτριχιτψ το
χηαργε τηειρ βαττεριεσ ανδ, ποσ−
σιβλψ, το δισποσαλ οφ τηε βαττερ−
ιεσ ασ ωελλ. Ιναδεθυατε βαττεριεσ
αρε, ιν φαχτ, τηε ονλψ σιγνι⇒χαντ
οβσταχλε το ωιδεσπρεαδ υσε. Αν
αχχεπταβλε χοµβινατιον οφ εν−
εργψ ανδ ποωερ δενσιτιεσ, χοστ
ανδ σερϖιχε λιφε στιλλ ελυδεσ δε−
ϖελοπερσ, ανδ χονσεθυεντλψ,
ελεχτριχ ϖεηιχλεσ ωιλλ προβαβλψ
βε χον⇒νεδ το ρελατιϖελψ σµαλλ
νιχηεσ φορ ατ λεαστ τηε νεξτ 10
ψεαρσ.
Τηε σο−χαλλεδ ηψβριδ ελεχτριχ
ηασ βοτη α βαττερψ−ποωερεδ
ελεχτριχ µοτορ ανδ α σµαλλ χοµ−
βυστιον ενγινε, ωηιχη αρε υσεδ
ειτηερ σεπαρατελψ ορ τογετηερ,
δεπενδινγ ον τηε δριϖινγ σιτυα−
τιον. Ιν σοµε µοδεσ, τηε λιττλε
ενγινε ρυνσ χοντινυουσλψ, ε⇔−
χιεντλψ ανδ ρελατιϖελψ χλεανλψ,
χηαργινγ τηε βαττεριεσ ανδ γρεατ−
λψ εξτενδινγ τηε ϖεηιχλε∏σ ρανγε. ΣΛΙΠΣΤΡΕΑΜ οϖερ α χουπε ισ µανιφεστεδ βψ σµοκε. Βεττερ φυελ ε⇔χιενχψ δεµανδσ ιµ−
Τηισ αδϖανταγε ηασ προµπτεδ προϖεµεντσ ιν αεροδψναµιχσ ασ ωελλ ασ ιν τηε ενγινε ανδ ποωερ τραιν.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
105
ROGER TULLY Tony Stone Images
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
ΕΜΙΣΣΙΟΝΣ ΤΕΣΤΙΝΓ ωιλλ χοντινυε το πλαψ αν ιµπορταντ ρολε βεχαυσε σο−χαλλεδ ζερο−
εµισσιον ϖεηιχλεσ αρε υνλικελψ το βε σολδ ιν γρεατ νυµβερσ ιν τηε νεαρ φυτυρε. Τηυσ,
προγρεσσ ον ρεδυχινγ πολλυτιον φροµ αυτοµοβιλεσ ωιλλ δεπενδ ον µακινγ γασολινε−
ποωερεδ χαρσ ρυν ασ χλεανλψ ασ ποσσιβλε.
αβυνδαντ ανδ ϖερσατιλε∇ιτ χαν βε
βυρνεδ ιν α χοµβυστιον ενγινε ορ χον−
ϖερτεδ το ελεχτριχιτψ σιλεντλψ ανδ ωιτη−
ουτ µοϖινγ παρτσ ιν α φυελ χελλ, ωηιχη
χουλδ ιν τυρν ποωερ αν ελεχτριχ µοτορ.
Αλτηουγη βοτη αππροαχηεσ λοοκ προµ−
ισινγ, τηε συππλψ προβλεµσ λοοκ µυχη
µορε ιντραχταβλε. Ατ πρεσεντ, τηερε ισ νο
ωαψ το προδυχε τηε νεχεσσαρψ αµουντσ
οφ ηψδρογεν ιν αν εχολογιχαλλψ ανδ εχο−
νοµιχαλλψ αχχεπταβλε µαννερ. Ιν Γερ−
µανψ α λιτερ οφ γασολινε χοστσ αβουτ
ΥΣ∃1.10; το προδυχε αν αµουντ οφ λιθ−
υιδ ηψδρογεν ωιτη χοµπαραβλε ενεργψ
χοντεντ χοστσ ατ λεαστ ΥΣ∃2.00, δεπενδ−
ινγ ον ηοω τηε φυελ ισ προδυχεδ ανδ
τρανσπορτεδ. Ωηατ ισ µορε, αν ινφρα−
στρυχτυρε το διστριβυτε λιθυιδ ηψδρογεν,
χοµπαραβλε το τοδαψ∏σ νετωορκ οφ γασ−
ολινε στατιονσ, ωουλδ ρεθυιρε αν ιµποσ−
σιβλψ λαργε ινϖεστµεντ.
∆ριϖινγ βψ Ωιρε
Ρ
εγαρδλεσσ οφ ηοω τηεψ αρε ποωερεδ,
αυτοµοβιλεσ ωιλλ ιν 20 ορ 30 ψεαρσ
βεχοµε ινχρεασινγλψ αττυνεδ ανδ εϖεν
χυστοµιζεδ το τηειρ οωνερσ ορ δριϖερσ.
Αδϖανχεδ µανυφαχτυρινγ ανδ δριϖε−βψ−
ωιρε τεχηνολογιεσ ωιλλ µακε ποσσιβλε α
νεω γενερατιον οφ αυτοµοβιλεσ τηατ χαν
βε ρεχον⇒γυρεδ το συιτ νοτ ονλψ δι⇑ερ−
εντ φυνχτιονσ ανδ νεεδσ βυτ αλσο α
γρεατ αρραψ οφ στρενγτησ ανδ ωεακνεσσ−
εσ οφ δι⇑ερεντ δριϖερσ.
Ατ λεαστ ονε αυτοµακερ ηασ προποσεδ
βασιχ ϖεηιχλεσ ωηοσε ελεµεντσ ωουλδ
βε δραων φροµ α σεριεσ οφ δοζενσ ορ
περηαπσ εϖεν ηυνδρεδσ οφ µοδυλεσ,
φορεσηαδοωινγ α φαρ γρεατερ ϖαριετψ οφ
αυτοµοβιλεσ τηαν ωε αρε υσεδ το σεεινγ
ον ροαδσ τοδαψ. Τηεσε ϖεηιχυλαρ βυιλδ−
ινγ βλοχκσ χουλδ βε εασιλψ ασσεµβλεδ
ανδ ρεασσεµβλεδ∇ατ τηε τιµε οφ πυρ−
χηασε ορ ινδεεδ ατ ανψ τιµε δυρινγ τηε
αυτοµοβιλε∏σ υσεφυλ λιφε. Ον ωαρµ ωεεκ−
ενδσ ορ δυρινγ α ϖαχατιον, φορ εξαµπλε,
τηε ϖεηιχλε∏σ φυνχτιοναλ φραµε µιγητ βε
τυρνεδ ιντο α σπορτψ, οπεν−αιρ χονϖερτ−
ιβλε ορ χονϖερτεδ το α πιχκυπ το χαρρψ
ρεχρεατιοναλ εθυιπµεντ. Τηε χονχεπτ
νεεδ νοτ βε λιµιτεδ το τηε χηασσισ; αν
ελεχτριχ ϖεηιχλε µιγητ ηαϖε α χηαργινγ−
ενγινε µοδυλε τηατ χουλδ βε θυιχκλψ
ινσταλλεδ, τυρνινγ τηε χαρ ιντο α ηψβριδ
ωιτη γρεατερ ρανγε.
Χυστοµιζατιον χουλδ βε τακεν το ηιγη−
ερ λεϖελσ ωιτη τηε αδϖεντ οφ δριϖε−βψ−
ωιρε τεχηνολογψ, ωηιχη βεχαµε σταν−
δαρδ ιν ρεχεντ ψεαρσ ιν ϕετ αιρχραφτ ( ιν
ωηιχη ιτ ισ κνοων ασ φλψ−βψ−ωιρε ). Ωιτη
δριϖε−βψ−ωιρε, αλλ τηε χαβλεσ ανδ µε−
χηανιχαλ χοννεχτιονσ τηατ λινκ, φορ ιν−
στανχε, τηε στεερινγ ωηεελ, πεδαλσ ανδ
σηιφτ λεϖερ το τηε αξλε, τηροττλε ανδ
τρανσµισσιον ωιλλ βε ρεπλαχεδ ωιτη ελεχ−
τρονιχσ, ινχλυδινγ σοπηιστιχατεδ χοντρολ
σψστεµσ. Τηε χηανγεοϖερ το τηισ τεχη−
νολογψ ωιλλ βε αν ινϖισιβλε ρεϖολυτιον,
ρεθυιρινγ νο νεω σκιλλσ οφ τηε δριϖερ.
Ον τηε χοντραρψ, τηε τεχηνολογψ ωιλλ
αδαπτ το τηε δριϖερ∏σ ρεθυιρεµεντσ ανδ
αβιλιτιεσ, ωηιλε οπενινγ υπ ροοµ φορ χρε−
ατιϖε δεϖελοπµεντ. Φορ εξαµπλε, δριϖε−
βψ−ωιρε ωιλλ περµιτ σταβιλιζατιον οφ α
ϖεηιχλε ιν δι⇑ερεντ χον⇒γυρατιονσ (χον−
ϖερτιβλε ϖερσυσ χαργο−χαρρψινγ πιχκυπ)
ανδ φορ δι⇑ερεντ κινδσ οφ δριϖερσ: τηε
δριϖινγ εντηυσιαστ ωουλδ γετ τηε ρε−
σπονσε οφ α σπορτσ χαρ, ωηιλε λεσσ δε−
µανδινγ δριϖερσ ωουλδ γετ α σµοοτηερ
ριδε.
Ωιτηιν 30 ψεαρσ ορ σο, ιννυµεραβλε
αυτοµατεδ ϖεηιχλεσ, εαχη χονστρυχτεδ
ανδ ⇒νελψ τυνεδ το ιτσ δριϖερ∏σ νεεδσ
ανδ χαπαβιλιτιεσ, χουλδ βε µακινγ τηε
ροαδσ φαρ σαφερ τηαν τηεψ αρε τοδαψ.
Χλεαρλψ, αυτοµοτιϖε δεϖελοπµεντ ηασ
νοτ δεχελερατεδ. Ιν φαχτ, ιτ ισ ϕυστ γεττινγ
ιν γεαρ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
∆ΙΕΤΕΡ ΖΕΤΣΧΗΕ ισ α µεµβερ οφ τηε µαναγινγ
βοαρδ οφ Μερχεδεσ−Βενζ ΑΓ, ωηερε ηε ισ ρεσπονσιβλε
φορ σαλεσ, µαρκετινγ ανδ σερϖιχε. Πρεϖιουσλψ, ηε οϖερ−
σαω πασσενγερ χαρ δεϖελοπµεντ. Σινχε ϕοινινγ τηε
χοµπανψ ιν 1976, ηε ηασ αλσο ηελδ ποσιτιονσ οϖερ−
σεεινγ δεϖελοπµεντ οφ χοµµερχιαλ ϖεηιχλεσ ιν Βρα−
ζιλ. Ηε ωασ απποιντεδ το τηε χοµπανψ∏σ µαναγινγ
βοαρδ ιν 1988 ανδ βεχαµε πρεσιδεντ οφ Φρειγητλινερ
Χορπορατιον ιν Πορτλανδ, Ορε., ιν 1991.
ΑΥΤΟΜΟΒΙΛΕ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ ΟΦ ΤΗΕ ΦΥΤΥΡΕ. Υλριχη Σει⇑ερτ ανδ Πετερ Ωαλζερ. Σοχιετψ
οφ Αυτοµοτιϖε Ενγινεερσ, Ωαρρενδαλε, Πα., 1991.
ΑΛΤΕΡΝΑΤΙςΕ ΧΑΡΣ ΙΝ ΤΗΕ 21ΣΤ ΧΕΝΤΥΡΨ: Α ΝΕΩ ΠΕΡΣΟΝΑΛ ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
ΠΑΡΑ∆ΙΓΜ. Ροβερτ Θ. Ριλεψ. Σοχιετψ οφ Αυτοµοτιϖε Ενγινεερσ, Ωαρρενδαλε, Πα., 1994.
ΙΜΠΡΟςΙΝΓ ΑΥΤΟΜΟΤΙςΕ ΕΦΦΙΧΙΕΝΧΨ. ϑοην ∆εΧιχχο ανδ Μαρχ Ροσσ ιν Σχιεντι⇒χ Αµερ−
ιχαν, ςολ. 271, Νο. 6, παγεσ 52∠57; ∆εχεµβερ 1994.
ΡΙ∆ΕΡΣ ΟΝ ΤΗΕ ΣΤΟΡΜ. Υλι ∆εκερ ιν ∆αιµλερ−Βενζ ΗιγηΤεχη Ρεπορτ, παγεσ 14∠19;
Μαρχη 1995. ( Αϖαιλαβλε φροµ ∆αιµλερ−Βενζ−Λεσερσερϖιχε, Ποστφαχη 1271, ∆−73762
Νευηαυσεν, Γερµανψ.)
106
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
Εϖολυτιον οφ τηε
Χοµµερχιαλ Αιρλινερ
Advances in materials, jet engines
and cockpit displays could translate
into less expensive and safer air travel
ωινγ. Βυτ µοστ οφ τηε πασσενγερσ, ασ
µανψ ασ 800, ωουλδ σιτ ιν τηε µοϖιε−
τηεατερ−λικε σπαχε ωιτηιν τηε ωινγ.
Οτηερ δεσιγνσ αβουνδ φορ αιρπλανεσ
ωιτη α ωηολλψ νοϖελ αππεαρανχε. Ονε
φυτυριστιχ αιρπλανε ωουλδ βε βυιλτ ωιτη
σεϖεραλ φυσελαγεσ ιντερχοννεχτεδ βψ τηε
ωινγσ ανδ α σεριεσ οφ στρυτσ. Ιν αδδιτιον,
ρεσεαρχη ενγινεερσ ιν τηε Υ.Σ. ανδ Ευ−
ροπε αρε ινϖεστιγατινγ τηε φεασιβιλιτψ οφ
α συπερσονιχ αιρλινερ το σερϖε ασ α συχ−
χεσσορ το τηε Χονχορδε.
Α δεχισιον το γο αηεαδ ωιτη ανψ οφ
Φ
εω πεοπλε εξπεχτεδ τηε δραµατιχ
χηανγεσ ιν τραϖελ ηαβιτσ τηατ φολ−
λοωεδ ωηεν τηε ϕετ−ποωερεδ τρανσ−
πορτ αιρπλανε ωασ ιντροδυχεδ ιντο χοµ−
µερχιαλ πασσενγερ σερϖιχε ιν τηε λατε
1950σ. ςιρτυαλλψ φρεε οφ ϖιβρατιον, τηισ
νεω αιρπλανε ωασ θυιετερ ανδ µορε
χοµφορταβλε τηαν τηε προπελλερ−δριϖεν
αιρπλανε τηατ πρεχεδεδ ιτ. Εϖεν µορε
ιµπρεσσιϖε ωασ ιτσ αβιλιτψ το ⇓ψ το Ευ−
ροπε νονστοπ ωελλ αβοϖε µοστ στορµσ,
σο τηατ τηε ριδε ρεµαινεδ εξτρεµελψ
σµοοτη. Σηορτερ τραϖελ τιµεσ ανδ λοωερ
φαρεσ µαδε τηε ωορλδ µορε αχχεσσιβλε
φορ βοτη τηε βυσινεσσ ανδ τηε χασυαλ
τραϖελερ ασ ωελλ ασ φορ τηε τρανσπορτ οφ
γοοδσ, φροµ ⇓οωερσ το ⇒ση.
Α φυτυρε αιρλινερ µαψ υνδεργο εθυαλ−
λψ δραµατιχ χηανγεσ. Ωιτη τηε αδϖεντ οφ
αδϖανχεδ χοµπυτερ−αιδεδ δεσιγν τοολσ,
αιρπλανεσ µαψ ασσυµε υνυσυαλ σηαπεσ
τηατ ο⇑ερ ηιγηερ περφορµανχε ανδ χαρρψ
µορε πασσενγερσ. Τηε ινδυστρψ ηασ αλ−
ρεαδψ χοντεµπλατεδ χοµµερχιαλ αιρ−
πλανεσ ιν τηε σηαπε οφ α ⇓ψινγ ωινγ,
σοµεωηατ λικε τηε Στεαλτη βοµβερ. Α
σηορτ, στυβλικε βοδψ τηατ ηολδσ τηε
χοχκπιτ ωουλδ προτρυδε φροµ τηε τηιχκ
ALAN H. EPSTEIN
βψ Ευγενε Ε. Χοϖερτ
“Smart” engines, equipped with sensors
and actuators, will adjust the air flowing
through them to improve the efficiency
and longevity of the propulsion system.
Pilots may one day react
more quickly to unforeseen
events by controlling cockpit
displays with brain waves.
Wright-Patterson Air Force
Base has conducted research
on controlling a flight simulator
with brain waves.
FIRST-CLASS
PASSENGER
DECK
UPPER
PASSENGER
DECK
CARGO
AREA
LOWER
PASSENGER
DECK
A cavernous passenger
cabin, akin to a large
movie theater, could
hold from 600 to 800
passengers.
REMI BENALI Gamma Liaison
FUEL
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
τηεσε πλανσ µαψ ωελλ ηινγε ον τηε αβιλ−
ιτψ οφ τηε µανυφαχτυρερ το µακε τηε ρε−
θυιρεδ µυλτιβιλλιον−δολλαρ ινϖεστµεντ ιν
α ηιγηλψ υνχερταιν εχονοµιχ χλιµατε. Ιν−
δεεδ, τηε ρισκσ µαψ βε τοο ηιγη ατ τηισ
τιµε. Βοεινγ ανδ σοµε µεµβερσ οφ τηε
Αιρβυσ Ινδυστριε χονσορτιυµ ηαϖε ρε−
χεντλψ ισσυεδ ρεσυλτσ οφ α ϕοιντ στυδψ
τηατ σηοωεδ τηε λαχκ οφ α µαρκετ φορ
ηυγε αιρπλανεσ τηατ χαν χαρρψ 600 το 800
πασσενγερσ. Συχη λαργε αιρλινερσ ποσε
χηαλλενγεσ νοτ ονλψ το τηε αεροσπαχε
ενγινεερινγ χοµµυνιτψ βυτ το αιρπορτ
οπερατορσ ασ ωελλ: τηε λονγερ ωινγ σπαν,
φορ εξαµπλε, ωουλδ ρεθυιρε µορε σπαχε
βετωεεν πασσενγερ γατεσ.
Εϖεν ιφ νονε οφ τηεσε πλανσ αρε εϖερ
ρεαλιζεδ, εϖολυτιοναρψ ιµπροϖεµεντσ ιν
µανψ τεχηνολογιεσ ωιλλ εναβλε τηε νεξτ
γενερατιον οφ χονϖεντιοναλ αιρπλανεσ το
ρυν µορε εχονοµιχαλλψ τηαν χυρρεντ αιρ−
λινερσ ανδ το σετ νεω στανδαρδσ φορ σαφε−
τψ ανδ οπερατινγ ε⇔χιενχψ. Ιν τηε ιµµε−
διατε φυτυρε, βυιλδινγ αιρπλανεσ ωιτη βετ−
τερ µατεριαλσ ανδ προπυλσιον σψστεµσ
ωιλλ χοντινυε το ενηανχε περφορµανχε.
Ιν τηε λονγερ τερµ, µιχροσχοπιχ σενσορσ
ανδ αχτυατορσ, ασ ωελλ ασ χοµπυτερσ δισ−
A high-bypass jet engine, such as
this one being tested by Pratt &
Whitney, will provide greater thrust
to power large aircraft.
CONVENTIONAL WING
Turbulence on airplane
wings may be reduced by
sucking air through tiny
holes (center ) or by deploying microscopic flaps that
will alter airflows ( bottom
and inset ).
PRATT & WHITNEY
τριβυτεδ τηρουγηουτ τηε αιρπλανε, ωιλλ
ψιελδ α θυιετ ρεϖολυτιον ιν τηε ωαψ ενγι−
νεερσ σολϖε τηειρ προβλεµσ. Α σµαρτ
αιρπλανε ωιλλ γιϖε ενγινεερσ χοντρολ οϖερ
µανψ πηενοµενα τηατ τηεψ ηαϖε λονγ
υνδερστοοδ βυτ χουλδ δο λιττλε το χηανγε.
Τηε φεεδβαχκ ανδ χοντρολ µεχηανισµσ
οφ τινψ σενσορσ ανδ µοϖινγ συρφαχεσ,
χαλλεδ αχτυατορσ, χουλδ ρεδυχε αιρ ρεσισ−
τανχε, ορ δραγ, ορ τηεψ χουλδ ρεδιστριβ−
υτε µεχηανιχαλ λοαδσ το ινχρεασε τηε
λιφετιµε οφ α ωινγ στρυχτυρε.
Τηε ινφορµατιον ρεχειϖεδ φροµ νετ−
ωορκσ οφ σενσορσ χαν βε υσεδ το αλλοω
λονγερ ιντερϖαλσ βετωεεν µαιντενανχε
ανδ ωιλλ ηελπ α µεχηανιχ ⇒νδ τηε σουρχε
οφ α προβλεµ θυιχκλψ. Οτηερ σενσορσ,
WING WITH SUCTION
PERFORATED
SURFACE
MICROACTUATORS
DAVID SCHARF
ILLUSTRATIONS BY JARED SCHNEIDMAN
WING WITH
MICROACTUATORS
ΦΛΨΙΝΓ ΩΙΝΓ ηασ βεεν συγγεστεδ ασ α δεσιγν φορ α γιαντ 600− το 800−πασσενγερ χοµµερ−
χιαλ αιρλινερ τηατ ωουλδ βε βυιλτ ωιτη µυλτιπλε πασσενγερ δεχκσ. Βεσιδεσ ασσυµινγ νοϖελ
σηαπεσ, αιρπλανεσ οφ τηε φυτυρε µαψ ινχορπορατε τεχηνολογιεσ ρανγινγ φροµ αδϖανχεδ εν−
γινεσ το χοχκπιτ χοντρολσ µανιπυλατεδ βψ βραιν ωαϖεσ.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
111
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
ωηεν χουπλεδ ωιτη ινφορµατιον φροµ
σατελλιτεσ, ωιλλ βε αβλε το εθυιπ τηε αιρ−
χρεω ωιτη α βεττερ υνδερστανδινγ οφ
τηε ωηερεαβουτσ οφ νεαρβψ αιρπλανεσ, α
µεασυρε τηατ ωιλλ ενηανχε σαφετψ.
Ματεριαλ Βενε⇒τσ
Τ
ηε σµαρτ αιρπλανε µαψ τακε δεχαδεσ
το εϖολϖε. Οϖερ τηε νεξτ 10 ψεαρσ,
ηοωεϖερ, αιρλινεσ ωιλλ χοντινυε το πυση
µανυφαχτυρερσ το ρεδυχε τηε χοστσ οφ
οπερατινγ α µυλτιµιλλιον−δολλαρ µαχηινε.
Χοµπυτερ δεσιγν σοφτωαρε, ωιτη ωηιχη
ενγινεερσ τραδιτιοναλλψ σηοω ηοω δι⇑ερ−
εντ παρτσ ανδ σψστεµσ ⇒τ τογετηερ, ωιλλ
ηελπ µεετ τηισ γοαλ. Λαργε δαταβασεσ οφ
αιρπλανε χοµπονεντσ ωιλλ δετερµινε
ωηιχη παρτσ αρε µοστ ρελιαβλε ανδ ωηιχη
ωουλδ ο⇑ερ τηε λοωεστ χοστ οφ οπερα−
τιον. Αλσο οϖερ τηε νεξτ δεχαδε, στρυχ−
τυραλ δεσιγνερσ ωιλλ ωορκ ωιτη µατεριαλσ
το ρεδυχε τηε ωειγητ οφ τηε φυσελαγε ανδ
ωινγσ. Ονε προµισινγ µατεριαλ ισ αν
αλυµινυµ−λιτηιυµ αλλοψ. Ιτ ηασ α λοωερ
δενσιτψ ανδ ηιγηερ στρενγτη τηαν οτηερ
αλυµινυµ αλλοψσ, τηε ρεασον Αιρβυσ Ιν−
δυστριε ινχορπορατεδ ιτ ιν τηε λεαδινγ
σεχτιονσ οφ τηε ωινγσ οφ τηε Αιρβυσ
Α330 ανδ Α340.
Μορε ωιδεσπρεαδ υσε οφ αλυµινυµ−
λιτηιυµ αλλοψσ ισ λικελψ το βε δεφερρεδ υν−
τιλ δεϖελοπερσ προδυχε α µατεριαλ τηατ
χαν βεττερ ωιτηστανδ φραχτυρε. Αλχοα ισ
δεϖελοπινγ αν αλυµινυµ−λιτηιυµ µεταλ
τηατ ισ σαιδ το ιµπροϖε φραχτυρε τουγη−
νεσσ βψ µορε τηαν ονε τηιρδ οϖερ αν
εξιστινγ αλυµινυµ αλλοψ. Α στυδψ χοµ−
µισσιονεδ βψ Αλχοα σηοωσ τηε µατεριαλ
χουλδ σαϖε αβουτ 12 περχεντ οφ τηε ταιλ
ωειγητ ον λαργε αιρπλανεσ, ορ αβουτ 650
πουνδσ. Αν αττραχτιϖε αλτερνατιϖε ισ
χοµποσιτεσ ιν ωηιχη γραπηιτε ⇒βερσ αρε
πλαχεδ ιντο α µατριξ οφ οργανιχ πολψ−
µερσ, µακινγ τηε µατεριαλ στρονγερ περ
υνιτ οφ ωειγητ. Α δεσιγνερ χαν ταιλορ µα−
τεριαλσ το αχχοµµοδατε τηε δι⇑ερεντ
λοαδσ χαρριεδ ον α στρυχτυρε βψ ϖαρψινγ
τηε νυµβερ οφ λαψερσ οφ ⇒βερσ ανδ τηε
διρεχτιον ιν ωηιχη τηε ⇒βερσ αρε πλαχεδ.
Φορ α δεχαδε ορ µορε, µιλιταρψ ανδ χι−
ϖιλιαν αιρπλανεσ ηαϖε ινχορπορατεδ σοµε
χοµποσιτεσ ιν στρυχτυρεσ τηατ βεαρ λιγητ
λοαδσ. Τηε χοστ οφ τηε µατεριαλσ∇ανδ
τηε ιµπερφεχτ υνδερστανδινγ οφ ηοω
τηεψ φαιλ∇ηασ δελαψεδ τηειρ βροαδερ ιν−
τροδυχτιον ιντο χοµµερχιαλ αιρπλανεσ.
Ψετ τηεσε ηυρδλεσ αρε σλοωλψ βεινγ οϖερ−
χοµε. Χοµποσιτεσ νοω µακε υπ 9 περ−
χεντ οφ τηε στρυχτυραλ ωειγητ οφ τηε Βοε−
ινγ 777, ωηιχη ωεντ ιντο σερϖιχε τηισ
ϑυνε, αβουτ τριπλε τηε αµουντ ιν τηε
757 ανδ 767 αιρπλανεσ.
Βεχαυσε µοστ χοµποσιτεσ αρε χυρεδ
ιν α ηοτ οϖεν υνδερ πρεσσυρε, τηεψ αρε
σαιδ το βε τηερµοσετ. Βυτ τηεψ χαννοτ
βε ηεατεδ αγαιν ανδ ρεωορκεδ ιντο αν−
οτηερ σηαπε. Τηισ δραωβαχκ µαψ βε
οϖερχοµε βψ τηερµοπλαστιχ πολψµερσ
τηατ χαν βε ρεσηαπεδ το ελιµινατε α ⇓αω
ιντροδυχεδ ιν µανυφαχτυρινγ.
Τηε λονγεϖιτψ οφ βοτη αλυµινυµ ανδ
χοµποσιτε µατεριαλσ µαψ βε ενηανχεδ
βψ εµβεδδινγ ιν τηεµ τινψ σενσορσ το
µεασυρε λοχαλ λεϖελσ οφ στραιν. Τηισ ιν−
φορµατιον χουλδ ασσεσσ τηε ρεµαινινγ
λιφε οφ τηε στρυχτυρε ασ ωελλ ασ προϖιδε
φεεδβαχκ το αδϕυστ τηε µοϖαβλε ⇓ιγητ−
χοντρολ συρφαχεσ∇τηε ⇓απσ ορ αιλερονσ∇
το ρεδυχε µεχηανιχαλ λοαδινγ.
Βεττερ ϑετ Ενγινεσ
Χ
TEXTRON SPECIALTY MATERIALS
οµποσιτεσ µαδε οφ µεταλ ανδ χε−
ραµιχσ µαψ ενηανχε ενγινε περφορ−
µανχε. Φορ εξαµπλε, αν ενγινε µαδε
ωιτη σιλιχον χαρβιδε ⇒βερσ εµβεδδεδ ιν
α τιτανιυµ µατριξ χουλδ ρυν ατ ηιγηερ
τεµπερατυρεσ ανδ τηυσ προδυχε τηε
σαµε αµουντ οφ τηρυστ ωιτη λεσσ φυελ.
Τηε ενγινε ωουλδ αλσο βε λιγητερ ανδ
λονγερ λιϖεδ.
Ενγινεερσ ηαϖε αλσο δεϖισεδ οτηερ
µεανσ το βοοστ ε⇔χιενχψ. Ιν τοδαψ∏σ ϕετ
ενγινε, αιρ ισ δραων ιν βψ α φαν, πρεσ−
συριζεδ ανδ τηεν µιξεδ ωιτη φυελ ανδ
βυρνεδ βεφορε τηε ηοτ γασεσ στρεαµ ουτ
τηε βαχκ ασ εξηαυστ. Τηε ε⇔χιενχψ οφ
τηισ προπυλσιον σψστεµ, ιτσ αβιλιτψ το
χονϖερτ ηεατ ιντο τηρυστ βψ βυρνινγ τηε
ηοτ αιρ−φυελ µιξτυρε, ισ ενηανχεδ βψ αλ−
λοωινγ σοµε οφ τηε αιρ τηατ εντερσ τηε
ενγινε το µοϖε τηρουγη α δυχτ τηατ βψ−
πασσεσ τηε ενγινε χορε ωηερε τηε ηοτ
γασεσ αρε βυρνεδ. Συχη α ηιγη βψπασσ
ενγινε, ασ ιτ ισ χαλλεδ, αλσο γενερατεσ
λεσσ νοισε.
Ιν µοδερν γασ−τυρβινε ενγινεσ τηε
βψπασσ δυχτσ ηανδλε σιξ ορ σεϖεν
τιµεσ τηε αµουντ οφ αιρ πασσινγ
τηρουγη τηε χορε. Σοµε εξπεριµεν−
ταλ ενγινεσ ηαϖε ραισεδ τηε βψπασσ
αιρ το 20 τιµεσ τηατ πασσινγ τηρουγη
τηε χορε. Τηεσε υλτραηιγη βψπασσ εν−
γινεσ ωιλλ χοµε ωιτη α πριχε, ηοωεϖ−
ερ. Τηεψ ωιλλ υνδουβτεδλψ ινχρεασε
τηε σιζε ανδ ωειγητ οφ τηε φαν ανδ
οτηερ ενγινε χοµπονεντσ ιν αδδι−
τιον το αυγµεντινγ δραγ.
Τηε ε⇔χιενχψ οφ α γασ−τυρβινε εν−
γινε αλσο δεπενδσ ον τηε σηαπε οφ
τηε ροτατινγ βλαδεσ ιν τηε χοµπρεσ−
σορ, ωηερε αιρ ισ πρεσσυριζεδ, ανδ ιν
τηε τυρβινε τηατ ποωερσ τηε χοµ−
πρεσσορ. Τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε
οφ Τεχηνολογψ∏σ Γασ Τυρβινε Λαβο−
ρατορψ ισ δεϖελοπινγ α σµαρτ ενγινε
λαδεν ωιτη σενσορσ ανδ αχτυατορσ
τηατ χουλδ αλτερ τηε σηαπε οφ τηε
βλαδεσ ωηιλε ιν ⇓ιγητ το ιµπροϖε
περφορµανχε.
Α µορε ε⇔χιεντ ενγινε χοµβινεδ
ωιτη λοωερ δραγ ωιλλ ιµπροϖε τηε
εχονοµιχσ οφ αιρπλανε οπερατιον
ΑΕΡΟΣΠΑΧΕ ΧΟΜΠΟΣΙΤΕ ισ µανυφαχτυρεδ ιν α πλασµα χηαµβερ ατ α πλαντ οωνεδ βψ εϖεν µορε. Ονε σουρχε οφ δραγ, α
Τεξτρον Σπεχιαλτψ Ματεριαλσ ιν Λοωελλ, Μασσ. Α ωορκερ εξτραχτσ α σεµι⇒νισηεδ σηεετ ρεσυλτ οφ αιρ πασσινγ οϖερ τηε ωινγσ,
πρεσεντσ α παρτιχυλαρλψ δι⇔χυλτ προβ−
φορµεδ βψ σπραψινγ τιτανιυµ οντο α βεδ οφ σιλιχον χαρβιδε ⇒βερσ.
112
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
THE BOEING COMPANY
λεµ. Αεροδψναµιχιστσ στυδψ τηε
βεηαϖιορ οφ τηιν στρατα οφ αιρ
νεαρ τηε συρφαχε οφ αν αιρπλανε,
ωηιχη αρε χολλεχτιϖελψ κνοων ασ
τηε βουνδαρψ λαψερ. Ιν α λαµιναρ
βουνδαρψ λαψερ, αιρ⇓οω σταψσ
σµοοτη. Τηε λαψερσ οφ αιρ πασσ
βψ ονε ανοτηερ ασ ιφ τηεψ ωερε
πλαψινγ χαρδσ ιν α δεχκ, ονε σλιδ−
ινγ εασιλψ οϖερ τηε οτηερ. Βυτ ιν
λαργε πασσενγερ αιρπλανεσ, τηεσε
ρεγυλαρ χυρρεντσ βεχοµε σωιρλ−
ινγ εδδιεσ οφ τυρβυλενχε, ινδυχ−
ινγ συβσταντιαλ αµουντσ οφ δραγ.
Εξπεριµεντσ βψ τηε Νατιοναλ
Αεροναυτιχσ ανδ Σπαχε Αδµινισ−
τρατιον υσινγ α µοδι⇒εδ Βοεινγ
757 ηαϖε σηοων τηατ δραγ χαν
βε ρεδυχεδ βψ λιτεραλλψ συχκινγ
τηε τυρβυλενχε αωαψ. Το αχηιεϖε
τηισ οβϕεχτιϖε, α πορτιον οφ α
ωινγ ισ χοϖερεδ ωιτη µανψ τινψ
ηολεσ τηατ αρε χοννεχτεδ το α
συχτιον πυµπ. Τηε αχτιον οφ τηε
πυµπ δραωσ αιρ ιντο τηε ηολεσ,
τηερεβψ σµοοτηινγ ουτ τηε ⇓οωσ
ιν τηε βουνδαρψ λαψερ. Τηε
αµουντ οφ τυρβυλενχε χαν βε δε−
τεχτεδ βψ µινυτε σενσορσ ον τηε ΧΟΜΠΥΤΕΡ−ΑΙ∆Ε∆ ∆ΕΣΙΓΝ, ωηιχη ωασ υσεδ βψ Βοεινγ το βυιλδ α διγιταλ µοδελ οφ ιτσ νεω
ωινγ, ωηιχη σιγναλ ηοω µυχη αιρπλανε, τηε 777 (αβοϖε), ωιλλ βε ρεφινεδ ιν χοµινγ ψεαρσ το ινχλυδε ινφορµατιον αβουτ τηε
συχτιον ισ νεεδεδ. Σοµε µεα− χοστ ανδ ρελιαβιλιτψ οφ χοµπονεντσ.
συρεσ χουλδ ρεδυχε τυρβυλενχε
ωιτη τινψ αχτυατορσ: ιν ονε απ−
προαχη, τηουσανδσ οφ µιχροσχοπιχ, µοϖ− το τηε αιρχρεω. Μοστ οφ τηε τιµε τηε πι− αχτιϖιτιεσ τηατ τακε πλαχε ιν τηε βραιν.
Χογνιτιϖε ενγινεερινγ µαψ προϖε
αβλε ⇓απσ ηινγεδ το τηε ωινγ ωουλδ ρισε λοτ νεεδσ το σεε ονλψ τηατ τηε νεεδλεσ
φροµ τηε συρφαχε βασε ωηεν τηε αιρ− ον τηε διαλσ ποιντ ιν τηε προπερ διρεχ− µοστ ε⇑εχτιϖε ωηεν χοµβινεδ ωιτη αδ−
⇓οωσ τυρν τυρβυλεντ [σεε Ενγινεερινγ τιον. Ιν αν εµεργενχψ, ηοωεϖερ, α πιλοτ ϖανχεδ χοµπυτερ δισπλαψσ, ωηιχη προ−
Μιχροσχοπιχ Μαχηινεσ, βψ Καιγηαµ ϑ. µυστ θυιχκλψ ασσεσσ τηε δανγερ ανδ δε− ϕεχτ τηε µοστ ιµπορταντ ινφορµατιον
οντο α ϖισορ µουντεδ ον α πιλοτ∏σ ηελ−
τερµινε αλτερνατιϖε χουρσεσ οφ αχτιον.
Γαβριελ, παγε 150 ].
Τοδαψ∏σ αιρπλανε ινστρυµεντατιον ισ µετ. Ονε δαψ α πιλοτ µαψ ρεσπονδ το
χαπαβλε οφ δισσεµινατινγ αν ενορµουσ δατα ον α σχρεεν ασ φαστ ασ τηε µινδ χαν
Σιτυατιον Αωαρενεσσ
⇓οοδ οφ δατα∇τοο µυχη, ιν φαχτ, φορ τηε τηινκ. Ρεσεαρχη ηασ προγρεσσεδ ον τηε
ιλοτσ ωιλλ περφορµ βεττερ ιφ τηεψ ηαϖε πιλοτ το χοµπρεηενδ ιν τηε φεω χριτιχαλ υσε οφ βραιν ωαϖεσ το χηανγε τηε ποσι−
τοολσ τηατ γιϖε τηεµ α βεττερ υνδερ− σεχονδσ αϖαιλαβλε. Σοφτωαρε ανδ προχεσ− τιον οφ α χυρσορ ορ το µανιπυλατε οτηερ
στανδινγ οφ ωηερε τηεψ αρε ανδ ωηερε σορσ αρε ρεθυιρεδ τηατ χαν σχρεεν ανδ χοχκπιτ χοντρολσ.
Τηε αιρπλανε οφ τηε ψεαρ 2050 µαψ
τηεψ αρε γοινγ. Σιτυατιον αωαρενεσσ, τηεν σηοω ονλψ δατα ρελεϖαντ το τηε σιτ−
ασ ιτ ισ χαλλεδ, δεσχριβεσ πιλοτσ∏ αβιλιτψ υατιον. Βεφορε συχη σψστεµσ χαν βε προ− ορ µαψ νοτ ρεσεµβλε τηε αιρπλανεσ ονε
το ιντεγρατε διϖερσε ινστρυµεντ ρεαδ− γραµµεδ, α νεω δισχιπλινε ισ νεεδεδ∇ ⇓ιεσ ιν τοδαψ. Βυτ αδϖανχεσ ιν αϖιατιον
ινγσ φορ σπεεδ, αλτιτυδε, λοχατιον, ωεατη− ονε τηατ µιγητ βε χαλλεδ χογνιτιϖε ενγι− τεχηνολογψ ανδ αν υνδερστανδινγ οφ πι−
ερ, διρεχτιον οφ ⇓ιγητ ανδ τηε πρεσενχε νεερινγ∇τηατ ωουλδ χοµβινε στυδιεσ ιν λοτσ∏ χογνιτιϖε προχεσσεσ ωιλλ µακε αιρ
οφ νεαρβψ αιρχραφτ. Αν ενγινεερ µυστ ηοω ηυµανσ αβσορβ ινφορµατιον ανδ τρανσπορτατιον σαφερ ανδ αχχεσσιβλε το
δεχιδε ηοω βεστ το δισπλαψ ινφορµατιον ηοω τηεσε περχεπτιονσ αρε ρελατεδ το µορε τραϖελερσ.
Π
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΕΥΓΕΝΕ Ε. ΧΟςΕΡΤ ισ τηε Τ. Ωιλσον Προφεσσορ οφ Αεροναυτιχσ ατ τηε Μασ−
σαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ανδ διρεχτορ οφ τηε υνιϖερσιτψ∏σ Χεντερ
φορ Αεροδψναµιχ Στυδιεσ. Αφτερ ρεχειϖινγ α βαχηελορ∏σ ανδ α µαστερ∏σ δεγρεε
ιν αεροναυτιχ ενγινεερινγ φροµ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Μιννεσοτα, ηε ωεντ ον το
χοµπλετε αν Σχ.∆. ιν τηε σαµε δισχιπλινε. Ηε σερϖεδ ασ χηιεφ σχιεντιστ φορ τηε
Υ.Σ. Αιρ Φορχε φροµ 1972 το 1973 ανδ ηεαδεδ τηε δεπαρτµεντ οφ αεροναυτιχσ
ανδ αστροναυτιχσ ατ Μ.Ι.Τ. φροµ 1985 το 1990. Ηε ισ α διρεχτορ οφ τηε Αµερι−
χαν Ινστιτυτε οφ Αεροναυτιχσ ανδ Αστροναυτιχσ ανδ σιτσ ον τηε βοαρδ οφ σεϖ−
εραλ χορπορατιονσ, ινχλυδινγ ΑλλιεδΣιγναλ ανδ Ροηρ, Ινχ.
ΥΝ∆ΕΡΣΤΑΝ∆ΙΝΓ ΑΙΡΧΡΑΦΤ ΣΤΡΥΧΤΥΡΕΣ. ϑοην Χυτλερ.
Γραναδα Πυβλισηινγ, 1981.
ΦΥΝ∆ΑΜΕΝΤΑΛΣ ΟΦ ΦΛΙΓΗΤ. Ριχηαρδ ϑ. Σηεϖελ. Πρεντιχε−Ηαλλ,
1989.
ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΧΑΛ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΟΡ ΤΗΕ ΤΩΕΝΤΨ−ΦΙΡΣΤ ΧΕΝ−
ΤΥΡΨ. Αεροναυτιχσ ανδ Σπαχε Ενγινεερινγ Βοαρδ ανδ τηε
Νατιοναλ Ρεσεαρχη Χουνχιλ. Νατιοναλ Αχαδεµψ Πρεσσ, 1992.
ΑΕΡΟ∆ΨΝΑΜΙΧΣ, ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΧΣ ΑΝ∆ ΦΛΙΓΗΤ ΜΕΧΗΑΝΙΧΣ.
Βαρνεσ Ω. ΜχΧορµιχκ. ϑοην Ωιλεψ & Σονσ, 1995.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
113
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
21στ−Χεντυρψ
Σπαχεχραφτ
A fleet of cheap, miniaturized spacecraft may
revive the stalled Space Age, exploring the
myriad tiny bodies of the solar system
βψ Φρεεµαν ϑ. ∆ψσον
Τ
ηε ⇒ρστ θυεστιον ωε ηαϖε το αν−
σωερ ιν δισχυσσινγ τηε φυτυρε οφ
σπαχε αχτιϖιτιεσ ισ, Ωηατ ωεντ
ωρονγ? Τηε Σπαχε Αγε, ωηιχη βεγαν
ωιτη α ⇓ουριση οφ τρυµπετσ αβουτ 40
ψεαρσ αγο, ωασ συπποσεδ το λεαδ ηυµαν−
ιτψ ονωαρδ ανδ υπωαρδ το α γλοριουσ φυ−
τυρε οφ χοσµιχ εξπανσιον. Ινστεαδ ιτ βε−
χαµε, λικε τηε Αγε οφ Νυχλεαρ Ποωερ, α
σψµβολ οφ εξαγγερατεδ εξπεχτατιονσ ανδ
βροκεν προµισεσ. Ωε νοω ⇒νδ ουρ−
σελϖεσ λιϖινγ ιν τηε Ινφορµατιον Αγε, ιν
ωηιχη τηε τεχηνολογιεσ τρανσφορµινγ
ουρ λιϖεσ αρε νοτ ροχκετρψ ανδ αστροναυ−
τιχσ βυτ µιχροχηιπσ ανδ σοφτωαρε. Σπαχε
αχτιϖιτιεσ πλαψ ονλψ α συβσιδιαρψ παρτ,
συππορτινγ τηε σατελλιτε λινκσ τηατ σερϖε
ασ αλτερνατιϖεσ το ⇒βερ−οπτιχ χηαννελσ
ον τηε γρουνδ. Τηε Σπαχε Αγε ⇒ζζλεδ
βεχαυσε τηε γρανδ δρεαµσ τυρνεδ ουτ το
βε τοο εξπενσιϖε. Φροµ νοω ον, σπαχε
τεχηνολογψ ωιλλ τηριϖε ωηεν ιτ ισ αππλιεδ
το πραχτιχαλ πυρποσεσ, νοτ ωηεν ιτ ισ
πυρσυεδ ασ αν ενδ ιν ιτσελφ.
Ονε οφ τηοσε πραχτιχαλ πυρποσεσ ισ
σχιεντι⇒χ ρεσεαρχη. Ηερε, τοο, τηερε ηασ
βεεν σοµε χονφυσιον βετωεεν ενδσ ανδ
µεανσ. Σοµε σπαχε σχιενχε προϕεχτσ
γρεω σο βιγ ανδ εξπενσιϖε τηατ τηεψ
ωερε δριϖεν βψ πολιτιχσ ανδ βυρεαυχρατ−
ιχ µοµεντυµ ρατηερ τηαν βψ σχιενχε.
Μισσιονσ ον α γρανδ σχαλε, συχη ασ τηε
ςοψαγερ ⇓ψβψσ οφ τηε ουτερ πλανετσ ανδ
τηε Ηυββλε Σπαχε Τελεσχοπε οβσερϖα−
τιονσ οφ δισταντ γαλαξιεσ, ηαϖε ρετυρνεδ
α ωεαλτη οφ κνοωλεδγε ανδ ηαϖε βρουγητ
πολιτιχαλ γλορψ το τηειρ σπονσορσ. Βυτ
ωιτηιν τηε Νατιοναλ Αεροναυτιχσ ανδ
Σπαχε Αδµινιστρατιον, ασ ιν τηε ωορλδ
ουτσιδε, ωινδσ οφ χηανγε αρε βλοωινγ.
Βιλλιον−δολλαρ µισσιονσ αρε νο λονγερ ιν
στψλε. Φυνδινγ ιν τηε φυτυρε ωιλλ βε διχεψ.
Τηε βεστ χηανχεσ οφ ⇓ψινγ ωιλλ γο το
ϖεντυρεσ τηατ αρε σµαλλ ανδ χηεαπ.
Ι ρεχεντλψ σπεντ σοµε ωεεκσ ατ τηε
114
ϑετ Προπυλσιον Λαβορατορψ ( ϑΠΛ) ιν Πασα−
δενα, Χαλιφ. ϑΠΛ, ωηιχη βυιλτ ανδ οπερατ−
εδ τηε ςοψαγερ σπαχεχραφτ, ισ τηε µοστ
ινδεπενδεντ ανδ τηε µοστ ιµαγινατιϖε
παρτ οφ ΝΑΣΑ. Ι ωασ ιντερεστεδ ιν τωο ιν−
νοϖατιϖε πλανεταρψ µισσιονσ προποσεδ
βψ ϑΠΛ, τηε Πλυτο Φαστ Φλψ−βψ ανδ τηε Κυι−
περ Εξπρεσσ. Τηε Πλυτο Φαστ Φλψ−βψ ωουλδ
χοµπλετε ςοψαγερ∏σ εξπλορατιον οφ τηε
ουτερ σολαρ σψστεµ βψ τακινγ ηιγη−ρεσο−
λυτιον πιχτυρεσ ιν µανψ ωαϖε βανδσ οφ
Πλυτο ανδ ιτσ λαργε σατελλιτε Χηαρον. Τηε
Κυιπερ Εξπρεσσ ωουλδ σιµιλαρλψ εξπλορε
τηε Κυιπερ Βελτ, τηε σωαρµ οφ σµαλλερ
οβϕεχτσ ορβιτινγ βεψονδ Νεπτυνε ωηοσε
εξιστενχε ωασ πρεδιχτεδ αβουτ 40 ψεαρσ
αγο βψ τηε αστρονοµερ Γεραρδ Π. Κυιπερ.
Τηε Βιγ Σηρινκ ατ ϑΠΛ
Β
οτη µισσιον χονχεπτσ ωερε βασεδ
ον α ραδιχαλ σηρινκαγε οφ τηε ινστρυ−
µεντσ χαρριεδ βψ τηε ςοψαγερ προβεσ. Ι
ηελδ ιν µψ ηανδσ τηε προτοτψπε παχκ−
αγε οφ ινστρυµεντσ φορ τηε νεω σπαχε−
χραφτ. Ιτ ωειγησ ⇒ϖε κιλογραµσ βυτ δοεσ
τηε σαµε ϕοβ ασ τηε ςοψαγερ ινστρυ−
µεντσ, ωηιχη ωειγηεδ µορε τηαν 200
κιλογραµσ. Αλλ τηε ηαρδωαρε χοµπο−
νεντσ∇οπτιχαλ, µεχηανιχαλ, στρυχτυραλ
ανδ ελεχτρονιχ∇ηαϖε βεεν δραστιχαλλψ
ρεδυχεδ ιν σιζε ωηιλε προϖιδινγ σιγνι⇒−
χαντλψ ιµπροϖεδ σενσιτιϖιτψ.
∆ανιελ Σ. Γολδιν, τηε αδµινιστρατορ οφ
ΝΑΣΑ, ενχουραγεδ ϑΠΛ το δεϖισε τηεσε
µισσιονσ το χαρρψ ον τηε εξπλορατιον οφ
τηε ουτερ σολαρ σψστεµ υσινγ σπαχεχραφτ
ραδιχαλλψ χηεαπερ τηαν ςοψαγερ. Τηε τωο
ςοψαγερ µισσιονσ, ωηιχη βεγαν ιν 1977,
εαχη χοστ αβουτ ∃1 βιλλιον. Τηε ϑΠΛ δε−
σιγνερσ εστιµατεδ τηατ τηειρ προποσαλ
φορ τηε Πλυτο Φαστ Φλψ−βψ µισσιον ωουλδ
χοστ ∃500 µιλλιον. Γολδιν τολδ τηεµ, ιν
ε⇑εχτ, Σορρψ, βυτ τηατ ισ νοτ ωηατ Ι ηαδ
ιν µινδ.
Τηε Πλυτο Φαστ Φλψ−βψ φαιλεδ βεχαυσε ιτ
διδ νοτ δεπαρτ ραδιχαλλψ ενουγη φροµ
τηε χονχεπτ ανδ τεχηνολογψ οφ ςοψαγ−
ερ. Ιτ στιλλ χαρριεδ α ηεαϖψ τηερµοελεχτριχ
γενερατορ, υσινγ τηε ραδιοαχτιϖε δεχαψ
οφ πλυτονιυµ 238 ασ τηε σουρχε οφ εν−
εργψ. Ιτ στιλλ ρελιεδ ον µασσιϖε χηεµιχαλ
ροχκετσ το γιϖε ιτ σπεεδ φορ τηε λονγ ϖοψ−
αγε φροµ ηερε το Πλυτο. Ιτ ωασ νεω ωινε
ιν αν ολδ βοττλε. Τηε σχιεντι⇒χ ινστρυ−
µεντσ ωερε δραστιχαλλψ µινιατυριζεδ, βυτ
τηε ρεστ οφ τηε σπαχεχραφτ ωασ νοτ ρε−
δυχεδ ιν προπορτιον.
Αφτερ Γολδιν ρεϕεχτεδ τηε Πλυτο Φαστ
Φλψ−βψ, τηε δεσιγνερσ ωορκεδ ουτ α ρε−
ϖισεδ ϖερσιον οφ τηε µισσιον, νοω χαλλεδ
τηε Πλυτο Εξπρεσσ. Τηε Πλυτο Εξπρεσσ
σηρινκσ τηε εντιρε σπαχεχραφτ, βυτ ιτ στιλλ
υσεσ χηεµιχαλ ροχκετσ ανδ α πλυτονιυµ
ποωερ συππλψ. Ιτ ισ νεω ωινε ιν α ηαλφ−
νεω βοττλε. Τηε εστιµατεδ χοστ ισ νοω
αβουτ ∃300 µιλλιον φορ τωο ινδεπεν−
δεντλψ λαυνχηεδ σπαχεχραφτ. Τηε δεσιγν−
ερσ ηοπε το λαυνχη τηεµ αρουνδ τηε
ψεαρ 2003.
Μεανωηιλε τηε Κυιπερ Εξπρεσσ πιχκσ
υπ ωηερε τηε Πλυτο Εξπρεσσ στοππεδ. Τηε
Κυιπερ Εξπρεσσ ισ νεω ωινε ιν α νεω βοτ−
τλε. Ιτ ισ τηε ⇒ρστ ραδιχαλλψ νεω πλανεταρψ
σπαχεχραφτ σινχε τηε ⇒ρστ Πιονεερ µισ−
σιονσ ιν τηε λατε 1950σ. Τηε Κυιπερ Εξ−
πρεσσ δισπενσεσ ωιτη χηεµιχαλ ροχκετσ.
Ιτσ προπελλαντ ισ ξενον, αν ινερτ γασ τηατ
χαν χονϖενιεντλψ βε χαρριεδ ασ α συπερ−
χριτιχαλ λιθυιδ, ασ δενσε ασ ωατερ, ωιτη−
ουτ ρεφριγερατιον. Τηε προτοτψπε ενγινε
ωασ υνδεργοινγ ενδυρανχε τεστσ ιν α
τανκ ατ ϑΠΛ ωηεν Ι ϖισιτεδ. Ιτ µυστ ρυν
ρελιαβλψ φορ 18 µοντησ ωιτηουτ λοσσ οφ
περφορµανχε βεφορε ιτ χαν βε σεριουσλψ
χονσιδερεδ φορ αν οπερατιοναλ µισσιον.
Τηε ποωερ σουρχε φορ τηε Κυιπερ Εξ−
πρεσσ ισ α παιρ οφ λαργε βυτ λιγητωειγητ
σολαρ πανελσ. Τηε πανελσ αρε εξπανσιϖε
ενουγη το προϖιδε ποωερ φορ ινστρυµεντ
οπερατιονσ ανδ χοµµυνιχατιον ωιτη τηε
εαρτη εϖεν ιν τηε διµ συνλιγητ ιν τηε
ΚΥΙΠΕΡ ΕΞΠΡΕΣΣ σπαχεχραφτ ρεπρεσεντσ α σηαρπ βρεακ φροµ χυρρεντ σπαχε εξπλο−
ρατιον τεχηνολογψ. Ιν πλαχε οφ βυλκψ χηεµιχαλ ροχκετσ, α λιγητωειγητ ιον ενγινε προ−
πελσ τηε χραφτ; τηε εµεργινγ ιονσ εµιτ α βλυε λιγητ. Ποωερ φορ τηε ενγινε χοµεσ φροµ
τωο ηυγε βυτ λιγητωειγητ σολαρ πανελσ. Ραδιχαλλψ σηρυνκεν ηαρδωαρε ιµπροϖεσ
σπαχεχραφτ περφορµανχε ωιτηουτ σαχρι⇒χινγ σχιεντι⇒χ χαπαβιλιτψ. Τηε Κυιπερ Εξπρεσσ
ωουλδ εξαµινε τηε υνεξπλορεδ, χοµετλικε βοδιεσ ορβιτινγ βεψονδ Νεπτυνε. Ονε
συχη οβϕεχτ λοοµσ αηεαδ ωηιλε τηε ρεχεδινγ χρεσχεντ οφ Νεπτυνε (σηοων εξαγγερατ−
εδ ιν σιζε) ρε⇓εχτσ ο⇑ τηε σπαχεχραφτ ιν τηισ αρτιστιχ ρενδερινγ οφ α δεσιγν προποσαλ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Τηε Κυιπερ Εξπρεσσ ισ α δαρινγ ϖεν−
τυρε, βρεακινγ γρουνδ ιν µανψ διρεχ−
τιονσ. Ιτ δεµανδσ νεω τεχηνολογψ ανδ
α φρεση στψλε οφ µαναγεµεντ. Ιτ µαψ φαιλ,
λικε τηε Πλυτο Φαστ Φλψ−βψ, βεχαυσε ιτσ αρ−
χηιτεχτσ µαψ βε φορχεδ βψ πολιτιχαλ χον−
στραιντσ το µακε τοο µανψ χοµπροµισ−
εσ ανδ το ρελψ τοο µυχη ον ολδ χονχεπτσ.
Βυτ σολαρ−ελεχτριχ προπυλσιον ηασ οπενεδ
τηε δοορ το α νεω γενερατιον οφ χοστ−
ε⇑εχτιϖε σµαλλ σπαχεχραφτ, τακινγ αδ−
ϖανταγε οφ τηε ενορµουσ προγρεσσ οϖερ
τηε παστ 30 ψεαρσ ιν µινιατυριζινγ ιν−
στρυµεντσ ανδ χοµπυτερσ. Ιφ τηε Κυιπερ
Εξπρεσσ φαιλσ το ⇓ψ, σοµε οτηερ, βολδερ
µισσιον ωιλλ συχχεεδ. Ιν σπαχε σχιενχε,
ασ ιν πολιτιχσ, τηε χολλαπσε οφ τηε ολδ ορ−
δερ οπενσ ποσσιβιλιτιεσ φορ αδϖεντυρουσ
σπιριτσ.
Σπαχε⇓ιγητ ωιλλ χερταινλψ χηανγε ραδ−
SLIM FILMS
Κυιπερ Βελτ. Νο πλυτονιυµ γενερατορ ισ
νεεδεδ. Σοµε ϑΠΛ εξπερτσ ρεϕεχτ τηε ιδεα
οφ υσινγ σολαρ ενεργψ το τρανσµιτ σιγναλσ
ηοµε φροµ συχη α γρεατ διστανχε ανδ
δουβτ ωηετηερ τηε ηυγε, ⇓ιµσψ σολαρ
χολλεχτορσ ρεθυιρεδ φορ τηε ϕοβ ωιλλ εϖερ
βε πραχτιχαλ. Βυτ τηε δεσιγνερσ οφ τηε
Κυιπερ Εξπρεσσ δεχιδεδ το ϕεττισον τηε
λαστ ηεαϖψ πιεχε οφ ςοψαγερ ηαρδωαρε
σο τηειρ βιρδ χαν ⇓ψ φαστ ανδ φρεε.
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
Z. ARONOVSKY Zuma
Τηερε αρε τωο πηψσιχαλ λιµιτσ το
τηε περφορµανχε οφ σολαρ−ελεχτριχ
σπαχεχραφτ. Ονε ισ σετ βψ τηε
τηρυστ−το−ωειγητ ρατιο οφ ιον−ϕετ
ενγινεσ, τηε οτηερ βψ τηε ποωερ−
το−ωειγητ ρατιο οφ συρφαχεσ τηατ
χαν χολλεχτ τηε ενεργψ οφ συνλιγητ.
Τηε τηρυστ−το−ωειγητ ρατιο χον−
στραινσ τηε αχχελερατιον οφ τηε
σπαχεχραφτ ανδ ισ µοστ ιµπορταντ
φορ σηορτ µισσιονσ. Φορ ινστανχε,
ιφ α ϖεσσελ χαν αχχελερατε ατ ονε
χεντιµετερ περ σεχονδ σθυαρεδ
(ρουγηλψ ονε τηουσανδτη οφ εαρτη
γραϖιτψ), ιτ ωιλλ βε αβλε το ρεαχη α
σπεεδ οφ 26 κιλοµετερσ περ σεχ−
ονδ ιν α µοντη∏σ τιµε. Χοϖερινγ
ρελατιϖελψ σµαλλ διστανχεσ θυιχκλψ
ρεθυιρεσ α φαστ σταρτ ανδ ηενχε α
ηιγη τηρυστ−το−ωειγητ ρατιο.
Τηε ποωερ−το−ωειγητ ρατιο χον−
ΜΙΝΙΑΤΥΡΙΖΕ∆ ΙΝΣΤΡΥΜΕΝΤΣ ωιλλ ηελπ ρεδυχε τηε σιζε ανδ χοστ οφ φυτυρε σπαχεχραφτ. στραινσ τηε µαξιµυµ ϖελοχιτψ οφ
Αβοϖε, Πατριχια Μ. Βεαυχηαµπ οφ τηε ϑετ Προπυλσιον Λαβορατορψ, χο−λεαδερ οφ τηε στυδψ τηε σπαχεχραφτ ανδ ισ µοστ ιµπορ−
τεαµ φορ τηε Κυιπερ Εξπρεσσ, ηολδσ αν εξαµπλε οφ α δοωνσιζεδ ινστρυµεντ παχκαγε τηατ ταντ φορ λονγ ϕουρνεψσ. Τηε τηιν−
χουλδ βε υσεδ φορ συχη α µισσιον. Τηε 1970σ−τεχηνολογψ ςοψαγερ ινστρυµεντσ, σεεν ατ νερ τηε συρφαχε οφ τηε σολαρ χολ−
λεχτορ, τηε γρεατερ τηε ποωερ φορ α
τηε ριγητ, αρε λεσσ σενσιτιϖε βυτ ωειγη 40 τιµεσ ασ µυχη.
γιϖεν ωειγητ. Τηε λαωσ οφ πηψσιχσ
πυτ τηε λιµιτ οφ τηιννεσσ ατ αβουτ
ιχαλλψ βετωεεν νοω ανδ τηε ενδ οφ τηε ασ ξενον. Τηε ποσιτιϖελψ χηαργεδ ιονσ ονε γραµ περ σθυαρε µετερ. Τηισ ισ λεσσ
νεξτ χεντυρψ. Νεϖερτηελεσσ, πηψσιχαλ αρε πυλλεδ ουτ οφ τηε ενγινε, φορµινγ α τηαν ονε τηουσανδτη οφ τηε ωειγητ οφ
τεχηνολογψ ισ φαρ ενουγη αδϖανχεδ τηατ ϕετ τηατ ιµπελσ τηε χραφτ φορωαρδ. Ιν α τηε σολαρ πανελσ ον τηε προποσεδ Κυι−
ωε χαν µακε πλαυσιβλε γυεσσεσ αβουτ χηεµιχαλ ροχκετ, τηε φυελ προϖιδεσ βοτη περ Εξπρεσσ, σο α σολαρ−ελεχτριχ σπαχε−
ωηερε ιτ ωιλλ βε ιν 100 ψεαρσ. Ουρ γυεσσ− ενεργψ ανδ µοµεντυµ, ωηερεασ ιν σο− χραφτ χουλδ ιν πρινχιπλε συρπασσ τηε περ−
εσ ωιλλ βε ωρονγ ιν δεταιλ, βυτ ωε κνοω λαρ−ελεχτριχ προπυλσιον, τηε σουρχεσ οφ φορµανχε οφ τηε Κυιπερ Εξπρεσσ βψ α
ενουγη αβουτ τηε λαωσ οφ πηψσιχσ το σετ ενεργψ (συνλιγητ) ανδ µοµεντυµ (τηε φαχτορ οφ 1,000.
⇒ρµ λιµιτσ ρεγαρδινγ ωηατ ωε χαν ανδ ιον ϕετ) αρε σεπαρατε. Ι δεχλαρε σολαρ−
Τηε Κυιπερ Εξπρεσσ ωουλδ υσε ιτσ σο−
χαννοτ δο. Τηε φυτυρε οφ βιοτεχηνολογψ ελεχτριχ προπυλσιον το βε τηε ωιννερ ιν λαρ−ελεχτριχ ενγινεσ φορ προπυλσιον νεαρ
ισ υνχερταιν ιν α δι⇑ερεντ ωαψ. Ωε χαν− σπαχε βεχαυσε ιτ αλλοωσ υσ το πυση ασ τηε εαρτη ανδ τηεν χοαστ τηε ρεστ οφ τηε
νοτ εϖεν γυεσσ ωηερε ιτσ λιµιτσ λιε. Ι βε− φαρ ιν τηε διρεχτιονσ οφ σπεεδ, ε⇔χιενχψ ωαψ το τηε εδγε οφ τηε σολαρ σψστεµ. Α
λιεϖε τηε 21στ χεντυρψ ωιλλ βε τηε Αγε οφ ανδ εχονοµψ ασ τηε λαωσ οφ πηψσιχσ αλ− σπαχεχραφτ βυιλτ αρουνδ τηιν−⇒λµ χολλεχ−
Βιοτεχηνολογψ ανδ τηατ βιοτεχηνολογψ λοω. Ι σεε σολαρ−ελεχτριχ ασ α χηεαπ, γεν− τορσ χουλδ υσε ιτσ σολαρ ενγινε ανψωηερε
ωιλλ τρανσφορµ τηε σηαπε οφ σπαχεχραφτ εραλ−πυρποσε ενγινε φορ µοϖινγ παψ− ιν τηε σολαρ σψστεµ, εϖεν ιν τηε Κυιπερ
ασ προφουνδλψ ασ ιτ ωιλλ τρανσφορµ τηε λοαδσ αλλ οϖερ τηε σολαρ σψστεµ.
Βελτ, ωηερε συνλιγητ ισ 1,000 τιµεσ ωεακ−
παττερνσ οφ ηυµαν λιφε. Ι ωιλλ δεσχριβε
Τηισ ⇓εξιβιλιτψ δοεσ νοτ µεαν τηατ ερ τηαν ιτ ισ ηερε. Ιν τηε νειγηβορηοοδ
ηερε ονλψ τηε πηψσιχαλ µαχηινερψ ωηοσε οτηερ προπυλσιον σψστεµσ ωιλλ νοτ βε οφ τηε εαρτη, συχη α χραφτ χουλδ αχηιεϖε
φορµ ανδ περφορµανχε χαν βε πρεδιχτ− νεχεσσαρψ. Το λαυνχη φροµ τηε συρφαχε σπεεδσ οφ σεϖεραλ ηυνδρεδ κιλοµετερσ
εδ ωιτη σοµε χον⇒δενχε.
οφ τηε εαρτη ιντο σπαχε, ωε ωιλλ στιλλ περ σεχονδ, φαστ ενουγη το ρεαχη Μαρσ
νεεδ χηεµιχαλ ροχκετσ ορ σοµε µορε ορ ςενυσ ορ Μερχυρψ ιν µυχη λεσσ τηαν
Α Νεω Ωαψ το Φλψ
ε⇔χιεντ ηιγη−τηρυστ λαυνχηερ. Νυχλεαρ− α µοντη. Α διϖερσι⇒εδ σψστεµ οφ σολαρ−
ελεχτριχ οπερατεσ µυχη λικε σολαρ−ελεχ− ελεχτριχ σπαχεχραφτ ωουλδ µακε τηε εν−
ανψ σψστεµσ οφ προπυλσιον ηαϖε τριχ βυτ ελιµινατεσ τηε δεπενδενχε ον τιρε σολαρ σψστεµ αβουτ ασ αχχεσσιβλε
βεεν προποσεδ φορ τηε σπαχεχραφτ συνλιγητ φορ ελεχτριχιτψ. Λασερ προπυλσιον φορ χοµµερχε ορ φορ εξπλορατιον ασ τηε
οφ τηε φυτυρε. Φιϖε σψστεµσ∇νυχλεαρ− δραωσ ιτσ ενεργψ φροµ α ηιγη−ποωερ λα− συρφαχε οφ τηε εαρτη ωασ ιν τηε αγε οφ
ελεχτριχ προπυλσιον, σολαρ−ελεχτριχ προ− σερ λοχατεδ ον τηε εαρτη∏σ συρφαχε; ιτ ισ στεαµσηιπσ.
πυλσιον, λασερ προπυλσιον, σολαρ σαιλσ ανδ ωελλ συιτεδ το α ραπιδ−⇒ρε λαυνχη σχηεδ−
ελεχτροµαγνετιχ ραµ αχχελερατορσ∇οφ− υλε. Σολαρ σαιλσ, δριϖεν βψ τηε πρεσσυρε
Σεττινγ Ανχηορ ιν Σπαχε
φερ γρεατ τεχηνιχαλ προµισε. Εαχη ηασ οφ συνλιγητ, γετ ο⇑ το α σλοω σταρτ βυτ
παρτιχυλαρ αδϖανταγεσ φορ χερταιν µισ− ρεθυιρε νο φυελ. Ραµ αχχελερατορσ προ−
ν τηε νεξτ χεντυρψ, ασ ιν τηε λαστ, εϖ−
σιονσ. Φορχεδ το χηοοσε ονε, Ι πιχκ σο− ϖιδε αν ινεξπενσιϖε λαυνχη σψστεµ φορ
ερψτηινγ ωιλλ δεπενδ ον µακινγ τηε
λαρ−ελεχτριχ ασ τηε µοστ προµισινγ.
ρυγγεδ βυλκ−φρειγητ παψλοαδσ τηατ χαν πασσαγε χηεαπ. Εϖεν ιφ τηιν−⇒λµ σολαρ
Σολαρ−ελεχτριχ προπυλσιον αχχελερατεσ α στανδ αν αχχελερατιον οφ σεϖεραλ τηου− πανελσ χαν βε µαδε ινεξπενσιϖελψ, τηειρ
σπαχεχραφτ βψ µεανσ οφ α λοω−τηρυστ ιον σανδ γραϖιτιεσ. Βυτ φορ λονγ−ρανγε, ηιγη− σιζε ανδ ⇓ιµσινεσσ ωιλλ µακε τηεµ διφ−
ϕετ. Συνσηινε φαλλινγ ον σολαρ χελλσ γενερ− σπεεδ ηαυλινγ, ειτηερ οφ φρειγητ ορ οφ φιχυλτ το δεπλοψ. Τηε προβλεµ οφ δεπλοψ−
ατεσ ελεχτριχιτψ, ωηιχη ισ υσεδ το ιονιζε πασσενγερσ, σολαρ−ελεχτριχ σεεµσ τηε µεντ ωιλλ βε µυχη γρεατερ φορ λαργε παψ−
ανδ αχχελερατε α νονρεαχτιϖε γασ, συχη προπυλσιον σψστεµ οφ χηοιχε.
λοαδσ. Σπαχεχραφτ χαρρψινγ πεοπλε, φορ ιν−
Μ
Ι
116
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION
στανχε, προβαβλψ χαννοτ ωειγη
λεσσ τηαν ονε τον. Α ονε−τον
χραφτ τηατ προϖιδεσ ηιγη περφορ−
µανχε ανδ γοοδ εχονοµψ ιν
τηε υσε οφ προπελλαντ ωιλλ νεεδ
σολαρ χολλεχτορσ ρουγηλψ τωο
αχρεσ ιν αρεα∇α λιττλε λαργερ
τηαν α φοοτβαλλ ⇒ελδ. Ωηετηερ
συχη ϖοψαγεσ µακε σενσε ωιλλ
δεπενδ ον τηε µοτιϖατιον οφ
τηε πασσενγερσ.
Ι, λικε τηε µαϕοριτψ οφ σχιεν−
τιστσ, αµ µορε ιντερεστεδ ιν υν−
µαννεδ µισσιονσ. Φορ ροβοτιχ
προβεσ, τηε αδϖανταγεσ οφ σολαρ−
ελεχτριχ προπυλσιον χαν βε ρεαλ−
ιζεδ µορε χονϖενιεντλψ βψ
σηρινκινγ τηε οϖεραλλ ωειγητ
φροµ τονσ το κιλογραµσ. Τηε προ−
χεσσ οφ µινιατυριζατιον, ωηιχη
λεδ φροµ ςοψαγερ το τηε Κυιπερ
Εξπρεσσ, χαν βε χαρριεδ µυχη
φυρτηερ. Τηε τψπιχαλ σολαρ−ελεχ−
τριχ σπαχεχραφτ οφ τηε φυτυρε ωιλλ
προβαβλψ ωειγη α φεω κιλογραµσ
ανδ χαρρψ α σολαρ πανελ 10 το 20
µετερσ ιν διαµετερ. Συχη σπαχε−
χραφτ ωουλδ βε ιδεαλ φορ σχιεν−
τι⇒χ εξπλορατιον ανδ προβαβλψ
ΙΟΝ ΕΝΓΙΝΕ (ατ αρροω) µαψ βε τηε προπυλσιον τεχηνολογψ οφ χηοιχε ιν τηε νεξτ χεντυρψ∇ιτ
αλσο φορ µοστ χοµµερχιαλ ανδ ισ χηεαπ, σιµπλε ανδ ε⇔χιεντ. Τηισ προτοτψπε ισ υνδεργοινγ ενδυρανχε τεστσ ιν α ηυγε ϖαχ−
µιλιταρψ ϖεντυρεσ. Τηε µαιν υυµ χηαµβερ ατ τηε Λεωισ Ρεσεαρχη Χεντερ ιν Χλεϖελανδ. Τηε ινσετ πηοτογραπη σηοωσ α
βυσινεσσ οφ σπαχεχραφτ, ωηετηερ σιδε ϖιεω οφ τηε ενγινε δυρινγ α τεστ ⇒ρινγ. Ελεχτριχιτψ πασσεσ τηρουγη ξενον γασ ιν τηε εν−
τηεψ αρε σχιεντι⇒χ, χοµµερχιαλ γινε; τηε ρεσυλτινγ ελεχτριχαλλψ χηαργεδ ατοµσ, ορ ιονσ, αρε πυλλεδ ουτ οφ τηε ενγινε, χρεατ−
ορ µιλιταρψ, ισ ινφορµατιον ηαν− ινγ τηε γλοωινγ, προπυλσιϖε ϕετ. Τηε µοδεστ βυτ περσιστεντ τηρυστ φροµ ιον ενγινεσ χουλδ
δλινγ, ωηιχη ωε αλρεαδψ κνοω αχχελερατε σπαχεχραφτ το ηιγη ϖελοχιτιεσ, σπεεδινγ τηε εξπλορατιον οφ τηε σολαρ σψστεµ.
ηοω το δο εχονοµιχαλλψ υσινγ
µαχηινεσ τηατ ωειγη λεσσ τηαν α
κιλογραµ. Σολαρ−ελεχτριχ προπυλσιον ωιλλ ωηερε αιρπλανεσ ωουλδ βε γοινγ ιν 1995. πλορεδ. Ουρ σπαχεχραφτ ωιλλ µοστλψ βε γο−
γιϖε συχη µισσιονσ α ⇓εξιβιλιτψ τηατ Τηε σιµπλε ανσωερ το βοτη θυεστιονσ ινγ το πλαχεσ τηατ νοβοδψ ηασ ψετ σεεν.
Νατυρε ηασ κινδλψ αρρανγεδ τηε σολαρ
χηεµιχαλ ροχκετσ λαχκ. Σπαχεχραφτ υσινγ ισ, Εϖερψωηερε. Ονε ιµπορταντ, οφτεν
σολαρ−ελεχτριχ προπυλσιον µαψ ωανδερ οϖερλοοκεδ φαχτ αβουτ τηε σολαρ σψστεµ σψστεµ σο τηατ µοστ οφ τηε ποτεντιαλ
φρεελψ αρουνδ τηε σολαρ σψστεµ, αλτερινγ ισ τηατ τηε βυλκ οφ τηε ρεαλ εστατε ισ νοτ δεστινατιονσ αρε σµαλλερ βοδιεσ ωηοσε
τηειρ τραϕεχτοριεσ το φολλοω τηε χηανγ− ον πλανετσ. Τηε πλανετσ χονταιν µοστ οφ γραϖιτψ ισ ωεακ. Συχη πλαχεσ αρε διρεχτλψ
τηε µασσ ουτσιδε τηε συν, βυτ µοστ οφ αχχεσσιβλε το λοω−τηρυστ, σολαρ−ελεχτριχ
ινγ νεεδσ οφ σχιενχε.
Ωηερε ωιλλ ουρ ⇓εετσ οφ µιχροσπαχε− τηε συρφαχε αρεα ισ ον σµαλλερ οβϕεχτσ: σπαχεχραφτ. Λανδινγ σποτσ φορ 21στ−χεν−
χραφτ βε γοινγ 100 ψεαρσ φροµ νοω? Το σατελλιτεσ, αστεροιδσ ανδ χοµετσ. Εξχεπτ τυρψ σπαχεχραφτ ωιλλ βε εασιερ το ⇒νδ
ασκ τηισ θυεστιον τοδαψ ισ λικε ασκινγ φορ τηε λαργερ σατελλιτεσ ανδ α χουπλε οφ τηαν δεεπ ηαρβορσ ωερε φορ 19τη−χεντυ−
τηε Ωριγητ βροτηερσ ιν 1905 το πρεδιχτ αστεροιδσ, αλλ τηισ αρεα ισ τοταλλψ υνεξ− ρψ στεαµσηιπσ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΦΡΕΕΜΑΝ ϑ. ∆ΨΣΟΝ ηασ εξπλορεδ ιδεασ ιν πηψσιχσ, εν−
γινεερινγ, πολιτιχσ, αρµσ χοντρολ, ηιστορψ ανδ λιτερατυρε
οϖερ ηισ λονγ χαρεερ. Ηισ ιντερεστ ιν σπαχε τραϖελ δατεσ ατ
λεαστ το αγε 9, ωηεν ηε ωροτε α σηορτ στορψ αβουτ α
µαννεδ µισσιον το τηε µοον; ηισ χλασσιχ βοοκ Ιν⇒νιτε ιν
Αλλ ∆ιρεχτιονσ δισχυσσεσ ηυµαν δεστινψ ιν σπαχε. ∆ψσον
ωορκεδ ασ α βο⇔ν φορ Βριταιν∏σ Ροψαλ Αιρ Φορχε Βοµβερ
Χοµµανδ δυρινγ Ωορλδ Ωαρ ΙΙ. Αφτερωαρδ, ηε χοµπλετεδ
ηισ βαχηελορ∏σ δεγρεε ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαµβριδγε ανδ
µοϖεδ το τηε Υ.Σ. Σινχε 1953 ηε ηασ ηελδ τηε ποσιτιον οφ
προφεσσορ οφ πηψσιχσ ατ τηε Ινστιτυτε φορ Αδϖανχεδ Στυδψ
ιν Πρινχετον, Ν.ϑ.
ΣΧΙΕΝΧΕ ΑΝ∆ ΣΠΑΧΕ. Φρεεµαν ϑ. ∆ψσον ιν Τηε Φιρστ 25 Ψεαρσ ιν Σπαχε. Εδιτεδ βψ
Αλλαν Νεεδελλ. Σµιτησονιαν Ινστιτυτιον Πρεσσ, 1983.
ΜΑϑΟΡ ΟΒΣΕΡςΑΤΟΡΙΕΣ ΙΝ ΣΠΑΧΕ. Φρεεµαν ϑ. ∆ψσον ιν Οβσερϖατοριεσ ιν Εαρτη
ανδ Βεψονδ. Εδιτεδ βψ Ψοϕι Κονδο. Κλυωερ Αχαδεµιχ Πυβλισηερσ, 1990.
ΠΛΥΤΟ ΜΙΣΣΙΟΝ ΠΡΟΓΡΕΣΣ ΡΕΠΟΡΤ: ΛΟΩΕΡ ΜΑΣΣ ΑΝ∆ ΦΛΙΓΗΤ ΤΙΜΕ ΤΗΡΟΥΓΗ Α∆−
ςΑΝΧΕ∆ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ ΙΝΣΕΡΤΙΟΝ. Ροβερτ Λ. Σταεηλε ετ αλ. Ρεπορτ ΙΑΦ−93−
Θ.5.410, 44τη Χονγρεσσ οφ τηε Ιντερνατιοναλ Αστροναυτιχαλ Φεδερατιον, Οχτοβερ
1993.
ΣΜΑΛΛ ΒΟ∆Ψ ΡΕΝ∆ΕΖςΟΥΣ ΜΙΣΣΙΟΝ ΥΣΙΝΓ ΣΟΛΑΡ ΕΛΕΧΤΡΙΧ ΠΡΟΠΥΛΣΙΟΝ: ΛΟΩ
ΧΟΣΤ ΜΙΣΣΙΟΝ ΑΠΠΡΟΑΧΗ ΑΝ∆ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ ΡΕΘΥΙΡΕΜΕΝΤΣ. Ροψ Κακυδα, ϑοελ
Σερχελ ανδ Ωαψνε Λεε. Ρεπορτ ΙΑΑ−Λ−0710, Ινστιτυτε οφ Αεροναυτιχσ ανδ Αστρο−
ναυτιχσ Ιντερνατιοναλ Χονφερενχε ον Λοω−Χοστ Πλανεταρψ Μισσιονσ, Απριλ 1994.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
116Α
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
Commentary
Ωηψ Γο
Ανψωηερε?
Millions of people could be
liberated from their vehicles
βψ Ροβερτ Χερϖερο
Ι
ν α δεχαδε ορ τωο, τραϖελ
βψ αυτοµοβιλε ιν σοµε
αδϖανχεδ χουντριεσ µαψ
ϖερψ ωελλ ινϖολϖε τηε κινδ οφ
τεχηνολογψ ανδ ιντελλιγενχε
γατηερινγ ονχε ρεσερϖεδ φορ
ταχτιχαλ ωαρφαρε. Ονβοαρδ ναϖ−
ιγατιοναλ αιδσ, φεδ βψ σατελλιτε
τραχκινγ σψστεµσ, ωιλλ γιϖε δι−
ρεχτιονσ ιν σοοτηινγ διγιταλ
ϖοιχεσ. Ιν βιγ χιτιεσ, ροαδσιδε
σχρεενσ ωιλλ ⇓αση µεσσαγεσ
αβουτ δισταντ τρα⇔χ ϕαµσ ανδ αλτερνατιϖε ρουτεσ. Χοµπυτερ−
ιζεδ χοντρολ ανδ γυιδανχε δεϖιχεσ εµβεδδεδ υνδερνεατη
ηεαϖιλψ τρα⇔χκεδ χορριδορσ ωιλλ αλλοω αππροπριατελψ εθυιππεδ
χαρσ ανδ τρυχκσ το ραχε αλονγ αλµοστ βυµπερ το βυµπερ. Σπε−
χιαλ δεβιτ χαρδσ ωιλλ λετ µοτοριστσ εντερ τολλωαψσ ωιτηουτ στοπ−
πινγ, παρκ δοωντοων ωιτηουτ φυµβλινγ φορ χηανγε, ανδ ηοπ
ον τραινσ ανδ πεοπλε µοϖερσ βψ σωιπινγ τηειρ χαρδσ τηρουγη
ελεχτρονιχ τυρνστιλεσ. Σοµε εξπερτσ εϖεν φορεσεε χυστοµιζεδ
τραχτορ τραιλερ∠στψλε χαρ−βυσεσ τηατ χαρρψ υπ το 20,000 χαρσ
περ ηουρ περ φρεεωαψ λανε∇10 τιµεσ τηε χυρρεντ χαπαχιτψ.
Τηισ χονστελλατιον οφ νεω−αγε τεχηνολογιεσ ισ ονλψ α παρτ
οφ τηε µαστερ πλανσ δραων υπ ιν ρεχεντ ψεαρσ ιν Ευροπε ανδ
τηε Υ.Σ. Φορ εξαµπλε, ∆ετροιτ∏σ Βιγ Τηρεε αυτοµακερσ ανδ
τηε Υ.Σ. ∆επαρτµεντ οφ Τρανσπορτατιον ηαϖε τογετηερ σπεντ
ορ πλεδγεδ σεϖεραλ βιλλιον δολλαρσ τηρουγη τηε ρεµαινδερ οφ
τηισ δεχαδε ον Ρ&∆ ανδ χοµµερχιαλιζατιον οφ τηε Ιντελλιγεντ
Τρανσπορτατιον Σψστεµ. Αλτηουγη ιτσ γοαλσ οφ ενηανχεδ ε⇔−
χιενχψ, χοµφορτ ανδ σαφετψ αρε υνιµπεαχηαβλε, ιτσ ινεϖιταβλε
χοστσ∇σπιραλινγ φυελ χονσυµπτιον, αιρ πολλυτιον, συβυρβαν
σπραωλ ανδ υρβαν δεχαψ∇αρε σοβερινγ.
Ονε σενσιβλε ανδ χοµπελλινγ αλτερνατιϖε ωουλδ βε το ρεδυχε
τηε νεεδ το τραϖελ ιν τηε ⇒ρστ πλαχε. Τοολσ ανδ τεχηνιθυεσ τηατ
χουλδ δραστιχαλλψ χυτ βαχκ ον χοµµυτινγ αλρεαδψ εξιστ; αππρο−
πριατελψ δεσιγνεδ χοµµυνιτιεσ, φορ εξαµπλε, χουλδ πυτ µοστ
δεστινατιονσ ωιτηιν ωαλκινγ (ορ βιχψχλε−ριδινγ ) διστανχε, ανδ
τελεχοµµυνιχατιονσ, χοµπυτερσ ανδ οτηερ τεχηνολογιεσ χουλδ
λετ µανψ πεοπλε ωορκ φροµ τηειρ ηοµεσ ορ φροµ φαχιλιτιεσ νεαρ−
βψ. Τηε ποτεντιαλ σαϖινγσ ιν τιµε, ενεργψ, νατυραλ ρεσουρχεσ
ανδ πσψχηολογιχαλ ωεαρ−ανδ−τεαρ χουλδ βε ενορµουσ.
Τοωαρδ τηισ ενδ, α σµαλλ βυτ ιν⇓υεντιαλ γρουπ οφ νεω υρ−
βανιστ πλαννερσ ανδ αρχηιτεχτσ, λεδ βψ Μιαµι−βασεδ Ανδρεσ
∆υανψ ανδ Χαλιφορνιαν Πετερ Χαλτηορπε, ισ σεεκινγ το ρε−χρε−
ατε τηε πεδεστριαν−φριενδλψ τοωνσ οφ ψεστερψεαρ. Πλαχεσ συχη
ασ Πρινχετον, Ν.ϑ., Ανναπολισ, Μδ., ανδ Σαϖανναη, Γα., αρε τηειρ
118
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
παραγονσ. Τηεσε σµαλλ χιτιεσ ηαϖε λιϖελψ χεντραλ χορεσ ωιτηιν
ωαλκινγ διστανχε οφ µοστ ρεσιδεντσ, προµινεντ χιϖιχ σπαχεσ,
ναρροω, τρεε−λινεδ στρεετσ λαιδ ουτ ιν γριδσ ανδ ϖαρψινγ µιξ−
τυρεσ οφ ηουσινγ ανδ µαιν−στρεετ σηοπσ.
Μοστ νοταβλψ, τηεσε αρε πλαχεσ ωηερε ονε ισ λεσσ ινχλινεδ
το δριϖε ανδ µορε λικελψ το ωαλκ ορ βιχψχλε το α νεαρβψ ϖιδεο
στορε ορ δελιχατεσσεν. Ιν χοντραστ το χοντεµποραρψ µαστερ−
πλαννεδ συβυρβσ ωηερε πεοπλε αρε χον⇒νεδ το χαρσ ανδ
ηοµεσ, τηεσε νεοτραδιτιοναλ χοµµυνιτιεσ ωουλδ αλλοω πεο−
πλε οφ αλλ αγεσ ανδ ωαλκσ οφ λιφε το χοµε ιντο δαιλψ χονταχτ.
Συχη µινγλινγ, νεω υρβανιστσ βελιεϖε, ωιλλ προµοτε σοχιαλ χο−
ηεσιον ανδ βυιλδ στρονγερ βονδσ βετωεεν πεοπλε ανδ πλαχε.
Χριτιχσ χηαργε τηατ συχη ηυµανιστ δεσιγν πρινχιπλεσ σµαχκ οφ
σοχιαλ ενγινεερινγ ανδ πηψσιχαλ δετερµινισµ; οφ χουρσε, ονε
χουλδ λεϖελ σιµιλαρ χηαργεσ αγαινστ τηε φεδεραλλψ συβσιδιζεδ ιν−
τερστατε ηιγηωαψσ ανδ ηοµε µορτγαγεσ τηατ νυρτυρεδ τηε
αυτοµοβιλε ινδυστρψ ανδ συβυρβαν σπραωλ ιν τηε ποστωαρ ερα.
Βεχαυσε οφ τηε τεπιδ ρεαλ εστατε µαρκετ ανδ σκεπτιχισµ
αµονγ λενδερσ ανδ δεϖελοπερσ, φεω νεοτραδιτιοναλ τοωνσ ηαϖε
αχτυαλλψ βεεν βυιλτ. Περηαπσ τηε βεστ εξαµπλεσ το δατε αρε Σεα−
σιδε, α χοµπαχτ, υπσχαλε ρεσορτ χοµµυνιτψ ον Φλοριδα∏σ Παν−
ηανδλε, ανδ Κεντλανδσ, α Γεοργετοων λοοκ−αλικε ϕυστ ουτσιδε
Γαιτηερσβυργ, Μδ.
Βψ βεινγ λεσσ δεπενδεντ ον ϖεηιχλεσ, λιφε ιν τηεσε χοµµυνι−
τιεσ ισ µορε ενεργψ−ε⇔χιεντ. Ρεσεαρχη βψ Ρειδ Εωινγ οφ Φλορι−
δα Ατλαντιχ Υνιϖερσιτψ σηοωσ τηατ ηουσεηολδσ ιν τηε σπραωλ−
ινγ συβυρβσ οφ Παλµ Βεαχη Χουντψ λογ τωο τηιρδσ µορε ϖεηι−
χλε ηουρσ περ περσον τηαν χοµπαραβλε ηουσεηολδσ ιν µορε
χοµπαχτ, τραδιτιοναλ χοµµυνιτιεσ.
Σ
ελφ−χονταινεδ τοωνσ ιν ωηιχη πεοπλε λιϖε, ωορκ ανδ σηοπ
ωουλδ βε εϖεν µορε ε⇔χιεντ. Νεαρλψ α χεντυρψ αγο, το ρε−
λιεϖε Λονδον φροµ οϖερχροωδινγ, τηε πλαννερ−αρχηιτεχτ Σιρ
Εβενεζερ Ηοωαρδ ⇒ρστ αδϖανχεδ τηε ιδεα οφ βυιλδινγ σελφ−
συ⇔χιεντ σατελλιτε χοµµυνιτιεσ σεπαρατεδ βψ γρεενβελτσ ανδ
χοννεχτεδ βψ ραιλωαψσ. Τηε Βριτιση γοϖερνµεντ εµβραχεδ
Ηοωαρδ∏σ ιδεασ, βυιλδινγ τωο δοζεν συχη χοµµυνιτιεσ βε−
τωεεν 1946 ανδ 1991, ινχλυδινγ σεττλεµεντσ συχη ασ Μιλτον
Κεψνεσ ανδ Ρεδδιτχη τηατ ωερε πλαττεδ ον οπεν ⇒ελδσ.
Ιν Βριταιν, µοστ οφ τηεσε ρελατιϖελψ ψουνγ χοµµυνιτιεσ,
χαλλεδ νεω τοωνσ, αρε ηιγηλψ σελφ−χονταινεδ∇αρουνδ τωο
τηιρδσ οφ τηειρ ωορκφορχε ρεσιδεσ λοχαλλψ. Ιν νεω τοωνσ ουτ−
σιδε Στοχκηολµ ανδ Παρισ, ον τηε οτηερ ηανδ, µοστ ωορκερσ
χοµµυτε φροµ ουτσιδε τηε χοµµυνιτψ. Μορε τηαν ηαλφ δο σο
ε⇔χιεντλψ, ηοωεϖερ, βψ ραιλ. Ιν χοµπαρισον, µοστ Αµεριχαν
νεω τοωνσ, συχη ασ Χολυµβια, Μδ., ανδ Ρεστον, ςα., ρεµαιν
πρεδοµιναντλψ βεδροοµ χοµµυνιτιεσ, ποπυλατεδ βψ δριϖε−
αλονε χοµµυτερσ. Οτηερ τηαν ρεµοτε ρετιρεµεντ ενχλαϖεσ,
Αµεριχα∏σ µοστ σελφ−χονταινεδ πλαχεσ (ωιτη λοω τρανσπορτα−
τιον−φυελ χονσυµπτιον ρατεσ περ χαπιτα) αρε ιτσ δενσεστ υρβαν
χεντερσ, Μανηατταν ανδ Σαν Φρανχισχο.
Αδϖανχεσ ιν τελεχοµµυνιχατιονσ ανδ χηανγεσ ιν τηε ωαψσ
πεοπλε λιϖε ανδ ωορκ αρε νοω σταρτινγ το βρινγ σοµε οφ τηισ
σελφ−συ⇔χιενχψ το οτηερ ρεγιονσ. Τηε νυµβερ οφ χοντραχτ
ωορκερσ, σελφ−εµπλοψεδ εντρεπρενευρσ ανδ χοτταγε ινδυστριεσ
ισ ον τηε ρισε, ανδ χοµπυτερσ, µυλτιµεδια δεϖιχεσ ανδ σατελ−
λιτε χοµµυνιχατιονσ αρε ινχρεασινγλψ ωιτηιν τηε ρεαχη οφ αϖ−
εραγε χονσυµερσ. Τηε δεϖελοπµεντσ ωιλλ φοστερ ραπιδ γροωτη
ιν ηοµε−βασεδ εντερπρισεσ ιν χοµινγ ψεαρσ.
∆ιστριβυτεδ ωορκπλαχεσ ωιλλ αλσο τακε τηε φορµ οφ νειγηβορ−
ηοοδ τελεχεντερσ, εθυιππεδ ωιτη ϖιδεοχονφερενχινγ, ον−λινε
δατα−σεαρχη χαπαβιλιτιεσ, φαχσιµιλε τρανσµισσιον ανδ ϖοιχε
µαιλ, αλλοωινγ συβυρβανιτεσ το ωαλκ ορ βικε το τηειρ ϕοβσ α φεω
δαψσ α ωεεκ ανδ ωορκ ατ ηοµε τηε οτηερ δαψσ. Ιν Ορανγε
Χουντψ ανδ Σαχραµεντο, Χαλιφ., σεϖεραλ δεϖελοπερσ ηαϖε ιν−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ
χονσυµινγ φαρµλανδσ ανδ οπεν σπαχε, ανδ διρτψινγ αιρ βα−
σινσ. Ωηιτε ⇓ιγητ το τηε φρεεωαψ−λαχεδ συβυρβσ ανδ εξυρβσ
ηασ λεφτ µανψ ιννερ χιτιεσ ιν α στατε οφ νεαρ χολλαπσε ανδ δι−
ϖιδεδ βψ ραχε ανδ χλασσ. Αµεριχα∏σ ϖαστ ηιγηωαψ σψστεµ, οφ
χουρσε, ηασ ϕυστ βεεν α µεανσ το αν ενδ; ρισινγ ινχοµεσ, ρεσ−
ιδεντιαλ πρεφερενχεσ, πρεϕυδιχεσ ανδ οτηερ σοχιαλ ανδ εχο−
νοµιχ φαχτορσ µοτιϖατεδ φαµιλιεσ το ⇓εε υρβαν χεντερσ. Βψ
φαιλινγ το πασσ ον τηε τρυε σοχιαλ χοστσ το µοτοριστσ, ηοωεϖερ,
ωε ενχουραγε εξχεσσιϖε αυτο τραϖελ ανδ συβσιδιζε σπραωλ.
Τηε σο−χαλλεδ Ιντελλιγεντ Τρανσπορτατιον Σψστεµ στανδσ το
ωορσεν τηισ στατε οφ α⇑αιρσ βψ ορδερσ οφ µαγνιτυδε.
ΤΟΩΝ ΧΕΝΤΕΡ προϖιδεσ χιϖιχ φοχυσ φορ Κεντλανδσ, α πλαννεδ
χοµµυνιτψ ιν σουτηερν Μαρψλανδ. Χονϖεργενχε οφ στρεετσ
χρεατεσ µορε ρουτεσ φροµ τηε χεντερ, διστριβυτινγ τρα⇔χ. Αν−
οτηερ τενετ οφ τηε νεω υρβανιστ χρεδο ισ χλοσε σπαχινγ οφ
ηοµεσ, αλλοωινγ ρεσιδεντσ το ωαλκ το σηοπσ, παρκσ ανδ χοµ−
µυνιτψ χεντερσ ανδ το σοχιαλιζε ωιτη ονε ανοτηερ µορε εασιλψ.
χεντραλ Χολοραδο ανδ Πετερβορουγη, Ν.Η. Νοω οτηερ τοωνσ
αρε πιχκινγ υπ ον τηε τρενδ. Ιν αν ε⇑ορτ το προϖιδε λοχαλ ρεσ−
ιδεντσ ωιτη ϕοβσ ανδ το κεεπ πεοπλε φροµ λεαϖινγ, Οβερλιν,
Καν., ηασ βυιλτ α τελεχοµµυνιχατιονσ ποστ ιν ιτσ τοων χεντερ.
Στεαµβοατ Σπρινγσ, Χολο., βιλλσ ιτσελφ ασ α χοµµυνιχατιονσ
ηαϖεν, αχτιϖελψ λυρινγ προφεσσιοναλσ ωηο ωορκ ατ ηοµε. Αδ−
ϖανχεδ τεχηνολογιεσ∇συχη ασ σατελλιτε χοµµυνιχατιονσ σψσ−
τεµσ, τηε προποσεδ ινφορµατιον ηιγηωαψ ανδ ϖερψ ηιγη σπεεδ
τραινσ∇χουλδ σπαων α χονστελλατιον οφ σελφ−χονταινεδ υρβαν
ϖιλλαγεσ αχροσσ Νορτη Αµεριχα. Ρεσιδεντσ οφ τηεσε πλαχεσ
ωουλδ λοσε λεσσ οφ τηειρ τιµε ιν τρανσιτ.
Τηε παστ 150 ψεαρσ ηασ βεεν α σελφ−περπετυατινγ χψχλε οφ
υρβαν τρανσπορτατιον αδϖανχεσ ανδ δεχεντραλιζατιον. Νεω
τρανσπορτατιον τεχηνολογιεσ ηαϖε στρετχηεδ τηε ενϖελοπε οφ
υρβαν δεϖελοπµεντ, ραισινγ περ χαπιτα φυελ χονσυµπτιον,
Τηε δι⇑ερενχε βετωεεν αδϖανχινγ τηεσε χοστλψ τρανσπορ−
τατιον τεχηνολογιεσ ασ οπποσεδ το δεσιγνινγ νεω κινδσ οφ
συσταιναβλε χοµµυνιτιεσ ισ τηε δι⇑ερενχε βετωεεν αυτοµο−
βιλιτψ ανδ αχχεσσιβιλιτψ. Ενηανχινγ αυτοµοβιλιτψ∇τηε αβιλιτψ
το γετ φροµ πλαχε το πλαχε ιν τηε χονϖενιενχε οφ ονε∏σ οων
χαρ∇ισ ανδ ηασ βεεν τηε δοµιναντ παραδιγµ γυιδινγ τρανσ−
πορτατιον ινϖεστµεντσ τηρουγηουτ τηισ χεντυρψ.
Αχχεσσιβιλιτψ, ιν χοντραστ, ισ αβουτ χρεατινγ πλαχεσ τηατ ρε−
δυχε τηε νεεδ το τραϖελ ανδ, ιν σο δοινγ, ηελπ το χονσερϖε ρε−
σουρχεσ, προτεχτ τηε ενϖιρονµεντ ανδ προµοτε σοχιαλ ϕυστιχε.
Ηαϖε τεχηνολογψ, ωιλλ τραϖελ. Ηαϖε συσταιναβλε χοµµυνιτιεσ,
ωιλλ προσπερ.
ALEX S. MACLEAN Landslides
χλυδεδ ηοµε ο⇔χεσ ανδ νειγηβορηοοδ τελεχεντερσ ιν νεω
µιξεδ−υσε δεϖελοπµεντσ. Νειγηβορηοοδ χο⇑εε σηοπσ ανδ
χορνερ χαφŽσ ηαϖε αλσο οπενεδ, βεχοµινγ ωατερινγ ηολεσ
ωηερε ηοµε−βασεδ ωορκερσ σοχιαλιζε ανδ νετωορκ. Τοδαψ∏σ
χψβερκιδσ, ρεαρεδ ον τηε Ιντερνετ ανδ ιντεραχτιϖε µεδια, αρε
απτ το βε εϖεν µορε ρεχεπτιϖε το τηε ιδεα οφ ωορκινγ ατ ηοµε
ωηεν τηεψ ρεαχη αδυλτηοοδ.
Ιν ρεχεντ ψεαρσ, τεχηνολογψ ηασ αλλοωεδ α φορτυνατε µινορ−
ιτψ το λιϖε ωηερεϖερ ιτ ωαντσ. Μανψ οφ τηεσε πεοπλε∇σοφτωαρε
σπεχιαλιστσ, ινδεπενδεντ χονσυλταντσ, ωριτερσ ανδ τηε λικε∇
αρε χηοοσινγ φαιρλψ ουτ−οφ−τηε−ωαψ σποτσ, λικε Σαντε Φε, Ν.Μ.,
120
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ΡΟΒΕΡΤ ΧΕΡςΕΡΟ ισ προφεσσορ οφ χιτψ ανδ ρεγιοναλ πλαν−
νινγ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια, Βερκελεψ.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
MEDICINE
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Many diseases may be
cured with gene therapy,
and damaged organs may
be repaired or replaced
with tissue grown from
cells in the laboratory.
The new century should
also see innovative contraceptives, including,
finally, some for men.
ΧΟΝΤΕΝΤΣ
Gene Therapy
124
Artificial Organs
130
Future Contraceptives
136
Further Predictions
on Medical Progress
140
Χοµµενταρψ
An Improved Future?
142
ΗΥΜΑΝ ΧΗΡΟΜΟΣΟΜΕΣ χαρρψ τηε
γενεσ τηατ φορµ τηε βλυεπριντ φορ
εαχη περσον. Τηε παιρσ σηοων ηερε
ωερε εξτραχτεδ φροµ διϖιδινγ χελλσ
ανδ ηαϖε βεεν µαγνι⇒εδ
σοµε 35,000 τιµεσ.
Photograph by Jerome B. Rattner, University of
Calgary; color enhanced by Andrew Paul Leonard
and Laurie Grace
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
Γενε Τηεραπψ
Several hundred patients have already
received treatment. In the next century
the procedure will be commonplace
βψ Ω. Φρενχη Ανδερσον
Ο
ν Σεπτεµβερ 14, 1990, Ασηαντι
∆εΣιλϖα, βαρελψ φουρ ψεαρσ ολδ,
βεχαµε τηε ⇒ρστ πατιεντ το υν−
δεργο φεδεραλλψ αππροϖεδ γενε τηεραπψ.
Λιττλε Ασηαντι ωασ συ⇑ερινγ φροµ σεϖερε
χοµβινεδ ιµµυνοδε⇒χιενχψ (ΣΧΙ∆) βε−
χαυσε σηε ηαδ ινηεριτεδ α δεφεχτιϖε γενε
φροµ εαχη παρεντ. Τηε γενε ιν θυεστιον
νορµαλλψ γιϖεσ ρισε το αν ενζψµε, αδεν−
οσινε δεαµινασε, νεεδεδ φορ προπερ
φυνχτιον οφ τηε ιµµυνε σψστεµ. Ωιτη−
ουτ τηισ χριτιχαλ ενζψµε, Ασηαντι∏σ ιµ−
µυνε σψστεµ σηυτ δοων, λεαϖινγ ηερ
ϖυλνεραβλε το α ηοστ οφ ινφεχτιονσ.
Τηε τρεατµεντ Ασηαντι ρεχειϖεδ ωασ
χαρριεδ ουτ ατ τηε Νατιοναλ Ινστιτυτεσ οφ
Ηεαλτη βψ α τεαµ χοµποσεδ οφ Ρ. Μι−
χηαελ Βλαεσε, Κεννετη Ω. Χυλϖερ, µψσελφ
ανδ σεϖεραλ οτηερσ. Ωε ρεµοϖεδ ωηιτε
βλοοδ χελλσ οφ τηε ιµµυνε σψστεµ φροµ
ηερ βοδψ, ινσερτεδ νορµαλ χοπιεσ οφ τηε
δεφεχτιϖε γενε ιντο τηε χολλεχτιον ανδ
1 Viral genes are replaced by a diseasecorrecting gene, and the resulting material is fit
into a carrier shell derived from a virus.
CORRECTIVE GENE
CARRIER
τηεν ρετυρνεδ τηε τρεατεδ χελλσ το ηερ
χιρχυλατιον. Τηε εξπεριµεντ ωεντ ωελλ.
Αφτερ Ασηαντι ρεχειϖεδ φουρ ινφυσιονσ
οϖερ φουρ µοντησ, ηερ χονδιτιον ιµ−
προϖεδ. Ωιτη τηε ηελπ οφ οχχασιοναλ φολ−
λοω−υπ τρεατµεντσ, σηε ηασ νοω βεεν
τρανσφορµεδ φροµ α θυαραντινεδ λιττλε
γιρλ, ωηο ωασ αλωαψσ σιχκ ανδ λεφτ τηε
ηουσε ονλψ το ϖισιτ ηερ δοχτορ, ιντο α
ηεαλτηψ, ϖιβραντ νινε−ψεαρ−ολδ ωηο λοϖεσ
λιφε ανδ δοεσ εϖερψτηινγ.
Τηε νεω τεχηνολογψ οφ γενε τηεραπψ
προµισεσ το ρεϖολυτιονιζε µεδιχινε ιν
τηε νεξτ χεντυρψ. Οϖερ τηε χουρσε οφ ηισ−
τορψ, τηερε ηαϖε βεεν τηρεε γρεατ λεαπσ
ιν ουρ αβιλιτψ το πρεϖεντ ανδ τρεατ δισ−
εασεσ. Ωηεν σοχιετψ βεγαν τακινγ συχη
πυβλιχ ηεαλτη µεασυρεσ ασ εσταβλισηινγ
σανιτατιον σψστεµσ, ϖαστ νυµβερσ οφ
πεοπλε ωερε προτεχτεδ φροµ δεϖαστατινγ
ινφεχτιονσ. Νεξτ, συργερψ ωιτη ανεστηεσια
εναβλεδ δοχτορσ φορ τηε ⇒ρστ τιµε αχτυ−
αλλψ το χυρε αν ιλλνεσσ. ( Ιφ σοµεονε ηασ
αν ιν⇓αµεδ αππενδιξ, φορ εξαµπλε, ρε−
µοϖαλ οφ τηε οργαν σολϖεσ τηε προβλεµ
φορ λιφε.) Ιντροδυχτιον οφ ϖαχχινεσ ανδ
αντιβιοτιχσ υσηερεδ ιν τηε τηιρδ ρεϖολυ−
τιον, µακινγ ιτ εασψ το πρεϖεντ ορ χορρεχτ
µανψ δισεασεσ σπρεαδ βψ µιχροβεσ.
Γενε τηεραπψ ωιλλ χονστιτυτε α φουρτη
ρεϖολυτιον βεχαυσε δελιϖερψ οφ σελεχτεδ
γενεσ ιντο α πατιεντ∏σ χελλσ χαν ποτεντιαλ−
λψ χυρε ορ εασε τηε ϖαστ µαϕοριτψ οφ δισ−
ορδερσ, ινχλυδινγ µανψ τηατ ηαϖε σο φαρ
ρεσιστεδ τρεατµεντ. Ιφ τηισ νοτιον σεεµσ
συρπρισινγ, χονσιδερ τηατ αλµοστ εϖερψ
ιλλνεσσ αρισεσ ιν παρτ βεχαυσε ονε ορ
µορε γενεσ αρε νοτ φυνχτιονινγ προπερ−
λψ. Γενεσ γιϖε ρισε το προτεινσ (τηε µαιν
ωορκερσ οφ χελλσ), ανδ δεφεχτιϖε γενεσ
MOLECULES THAT BIND
ONLY TO SELECTED
CELL TYPES
VIRAL
SEQUENCE
TUMOR
2 A solution containing the gene
carriers is injected into a patient’s
bloodstream.
BLO
ODS
TRE
AM
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
χαν ψιελδ δισεασε ωηεν τηεψ χαυσε χελλσ
το µακε τηε ωρονγ αµουντ οφ α προτειν
ορ αν αβερραντ φορµ οφ ιτ.
Μορε τηαν 4,000 χονδιτιονσ, συχη ασ
ΣΧΙ∆ ανδ χψστιχ ⇒βροσισ, αρε χαυσεδ βψ
ινβορν δαµαγε το α σινγλε γενε. Μανψ
οτηερ αιλµεντσ∇τηε σχουργεσ οφ χανχερ,
ηεαρτ δισεασε, ΑΙ∆Σ, αρτηριτισ ανδ σενιλι−
τψ, φορ εξαµπλε∇ρεσυλτ το αν εξτεντ φροµ
ιµπαιρµεντ οφ ονε ορ µορε γενεσ ιν−
ϖολϖεδ ιν τηε βοδψ∏σ δεφενσεσ. Τηεσε
δεφενσεσ, αλλ οφ ωηιχη ρεθυιρε γενετιχαλ−
λψ σπεχι⇒εδ προτεινσ, ινϖολϖε νοτ ονλψ
τηε ιµµυνε σψστεµ βυτ αλσο τηε βοδψ∏σ
µεχηανισµσ φορ µαινταινινγ ιτσελφ. Φορ
εξαµπλε, λιϖερ χελλσ µανυφαχτυρε προ−
τεινσ τηατ ηελπ χλεαρ χηολεστερολ φροµ
τηε βλοοδ. Ιφ αν ιµπερφεχτιον ιν τηε γενε
φορ τηισ προτειν λεαδσ το α ρεδυχτιον ιν
τηε αβυνδανχε ορ ε⇔χιενχψ οφ τηε προ−
τειν, τηε ρεσυλτ µαψ βε ηιγη χηολεστερολ
λεϖελσ, ατηεροσχλεροσισ ανδ ηεαρτ δισεασε.
Τοδαψ υνδερστανδινγ οφ τηε πρεχισε
γενετιχ βασεσ φορ µανψ δισεασεσ ισ στιλλ
σκετχηψ, βυτ τηατ κνοωλεδγε ωιλλ ινχρεασε
ΦΥΤΥΡΕ ΑΠΠΡΟΑΧΗ το γενε τηεραπψ
ωιλλ αλλοω δοχτορσ το τρεατ µανψ δισεασ−
εσ βψ ινϕεχτινγ νεεδεδ γενεσ διρεχτλψ
ιντο τηε βλοοδστρεαµ. Τηε γενεσ ωιλλ βε
χονταινεδ ιν ϖιραλ χαρριερσ τηατ σεεκ ουτ
ταργετεδ χελλσ∇συχη ασ τυµορ χελλσ∇
ανδ βψπασσ αλλ οτηερσ. Ωηεν τηε χαρρι−
ερσ ρεαχη τηειρ ταργετσ, τηεψ ωιλλ υνλοαδ
τηειρ γενετιχ µατεριαλ, ωηιχη ωιλλ τηεν
γιϖε ρισε το α ηελπφυλ προτειν (συχη ασ
ονε αβλε το κιλλ α µαλιγναντ χελλ ).
5 The corrective gene
directs synthesis of a
protein that will kill the
tumor cell.
THERAPEUTIC
PROTEIN
MESSENGER RNA
TUMOR CELL
4 The carriers transfer the
corrective gene to the target
cells. The gene is converted
from a single strand to a
double strand and
incorporated into the DNA of
the target cells.
3 The gene carriers home to the
target cells in a tumor.
TUMOR CELL
BINDING SITE
DNA
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
GEORGE V. KELVIN
RECEPTOR
FOR CARRIER
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
125
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
Ηοω Γενε Τηεραπψ Ωορκσ
Τ
ο δελιϖερ χορρεχτιϖε γενεσ το δαµ−
αγεδ χελλσ, ρεσεαρχηερσ ηαϖε δεϖελ−
οπεδ σεϖεραλ µετηοδσ φορ τρανσπορτινγ
γενετιχ µατεριαλ. Τηε µοστ ε⇑εχτιϖε
τεχηνιθυε εµπλοψσ µοδι⇒εδ ϖιρυσεσ ασ
συχη χαρριερσ. ςιρυσεσ αρε υσεφυλ ιν παρτ
ιν ορδερ το χοµπενσατε φορ α δεφεχτιϖε
γενε. ( Τηε γενεσ δο νοτ αλωαψσ ηαϖε το
βε ⇒τ ιντο α πατιεντ∏σ χηροµοσοµεσ το
βε ηελπφυλ; τηεψ σιµπλψ ηαϖε το συρϖιϖε
ανδ γιϖε ρισε το τηεραπευτιχ λεϖελσ οφ
τηε σπεχι⇒εδ προτειν.) Πηψσιχιανσ µαψ
αλσο ιντροδυχε α πυρποσελψ αλτερεδ γενε
ιν ορδερ το γιϖε α χελλ α νεω προπερτψ.
Φορ εξαµπλε, σεϖεραλ γρουπσ αρε ινϖεσ−
τιγατινγ συχη α τρεατµεντ φορ πατιεντσ
ινφεχτεδ ωιτη τηε ηυµαν ιµµυνοδε⇒−
χιενχψ ϖιρυσ (ΗΙς), τηε χαυσε οφ ΑΙ∆Σ. Ιν
τηισ τηεραπψ, χοπιεσ οφ α γενε τηατ ιντερ−
φερεσ ωιτη ρεπλιχατιον οφ ΗΙς αρε ινσερτ−
εδ ιντο τηε πατιεντ∏σ βλοοδ χελλσ, ωηερε
τηεψ χαν ποτεντιαλλψ ηαλτ προγρεσσ οφ τηε
δισεασε. Εϖεντυαλλψ, πηψσιχιανσ µιγητ
εϖεν δελιϖερ γενεσ το πρεϖεντ χερταιν
µεδιχαλ χονδιτιονσ. Ινστεαδ οφ ωαιτινγ
φορ α ωοµαν ωηο ισ συσχεπτιβλε το
βρεαστ χανχερ το βεχοµε ιλλ, φορ εξαµπλε,
ερατιονσ ιναδϖερτεντλψ, βυτ δελιβερατε
αππλιχατιον οφ γερµ−χελλ γενε τηεραπψ
ωουλδ οπεν α Πανδορα∏σ βοξ οφ ετηιχαλ
χονχερνσ τηατ φεω ινϖεστιγατορσ αρε
ωιλλινγ το χονφροντ υντιλ µυχη µορε ισ
κνοων αβουτ σοµατιχ−χελλ γενε τηεραπψ.
Ρεχεντ Προγρεσσ
Ρ
εσεαρχηερσ ηαϖε δεϖελοπεδ σεϖεραλ
αππροαχηεσ το γενε τηεραπψ ον σο−
µατιχ χελλσ. Τηε µοστ χοµµονλψ υσεδ
τεχηνιθυε, κνοων ασ εξ ϖιϖο (ορ ουτ−
σιδε τηε λιϖινγ βοδψ) τηεραπψ, ισ τηε
κινδ ωε υσεδ φορ Ασηαντι: χελλσ ωιτη δε−
φεχτιϖε γενεσ αρε ρεµοϖεδ φροµ τηε πα−
τιεντ ανδ γιϖεν νορµαλ χοπιεσ οφ τηε αφ−
φεχτεδ ∆ΝΑ βεφορε βεινγ ρετυρνεδ το τηε
βοδψ. Τηισ τηεραπψ ηασ γενεραλλψ ταργετ−
εδ βλοοδ χελλσ βεχαυσε µανψ γενετιχ δε−
φεχτσ αλτερ τηε φυνχτιονινγ οφ ονε τψπε οφ
JESSICA BOYATT
ενορµουσλψ ιν τηε νεξτ φεω δεχαδεσ. Βψ
τηε ψεαρ 2000, σχιεντιστσ ωορκινγ ον τηε
Ηυµαν Γενοµε Προϕεχτ σηουλδ ηαϖε
δετερµινεδ τηε χηροµοσοµαλ λοχατιον
οφ, ανδ δεχιπηερεδ παρτσ οφ τηε ∆ΝΑ
χοδε ιν, µορε τηαν 99 περχεντ οφ αχτιϖε
ηυµαν γενεσ. Ανδ ρεσεαρχη αιµεδ ατ
υνχοϖερινγ τηε φυνχτιον οφ εαχη γενε
ωιλλ βε προγρεσσινγ ραπιδλψ. Συχη ινφορ−
µατιον σηουλδ µακε ιτ ποσσιβλε το
ιδεντιφψ τηε γενεσ τηατ µαλφυνχτιον ιν
ϖαριουσ δισεασεσ.
ΑΣΗΑΝΤΙ ∆ΕΣΙΛςΑ, τηε ⇒ρστ ρεχιπιεντ οφ φεδεραλλψ αππροϖεδ γενε τηεραπψ, ωασ τρεατ−
εδ φορ α λετηαλ ινηεριτεδ χονδιτιον χαλλεδ σεϖερε χοµβινεδ ιµµυνοδε⇒χιενχψ ωηεν
σηε ωασ φουρ ψεαρσ ολδ. Ωιτη ηελπ φροµ οχχασιοναλ βοοστερ τρεατµεντσ, σηε ηασ
γροων ιντο α ηεαλτηψ, αχτιϖε νινε−ψεαρ−ολδ.
βεχαυσε τηεψ αρε νατυραλλψ αβλε το πεν−
ετρατε χελλσ, ινσερτινγ τηε γενετιχ µατε−
ριαλ τηεψ χονταιν ιντο τηειρ νεω ηοστ.
Βεφορε ϖιρυσεσ χαν βε υσεδ ιν τηεραπψ,
ηοωεϖερ, γενεσ χοδινγ φορ προτεινσ τηατ
ϖιρυσεσ υσε το ρεπροδυχε ανδ το χαυσε
δισεασε µυστ βε ρεµοϖεδ. Ωηεν τηοσε
γενεσ αρε ρεπλαχεδ ωιτη α χορρεχτιϖε
γενε, ονε ηασ α δελιϖερψ σψστεµ τηατ ισ
ιδεντιχαλ το τηε οριγιναλ ϖιρυσ ον τηε
ουτσιδε ανδ χαν τρανσπορτ υσεφυλ γενεσ
ιντο χελλσ βυτ χαννοτ χαυσε ιλλνεσσ.
Πηψσιχιανσ χαν αππλψ γενε τηεραπψ ιν
ειτηερ οφ τωο ωαψσ. Ασ ωασ δονε ιν
Ασηαντι∏σ χασε, τηεψ µαψ ινσερτ α ηεαλτηψ
χοπψ οφ α γενε ιντο τηε πατιεντ∏σ χελλσ
126
δοχτορσ µιγητ προϖιδε ηερ ωιτη προτεχ−
τιϖε γενεσ ωηιλε σηε ισ στιλλ ηεαλτηψ.
Φορ τηε νεξτ δεχαδε, γενε δελιϖερψ ισ
µοστ λικελψ το βε περφορµεδ ονλψ ον
σοµατιχ χελλσ, ωηιχη χονσιστ οφ αλλ χελλ
τψπεσ εξχεπτ σπερµ, εγγσ ανδ τηειρ πρε−
χυρσορσ. Γενετιχ αλτερατιον οφ σοµατιχ
χελλσ α⇑εχτσ ονλψ τηε πατιεντ υνδεργο−
ινγ τρεατµεντ. Ιν τηεορψ, γενε τηεραπψ
χουλδ αλσο βε αππλιεδ το τηε ρεπροδυχ−
τιϖε, ορ γερµ, χελλσ. Μοδι⇒χατιον οφ τηεσε
χελλσ ωουλδ α⇑εχτ αλλ δεσχενδαντσ οφ τηε
οριγιναλ πατιεντ. Μανψ ασπεχτσ οφ µοδ−
ερν λιφε, συχη ασ τοβαχχο σµοκινγ ανδ
εξποσυρε το ραδιατιον, µαψ ωελλ αλτερ
τηε γενετιχ µακευπ οφ συβσεθυεντ γεν−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
τηεσε χελλσ ορ ανοτηερ. Βυτ βλοοδ χελλσ
ηαϖε λιµιτεδ λιφε σπανσ. Τηυσ, χορρεχτεδ
χελλσ σλοωλψ δισαππεαρ, ανδ περιοδιχ
τρεατµεντσ αρε τψπιχαλλψ ρεθυιρεδ.
Φυτυρε ε⇑ορτσ ωιλλ µοστ λικελψ ταργετ
τηε στεµ χελλσ οφ τηε βονε µαρροω: τηε
ιµµατυρε χελλσ τηατ γιϖε ρισε το τηε φυλλ
αρραψ οφ βλοοδ χελλσ ιν τηε χιρχυλατιον
ανδ τηατ ρεπλενιση βλοοδ χελλσ ασ νεεδ−
εδ. Στεµ χελλσ αρε ιδεαλ ταργετσ φορ γενε
τηεραπψ βεχαυσε τηεψ αππεαρ το βε ιµ−
µορταλ : τηεψ συρϖιϖε ασ λονγ ασ τηε πα−
τιεντ λιϖεσ. Ηενχε, τηεψ χονστιτυτε α περ−
µανεντ ρεσερϖοιρ φορ αν ινσερτεδ γενε.
Αλτηουγη σχιεντιστσ ηαϖε βεεν αβλε το
οβταιν στεµ χελλσ φροµ ηυµαν βονε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
µαρροω, τηεψ αρε ηαϖινγ δι⇔χυλτψ γετ−
τινγ γενεσ ιντο τηεσε ελυσιϖε χελλσ ασ ωελλ
ασ ινδυχινγ τηε χελλσ το προδυχε µανψ
νεω βλοοδ χελλσ ιν τηε βοδψ. Αδϖανχεσ
αρε βεινγ µαδε, ηοωεϖερ. ϑυστ τηισ ψεαρ
α τεαµ λεδ βψ ∆οναλδ Β. Κοην ατ Χηιλ−
δρεν∏σ Ηοσπιταλ ιν Λοσ Ανγελεσ αν−
νουνχεδ τηατ τηρεε νεωβορνσ α⇐ιχτεδ
ωιτη ΣΧΙ∆ ωηο ωερε τρεατεδ βψ ινσερτ−
ινγ γενεσ ιντο τηειρ στεµ χελλσ αρε νοω
τηριϖινγ τωο−ψεαρ−ολδσ. Τηειρ βλοοδ χελλσ
αρε προδυχινγ τηε χριτιχαλ ενζψµε τηεψ
λαχκεδ ατ βιρτη. Βεχαυσε ψουνγ ινφαντσ
γροω ραπιδλψ, τηειρ στεµ χελλσ αρε θυιτε
αχτιϖε. Ιν ολδερ πατιεντσ, τηουγη, στεµ
χελλσ προδυχε νεω βλοοδ χελλσ µορε σλοω−
λψ. Φορτυνατελψ, τηε προβλεµ ισ τραχταβλε.
Ινϖεστιγατορσ ιν µανψ λαβορατοριεσ αρε
µακινγ γοοδ προγρεσσ τοωαρδ ισολατινγ
τηε χηεµιχαλσ τηε βοδψ ιτσελφ υσεσ το
τριγγερ στεµ χελλ διϖισιον. Ι εξπεχτ τηατ
βψ τηε βεγιννινγ οφ τηε 21στ χεντυρψ,
τηε στεµ χελλ προβλεµ ωιλλ βε ρεσολϖεδ.
Α σεχονδ, ρεασοναβλψ ωελλ δεϖελοπεδ
µετηοδ οφ σοµατιχ−χελλ γενε τηεραπψ ισ
χαλλεδ ιν σιτυ (ορ ιν ποσιτιον) τρεατ−
µεντ. Ιν τηισ προχεδυρε, χαρριερσ βεαρ−
ινγ χορρεχτιϖε γενεσ αρε ιντροδυχεδ δι−
ρεχτλψ ιντο τηε τισσυε ωηερε τηε γενεσ
αρε νεεδεδ. Τηισ προχεδυρε µακεσ σενσε
ωηεν α χονδιτιον ισ λοχαλιζεδ, βυτ ιτ χαν−
νοτ χορρεχτ σψστεµιχ δισορδερσ.
Ιν σιτυ τρεατµεντ ισ βεινγ εξπλορεδ φορ
σεϖεραλ δισεασεσ. Ιν τηε χασε οφ χψστιχ ⇒−
βροσισ, ωηιχη ιµπαιρσ τηε λυνγσ, ωορκ−
ερσ ηαϖε ιντροδυχεδ γενε χαρριερσ χον−
ταινινγ ηεαλτηψ χοπιεσ οφ τηε χψστιχ ⇒−
βροσισ γενε ιντο τηε λινινγ οφ τηε
βρονχηιαλ τυβεσ. Ασ α ⇒ρστ στεπ τοωαρδ
τρεατινγ µυσχυλαρ δψστροπηψ, οτηερ ρε−
σεαρχηερσ ηαϖε ινϕεχτεδ α γενε διρεχτλψ
ιντο µυσχλε τισσυε ιν ανιµαλσ το ινϖεσ−
τιγατε τηε ποσσιβιλιτψ οφ ρεενγινεερινγ
τηε βοδψ το µακε νορµαλ µυσχλε προ−
τεινσ. Σεϖεραλ τεαµσ ηαϖε ινσερτεδ συι−
χιδε χαρριερσ ιντο τυµορσ; τηεσε χαρρι−
ερσ χονταιν α γενε ιντενδεδ το µακε
χανχερ χελλσ χοµµιτ συιχιδε ωηεν τρεατ−
εδ ωιτη χερταιν χηεµοτηεραπψ δρυγσ.
Ιν σιτυ τηεραπψ ισ στιλλ ηαµπερεδ βψ α
λαχκ οφ σαφε ανδ ε⇑εχτιϖε ωαψσ φορ ιµ−
πλαντινγ χορρεχτεδ γενεσ ιντο ϖαριουσ ορ−
γανσ. Φυρτηερ, ασ ισ τρυε οφ εξ ϖιϖο τηερα−
πψ, τηε γενεσ δο νοτ αλωαψσ ψιελδ γοοδ
θυαντιτιεσ οφ τηε ενχοδεδ προτεινσ. Αλσο,
τηε αλτερεδ χελλσ αρε ραρελψ ιµµορταλ∇
ανδ σο τηε υσεφυλ γενεσ περιση ωηεν τηε
χελλσ τηατ ηουσε τηεµ διε. Φιναλλψ, ιν
βοτη εξ ϖιϖο ανδ ιν σιτυ τηεραπψ, ονχε
γενεσ εντερ χελλσ, τηεψ χαν ινσερτ τηεµ−
σελϖεσ ρανδοµλψ ιντο τηε ∆ΝΑ οφ χηρο−
µοσοµεσ. Συχη ινσερτιον χαν βε ηαρµ−
λεσσ; ατ τιµεσ, ηοωεϖερ, ιτ µαψ ηαϖε σερι−
ουσ χονσεθυενχεσ. Ιφ, φορ εξαµπλε, τηε
χορρεχτιϖε γενεσ δισρυπτ τυµορ συππρεσ−
128
∆ισεασεσ
Βεινγ Τρεατεδ
ιν Χλινιχαλ
Τριαλσ οφ Γενε
Τηεραπψ
ουτ ονλψ ιν µαϕορ µεδιχαλ
χεντερσ. Βυτ ιν χοντραστ το
σοµε προχεδυρεσ, συχη ασ
ηεαρτ τρανσπλαντατιον, τηατ
ωιλλ αλωαψσ βε εξπενσιϖε,
Βεττερ Μετηοδσ το Χοµε
γενε τηεραπψ σηουλδ υλτι−
•Cancer
τηιρδ χλασσ οφ τρεατ−
µατελψ βεχοµε σιµπλερ ανδ
(melanoma, renal
cell, ovarian,
µεντσ, κνοων ασ ιν
λεσσ χοστλψ. Ινδεεδ, ωιτηιν
neuroblastoma,
20 ψεαρσ, Ι εξπεχτ τηατ γενε
ϖιϖο (ορ ιν τηε λιϖινγ βοδψ)
brain, head and
τηεραπψ ωιλλ βε υσεδ ρεγυ−
τηεραπψ, δοεσ νοτ εξιστ το−
neck, lung, liver,
λαρλψ το αµελιορατε∇ανδ
δαψ, βυτ ιτ ισ τηε τηεραπψ οφ
breast, colon,
εϖεν χυρε∇µανψ αιλµεντσ.
τηε φυτυρε. Πηψσιχιανσ ωιλλ
prostate, meso Νο δισχυσσιον οφ γενε
σιµπλψ ινϕεχτ γενε χαρριερσ
thelioma, leukemia,
τηεραπψ ισ χοµπλετε ωιτη−
ιντο τηε βλοοδστρεαµ, ιν
lymphoma, multiουτ µεντιον οφ ιτσ ετηιχαλ
µυχη τηε ωαψ µανψ δρυγσ
ple myeloma)
ιµπλιχατιονσ. Ωηεν ωε ηαϖε
αρε αδµινιστερεδ νοω.
τηε τεχηνιχαλ αβιλιτψ το προ−
Ονχε ιν τηε βοδψ, τηε χαρρι−
•SCID
ϖιδε α γενε φορ χορρεχτινγ α
ερσ ωιλλ ⇒νδ τηειρ ταργετ
•Cystic fibrosis
λετηαλ ιλλνεσσ, ωε αλσο ηαϖε
χελλσ (ωηιλε ιγνορινγ οτηερ
•Gaucher’s disease
τηε αβιλιτψ το προϖιδε α γενε
χελλ τψπεσ) ανδ τρανσφερ
φορ λεσσ νοβλε πυρποσεσ.
τηειρ γενετιχ ινφορµατιον
•Familial hyperΤηερε ισ τηυσ α ρεαλ δανγερ
ε⇔χιεντλψ ανδ σαφελψ.
cholesterolemia
τηατ ουρ σοχιετψ χουλδ σλιπ
Γοοδ προγρεσσ ηασ βεεν
•Hemophilia
ιντο α νεω ερα οφ ευγενιχσ.
µαδε τοωαρδ ενσυρινγ τηατ
Ιτ ισ ονε τηινγ το γιϖε α νορ−
ϖεχτορσ ωιλλ ηοµε το σπεχιφ−
•Purine nucleoside
µαλ εξιστενχε το α σιχκ ιν−
ιχ χελλ τψπεσ. Βυτ ωορκερσ
phosphorylase
διϖιδυαλ; ιτ ισ ανοτηερ το ατ−
ηαϖε ηαδ λεσσ συχχεσσ χρε−
deficiency
τεµπτ το ιµπροϖε ον νορ−
ατινγ δελιϖερψ υνιτσ τηατ χαν
•Alpha -1
µαλ∇ωηατεϖερ νορµαλ
ε⇔χιεντλψ ινσερτ τηειρ γε−
antitrypsin
µεανσ. Ανδ τηε σιτυατιον
νετιχ παψλοαδ ιντο τηε ταρ−
deficiency
ωιλλ βε εϖεν µορε δανγερ−
γετ χελλσ ορ ελυδε α πατιεντ∏σ
•Fanconi’s anemia
ουσ ωηεν ωε βεγιν το αλτερ
ιµµυνε σψστεµ ανδ οτηερ
γερµ χελλσ. Τηεν µισγυιδ−
δεφενσεσ λονγ ενουγη το
•Hunter’s syndrome
εδ ορ µαλεϖολεντ αττεµπτσ
ρεαχη τηειρ δεστινατιον. Τηε
•Chronic granulo το αλτερ τηε γενετιχ χοµποσι−
ονγοινγ χονχερν αβουτ ραν−
matous disease
τιον οφ ηυµανσ χουλδ χαυσε
δοµλψ ινσερτεδ ∆ΝΑ σεγ−
προβλεµσ φορ γενερατιονσ.
µεντσ ρεµαινσ α προβλεµ
•Rheumatoid
Ουρ σοχιετψ ωεντ ιντο τηε
ασ ωελλ. ∆εσπιτε τηεσε ηυρ−
arthritis
αγε οφ νυχλεαρ ενεργψ βλινδ−
δλεσ, Ι αµ οπτιµιστιχ τηατ βψ
•Peripheral
λψ, ανδ ωε ωεντ ιντο τηε
2000 µανψ σολυτιονσ ωιλλ
vascular disease
αγε οφ ∆∆Τ ανδ οτηερ πεσ−
ηαϖε βεεν φουνδ, ανδ εαρλψ
•AIDS
τιχιδεσ βλινδλψ. Βυτ ωε χαν−
ϖερσιονσ οφ ινϕεχταβλε ϖεχ−
νοτ α⇑ορδ το γο ιντο τηε
τορσ τηατ ταργετ σπεχι⇒χ
αγε οφ γενετιχ ενγινεερινγ
χελλσ ωιλλ βε ιν χλινιχαλ τριαλσ.
Ασιδε φροµ τηε τεχηνιχαλ χηαλλενγεσ βλινδλψ. Ινστεαδ ωε µυστ µοϖε ιντο τηισ
τηατ ωιλλ ηαϖε το βε οϖερχοµε βεφορε εξχιτινγ νεω ερα ωιτη αν αωαρενεσσ τηατ
γενε τηεραπψ οφ ανψ κινδ ωιλλ βε ρουτινε, γενε τηεραπψ χαν βε υσεδ φορ εϖιλ ασ ωελλ
τηερε ισ τηε προβλεµ οφ χοστ. Φορ τηε ασ φορ γοοδ. Ασ ωε ρεαπ τηε βενε⇒τσ οφ
νεξτ σεϖεραλ ψεαρσ, εαρλψ τριαλσ ωιλλ χον− τηισ τεχηνολογψ, ωε µυστ ρεµεµβερ ιτσ
τινυε το βε εξπενσιϖε ανδ το βε χαρριεδ πιτφαλλσ ανδ ρεµαιν ϖιγιλαντ.
σορ γενεσ, ωηιχη νορµαλλψ
προτεχτ τηε βοδψ αγαινστ τυ−
µορσ, χανχερ µαψ ρεσυλτ.
Α
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
Ω. ΦΡΕΝΧΗ ΑΝ∆ΕΡΣΟΝ ισ διρεχτορ οφ τηε
Γενε Τηεραπψ Λαβορατοριεσ ανδ προφεσσορ οφ
βιοχηεµιστρψ ανδ πεδιατριχσ ατ τηε Υνιϖερσι−
τψ οφ Σουτηερν Χαλιφορνια Σχηοολ οφ Μεδιχινε.
Ηε ρεχειϖεδ αν Α.Β. φροµ Ηαρϖαρδ Χολλεγε ιν
1958, αν Μ.Α. φροµ Χαµβριδγε Υνιϖερσιτψ ιν
1960 ανδ ρετυρνεδ το Ηαρϖαρδ το χοµπλετε
ηισ Μ.∆. ιν 1963. Βεφορε µοϖινγ το Υ.Σ.Χ., ηε
σπεντ 27 ψεαρσ ατ τηε Νατιοναλ Ινστιτυτεσ οφ
Ηεαλτη, ωηερε ηε στυδιεδ γενε τρανσφερ ανδ
γενε εξπρεσσιον ιν µαµµαλσ.
ΤΗΕ ΕΤΗΙΧΣ ΟΦ ΗΥΜΑΝ ΓΕΝΕ ΤΗΕΡΑΠΨ. Λε−
Ροψ Ωαλτερσ ιν Νατυρε, ςολ. 320, παγεσ
225∠227; Μαρχη 20, 1986.
ΗΥΜΑΝ ΓΕΝΕ ΤΗΕΡΑΠΨ. Ω. Φ. Ανδερσον ιν Σχι−
ενχε, ςολ. 256, παγεσ 808∠813; Μαψ 8, 1992.
ΓΕΝΕ ΤΗΕΡΑΠΨ: Α ΗΑΝ∆ΒΟΟΚ ΦΟΡ ΠΗΨΣΙ−
ΧΙΑΝΣ. Κεννετη Ω. Χυλϖερ. Μαρψ Ανν Λιεβ−
ερτ, Ινχ., Πυβλισηερσ, 1994.
ΑΛΤΕΡΕ∆ ΦΑΤΕΣ: ΓΕΝΕ ΤΗΕΡΑΠΨ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΡΕ−
ΤΟΟΛΙΝΓ ΟΦ ΗΥΜΑΝ ΛΙΦΕ. ϑε⇑ Λψον ανδ Πετερ
Γορνερ. Ω. Ω. Νορτον, 1995.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
Αρτι⇒χιαλ Οργανσ
Engineering artificial tissue is the natural
successor to treatments for injury and disease.
But the engineers will be the body’s own cells
βψ Ροβερτ Λανγερ ανδ ϑοσεπη Π. ςαχαντι
Ι
ν τηε τηιρδ−χεντυρψ λεγενδ οφ Σαιντσ
Χοσµοσ ανδ ∆αµιαν, τηε λεγ οφ α
ρεχεντλψ δεχεασεδ Μοοριση σερϖαντ
ισ τρανσπλαντεδ οντο α Ροµαν χλεριχ
ωηοσε οων λιµβ ηασ ϕυστ βεεν αµπυ−
τατεδ. Τηε χλεριχ∏σ λιφε ηανγσ ιν τηε βαλ−
ανχε, βυτ τηε τρανσπλαντ τακεσ, ανδ τηε
χλεριχ λιϖεσ. Τηε µιραχυλουσ χυρε ισ ατ−
τριβυτεδ το τηε ιντερϖεντιον οφ τηε σαιντ−
λψ βροτηερσ, βοτη πηψσιχιανσ, ωηο ωερε
µαρτψρεδ ιν Α.∆. 295. Ωηατ ωασ χονσιδ−
ερεδ µιραχυλουσ ιν ονε ερα µαψ βεχοµε
µερελψ ρεµαρκαβλε ιν ανοτηερ. Συργεονσ
ηαϖε βεεν περφορµινγ ρειµπλαντατιον οφ
σεϖερεδ αππενδαγεσ φορ αλµοστ τηρεε
δεχαδεσ νοω, ανδ τρανσπλαντσ οφ οργανσ
συχη ασ τηε ηεαρτ, λιϖερ ανδ κιδνεψ αρε
χοµµον∇σο χοµµον, ιν φαχτ, τηατ τηε
µαιν οβσταχλε το τρανσπλαντατιον λιεσ
νοτ ιν συργιχαλ τεχηνιθυε βυτ ιν αν εϖερ
ωορσενινγ σηορταγε οφ τηε δονατεδ ορ−
γανσ τηεµσελϖεσ.
Ιν τηε νεξτ τηρεε δεχαδεσ, µεδιχαλ σχι−
130
ενχε ωιλλ µοϖε βεψονδ τηε πραχτιχε οφ
τρανσπλαντατιον ανδ ιντο τηε ερα οφ φαβρι−
χατιον. Τηε ιδεα ισ το µακε οργανσ, ρατη−
ερ τηαν σιµπλψ το µοϖε τηεµ. Αδϖανχ−
εσ ιν χελλ βιολογψ ανδ πλαστιχ µανυφαχ−
τυρε ηαϖε αλρεαδψ εναβλεδ ρεσεαρχηερσ
το χονστρυχτ αρτι⇒χιαλ τισσυεσ τηατ λοοκ
ανδ φυνχτιον λικε τηειρ νατυραλ χουντερ−
παρτσ. Γενετιχ ενγινεερινγ µαψ προδυχε
υνιϖερσαλ δονορ χελλσ∇χελλσ τηατ δο νοτ
προϖοκε ρεϕεχτιον βψ τηε ιµµυνε σψσ−
τεµ∇φορ υσε ιν τηεσε ενγινεερεδ τισ−
συεσ. Βριδγινγ τεχηνολογιεσ µαψ σερϖε
ασ ιντερµεδιατε στεπσ βεφορε συχη φαβ−
ριχατιον βεχοµεσ χοµµονπλαχε. Τρανσ−
πλαντατιον οφ οργανσ φροµ ανιµαλσ, φορ
εξαµπλε, µαψ ηελπ αλλεϖιατε τηε προβλεµ
οφ οργαν σηορταγε. Σεϖεραλ αππροαχηεσ
υνδερ ινϖεστιγατιον ινϖολϖε ειτηερ βρεεδ−
ινγ ανιµαλσ ωηοσε τισσυεσ ωιλλ βε ιµ−
µυνολογιχαλλψ αχχεπτεδ ιν ηυµανσ ορ
δεϖελοπινγ δρυγσ το αλλοω τηε αχχεπ−
τανχε οφ τηεσε τισσυεσ. Αλτερνατιϖελψ, µι−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
χροελεχτρονιχσ µαψ ηελπ βριδγε τηε γαπ
βετωεεν τηε νεω τεχηνολογιεσ ανδ τηε
ολδ. Τηε ρεσυλτσ ωιλλ βρινγ ραδιχαλ χηανγ−
εσ ιν τηε τρεατµεντ οφ α ηοστ οφ δεϖασ−
τατινγ χονδιτιονσ.
Μιλλιονσ οφ Αµεριχανσ συ⇑ερ οργαν
ανδ τισσυε λοσσ εϖερψ ψεαρ φροµ αχχι−
δεντσ, βιρτη δεφεχτσ ανδ δισεασεσ συχη
ασ χανχερ. Ιν τηε λαστ ηαλφ οφ τηισ χεντυρψ,
ιννοϖατιϖε δρυγσ, συργιχαλ προχεδυρεσ
ανδ µεδιχαλ δεϖιχεσ ηαϖε γρεατλψ ιµ−
προϖεδ τηε χαρε οφ τηεσε πατιεντσ. Ιµ−
µυνοσυππρεσσιϖε δρυγσ συχη ασ χψχλο−
σπορινε ανδ ταχρολιµυσ ( Προγραφ ) πρε−
ϖεντ ρεϕεχτιον οφ τρανσπλαντεδ τισσυε;
µινιµαλλψ ινϖασιϖε συργιχαλ τεχηνιθυεσ
συχη ασ λαπαροσχοπψ ηαϖε ρεδυχεδ τραυ−
µα; ανδ διαλψσισ ανδ ηεαρτ−λυνγ µα−
χηινεσ συσταιν πατιεντσ ωηοσε χονδι−
τιονσ ωουλδ οτηερωισε βε φαταλ.
Ψετ τηεσε τρεατµεντσ αρε ιµπερφεχτ
ανδ οφτεν ιµπαιρ τηε θυαλιτψ οφ λιφε. Τηε
χοντρολ οφ διαβετεσ ωιτη ινσυλιν σηοτσ,
φορ εξαµπλε, ισ ονλψ παρτλψ συχχεσσφυλ.
Ινϕεχτιον οφ τηε ηορµονε ινσυλιν ονχε
ορ σεϖεραλ τιµεσ α δαψ ηελπσ τηε χελλσ οφ
διαβετιχσ το τακε υπ τηε συγαρ γλυχοσε
(α χριτιχαλ σουρχε οφ ενεργψ) φροµ τηε
βλοοδ. Βυτ τηε αππροπριατε ινσυλιν δοσ−
αγε φορ εαχη πατιεντ µαψ ϖαρψ ωιδελψ
φροµ δαψ το δαψ ανδ εϖεν ηουρ το ηουρ.
Οφτεν αµουντσ χαννοτ βε δετερµινεδ
πρεχισελψ ενουγη το µαινταιν βλοοδ συγ−
αρ λεϖελσ ιν τηε νορµαλ ρανγε ανδ τηυσ
το πρεϖεντ χοµπλιχατιονσ οφ τηε δισεασε
λατερ ιν λιφε∇χονδιτιονσ συχη ασ βλινδ−
νεσσ, κιδνεψ φαιλυρε ανδ ηεαρτ δισεασε.
Ιννοϖατιϖε ρεσεαρχη ιν βιοσενσορ δε−
σιγν ανδ δρυγ δελιϖερψ µαψ σοµεδαψ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
µακε ινσυλιν ινϕεχτιονσ οβσολετε. Ιν
µανψ διαβετιχσ, τηε δισεασε ισ χαυσεδ
βψ τηε δεστρυχτιον ιν τηε πανχρεασ οφ
σο−χαλλεδ ισλετ τισσυε, ωηιχη προδυχεσ
ινσυλιν. Ιν οτηερ πεοπλε, τηε πανχρεασ
µακεσ ινσυλιν, βυτ νοτ ενουγη το µεετ
τηε βοδψ∏σ δεµανδσ. Ιτ ισ ποσσιβλε το
ενϖισιον α δεϖιχε τηατ ωουλδ φυνχτιον
λικε τηε πανχρεασ, χοντινυουσλψ µονι−
τορινγ γλυχοσε λεϖελσ ανδ σεχρετινγ τηε
αππροπριατε αµουντ οφ ινσυλιν ιν ρε−
σπονσε. Τηε δεϖιχε χουλδ βε ιµπλαντεδ
ορ ωορν εξτερναλλψ.
Αν Αρτι⇒χιαλ Πανχρεασ
Μ
υχη οφ τηε τεχηνολογψ φορ αν εξτερ−
ναλ γλυχοσε σενσορ τηατ µιγητ βε
ωορν λικε α ωατχη αλρεαδψ εξιστσ [σεε ιλ−
λυστρατιον ον παγε 133 ]. Ρεχεντ στυδιεσ
ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχη−
νολογψ, τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια ατ
Σαν Φρανχισχο ανδ ελσεωηερε ηαϖε σηοων
τηατ τηε περµεαβιλιτψ οφ τηε σκιν χαν
τεµποραριλψ βε ινχρεασεδ βψ ελεχτριχ
⇒ελδσ ορ λοω−φρεθυενχψ υλτρασονιχ ωαϖεσ,
αλλοωινγ µολεχυλεσ συχη ασ γλυχοσε το
βε δραων φροµ τηε βοδψ. Τηε αµουντ
οφ γλυχοσε εξτραχτεδ ιν τηισ ωαψ χαν βε
µεασυρεδ βψ ρεαχτιον ωιτη αν ενζψµε
συχη ασ γλυχοσε οξιδασε, ορ λιγητ σενσορσ
χουλδ δετεχτ τηε αβσορβανχε οφ γλυχοσε
ιν τηε βλοοδ.
Τηεσε σενσινγ δεϖιχεσ χουλδ βε χου−
πλεδ ϖια µιχροπροχεσσορσ το α ποωερ
υνιτ τηατ ωουλδ πασσ ινσυλιν τηρουγη τηε
σκιν ανδ ιντο τηε βλοοδστρεαµ βψ τηε
σαµε µεανσ τηατ τηε συγαρ ωασ δραων
ουτ. Τηε ινστρυµεντ ωουλδ ρελεασε ιν−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
συλιν ιν προπορτιον το τηε αµουντ οφ
γλυχοσε δετεχτεδ.
Αν ιµπλανταβλε δεϖιχε µαδε οφ α
σεµιπερµεαβλε πλαστιχ χουλδ αλσο βε
µαδε. Τηε ιµπλαντ, ωηιχη χουλδ βε ιν−
σερτεδ ατ ανψ οφ σεϖεραλ δι⇑ερεντ σιτεσ
ιν τηε βοδψ, ωουλδ ηαϖε τηε φορµ οφ α
µατριξ χαρρψινγ ρεσερϖοιρσ οφ ινσυλιν ανδ
γλυχοσε οξιδασε. Ασ α πατιεντ∏σ γλυχοσε
λεϖελ ροσε, τηε συγαρ ωουλδ δι⇑υσε ιντο
τηε µατριξ ανδ ρεαχτ ωιτη τηε ενζψµε,
γενερατινγ α βρεακδοων προδυχτ τηατ ισ
αχιδιχ. Τηε ινχρεασε ιν αχιδιτψ ωουλδ αλ−
τερ ειτηερ τηε περµεαβιλιτψ οφ τηε πλαστιχ
ορ τηε σολυβιλιτψ οφ τηε ηορµονε στορεδ
ωιτηιν ιτ, ρεσυλτινγ ιν α ρελεασε οφ ινσυ−
λιν προπορτιοναλ το τηε ρισε ιν γλυχοσε.
Συχη αν ιµπλαντ χουλδ λαστ α λιφετιµε,
βυτ ιτσ στορεσ οφ γλυχοσε οξιδασε ανδ
ινσυλιν ωουλδ ηαϖε το βε ρεπλενισηεδ.
Τηε ιδεαλ ιµπλαντ ωουλδ βε ονε µαδε
οφ ηεαλτηψ ισλετ χελλσ τηεµσελϖεσ. Τηατ
ισ τηε ρατιοναλε βεηινδ ισλετ χελλ τρανσ−
πλαντατιον [σεε Τρεατινγ ∆ιαβετεσ ωιτη
Τρανσπλαντεδ Χελλσ, βψ Παυλ Ε. Λαχψ; ΣΧΙ−
ΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, ϑυλψ ]. Ινϖεστιγατορσ
αρε ωορκινγ ον µετηοδσ το ιµπροϖε τηε
συρϖιϖαλ οφ τηε ιµπλαντσ, βυτ τηε προβ−
λεµ οφ συππλψ ρεµαινσ. Ασ ισ τηε χασε
ωιτη αλλ τρανσπλανταβλε οργανσ, τηε δε−
µανδ φορ ηυµαν πανχρεασ τισσυε φαρ
ουτστριπσ τηε αϖαιλαβιλιτψ. Χονσεθυεντλψ,
ρεσεαρχηερσ αρε εξπλορινγ ωαψσ το υσε
ισλετσ φροµ ανιµαλσ. Τηεψ αρε αλσο
στυδψινγ ωαψσ το χρεατε ισλετ τισσυε, νοτ
θυιτε φροµ σχρατχη, βυτ φροµ χελλσ τακεν
φροµ τηε πατιεντ, α χλοσε ρελατιϖε ορ α
βανκ οφ υνιϖερσαλ δονορ χελλσ. Τηε χελλσ
χουλδ βε µυλτιπλιεδ ουτσιδε τηε βοδψ
ανδ τηεν ρετυρνεδ το τηε πατιεντ.
Σπιννινγ Πλαστιχ ιντο Τισσυε
Μ
ανψ στρατεγιεσ ιν τηε ⇒ελδ οφ τισσυε
ενγινεερινγ δεπενδ ον τηε µανιπ−
υλατιον οφ υλτραπυρε, βιοδεγραδαβλε πλασ−
τιχσ ορ πολψµερσ συιταβλε ασ συβστρατεσ
φορ χελλ χυλτυρε ανδ ιµπλαντατιον. Τηεσε
πολψµερσ ποσσεσσ βοτη χονσιδεραβλε
µεχηανιχαλ στρενγτη ανδ α ηιγη συρφαχε−
το−ϖολυµε ρατιο. Μανψ αρε δεσχενδαντσ
οφ τηε δεγραδαβλε συτυρεσ ιντροδυχεδ
τωο δεχαδεσ αγο. Υσινγ χοµπυτερ−αιδεδ
δεσιγν ανδ µανυφαχτυρινγ µετηοδσ, ρε−
σεαρχηερσ ωιλλ σηαπε τηε πλαστιχσ ιντο ιν−
τριχατε σχα⇑ολδινγ βεδσ τηατ µιµιχ τηε
στρυχτυρε οφ σπεχι⇒χ τισσυεσ ανδ εϖεν
οργανσ. Τηε σχα⇑ολδσ ωιλλ βε τρεατεδ
ΡΕΠΛΑΧΕΜΕΝΤ ΑΡΜ ΑΝ∆ ΗΑΝ∆ ωιλλ σοµεδαψ βε φαβριχατεδ οφ αρτι⇒χιαλ τισσυεσ.
Τηε στρυχτυρε οφ εαχη σψστεµ∇µυσχλε, βονε, βλοοδ ϖεσσελσ, σκιν ανδ σο ον∇ωουλδ
βε δυπλιχατεδ ιν βιοδεγραδαβλε πλαστιχ. Τηεσε σχα⇑ολδσ ωουλδ τηεν βε σεεδεδ
ωιτη χελλσ οφ τηε ρελεϖαντ τισσυε. Τηε χελλσ διϖιδε, ανδ τηε πλαστιχ δεγραδεσ; ⇒ναλλψ,
ονλψ χοηερεντ τισσυε ρεµαινσ. Α µεχηανιχαλ πυµπ ωουλδ προϖιδε νυτριεντσ ανδ ρε−
µοϖε ωαστεσ υντιλ τηε αρµ, ωηιχη ωουλδ τακε ρουγηλψ σιξ ωεεκσ το γροω, χαν βε ατ−
ταχηεδ το τηε βοδψ. Μοστ οφ τηισ τεχηνολογψ ισ αλρεαδψ ιν πλαχε. Τηε ρεµαινινγ ηυρ−
δλε ισ ρεγενερατιον οφ νερϖε τισσυε. (∆επιχτιον οφ α γραδιεντ οφ φορµατιον ισ φορ ιλ−
λυστρατιϖε πυρποσεσ; αλλ τηε τισσυε ωουλδ ιν φαχτ φορµ ατ τηε σαµε τιµε.)
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
131
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
ΣΧΑΦΦΟΛ∆ΙΝΓ ηασ βεεν χον−
στρυχτεδ το προϖιδε α τεµ−
πλατε φορ φορµατιον οφ νεω
τισσυε (σηοων ενλαργεδ, φροµ
τοπ το βοττοµ, ×200, ×500,
×1,000 ). Τηε βιοδεγραδαβλε
πλαστιχ ηασ βεεν σεεδεδ ωιτη
χελλσ, ωηιχη διϖιδε ανδ
ασσεµβλε υντιλ τηεψ χοϖερ
µοστ οφ τηε στρυχτυρε. Εϖεν−
τυαλλψ, τηε πλαστιχ δεγραδεσ,
λεαϖινγ ονλψ τισσυε.
132
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
DAVID J. MOONEY
ωιτη χοµπουνδσ τηατ ηελπ
χελλσ αδηερε ανδ µυλτιπλψ,
τηεν σεεδεδ ωιτη χελλσ. Ασ
τηε χελλσ διϖιδε ανδ ασσεµ−
βλε, τηε πλαστιχ δεγραδεσ. Φι−
ναλλψ, ονλψ χοηερεντ τισσυε ρε−
µαινσ. Τηε νεω, περµανεντ
τισσυε ωιλλ τηεν βε ιµπλαντεδ
ιν τηε πατιεντ.
Τηισ αππροαχη ηασ αλρεαδψ
βεεν δεµονστρατεδ ιν ανι−
µαλσ, µοστ ρεχεντλψ ωηεν ουρ
γρουπ ενγινεερεδ αρτι⇒χιαλ
ηεαρτ ϖαλϖεσ ιν λαµβσ φροµ
χελλσ δεριϖεδ φροµ τηε ανι−
µαλσ∏ βλοοδ ϖεσσελσ [σεε
Ηαϖε α Ηεαρτ, Σχιενχε ανδ
τηε
Χιτιζεν,
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ
ΑΜΕΡΙΧΑΝ, ϑυνε]. ∆υρινγ τηε
παστ σεϖεραλ ψεαρσ, ηυµαν
σκιν γροων ον πολψµερ συβ−
στρατεσ ηασ βεεν γραφτεδ οντο
βυρν πατιεντσ ανδ τηε φοοτ
υλχερσ οφ διαβετιχ πατιεντσ,
ωιτη σοµε συχχεσσ. Τηε επι−
δερµαλ λαψερ οφ τηε σκιν µαψ
βε ρεϕεχτεδ ιν χερταιν χασεσ,
βυτ τηε δεϖελοπµεντ οφ υνι−
ϖερσαλ−δονορ επιδερµαλ χελλσ
ωιλλ ελιµινατε τηατ προβλεµ.
Εϖεντυαλλψ, ωηολε οργανσ
συχη ασ κιδνεψσ ανδ λιϖερσ
ωιλλ βε δεσιγνεδ, φαβριχατεδ
ανδ τρανσφερρεδ το πατιεντσ.
Αλτηουγη ιτ µαψ σεεµ υνλικε−
λψ τηατ α φυλλψ φυνχτιοναλ ορ−
γαν χουλδ γροω φροµ α φεω
χελλσ ον α πολψµερ φραµε, ουρ
ρεσεαρχη ωιτη ηεαρτ ϖαλϖεσ
συγγεστσ τηατ χελλσ αρε ρε−
µαρκαβλψ αδεπτ ατ οργανιζ−
ινγ τηε ρεγενερατιον οφ τηειρ
τισσυε οφ οριγιν. Τηεψ αρε αβλε
το χοµµυνιχατε ιν τηρεε−δι−
µενσιοναλ χυλτυρε υσινγ τηε
σαµε εξτραχελλυλαρ σιγναλσ
τηατ γυιδε τηε δεϖελοπµεντ
οφ οργανσ ιν υτερο. Ωε ηαϖε
γοοδ ρεασον το βελιεϖε τηατ,
γιϖεν τηε αππροπριατε ινιτιαλ
χονδιτιονσ, τηε χελλσ τηεµ−
σελϖεσ ωιλλ χαρρψ ουτ τηε συβ−
τλερ δεταιλσ οφ οργαν ρεχον−
στρυχτιον. Συργεονσ ωιλλ νεεδ
ονλψ το ορχηεστρατε τηε ορ−
γανσ∏ χοννεχτιονσ ωιτη πα−
τιεντσ∏ νερϖεσ, βλοοδ ϖεσσελσ
ανδ λψµπη χηαννελσ.
Σιµιλαρλψ, ενγινεερεδ στρυχ−
τυραλ τισσυε ωιλλ ρεπλαχε τηε
πλαστιχ ανδ µεταλ προστηεσεσ
υσεδ τοδαψ το ρεπαιρ δαµαγε
το βονεσ ανδ ϕοιντσ. Τηεσε λιϖ−
ινγ ιµπλαντσ ωιλλ µεργε σεαµ−
λεσσλψ ωιτη τηε συρρουνδινγ
τισσυε, ελιµινατινγ προβλεµσ
συχη ασ ινφεχτιον ανδ λοοσεν−
ινγ ατ τηε ϕοιντ τηατ πλαγυε
χοντεµποραρψ
προστηεσεσ.
Χοµπλεξ, χυστοµιζεδ σηαπεσ
συχη ασ νοσεσ ανδ εαρσ χαν
βε γενερατεδ ιν πολψµερ χον−
στρυχτσ βψ χοµπυτερ−αιδεδ
χοντουρ µαππινγ ανδ τηε
λοαδινγ οφ χαρτιλαγε χελλσ οντο
τηε χονστρυχτσ; ινδεεδ, τηεσε
φορµσ ηαϖε βεεν µαδε ανδ
ιµπλαντεδ ιν ανιµαλσ ιν ουρ
λαβορατοριεσ. Οτηερ στρυχτυραλ
τισσυεσ, ρανγινγ φροµ υρε−
τηραλ τυβεσ το βρεαστ τισσυε,
χαν βε φαβριχατεδ αχχορδινγ
το τηε σαµε πρινχιπλε. Αφτερ
µαστεχτοµψ, χελλσ τηατ αρε
γροων ον βιοδεγραδαβλε πολψ−
µερσ ωουλδ βε αβλε το προ−
ϖιδε α χοµπλετελψ νατυραλ ρε−
πλαχεµεντ φορ τηε βρεαστ.
Υλτιµατελψ, τισσυε ενγινεερ−
ινγ ωιλλ προδυχε χοµπλεξ
βοδψ παρτσ συχη ασ ηανδσ ανδ
αρµσ [σεε ιλλυστρατιον ον πρε−
χεδινγ τωο παγεσ ]. Τηε στρυχ−
τυρε οφ τηεσε παρτσ χαν αλ−
ρεαδψ βε δυπλιχατεδ ιν πολψ−
µερ σχαφφολδινγ, ανδ µοστ οφ
τηε ρελεϖαντ τισσυε τψπεσ∇
µυσχλε, βονε, χαρτιλαγε, τεν−
δον, λιγαµεντσ ανδ σκιν∇
γροω ρεαδιλψ ιν χυλτυρε. Α µε−
χηανιχαλ βιορεαχτορ σψστεµ
χουλδ βε δεσιγνεδ το προϖιδε
νυτριεντσ, εξχηανγε γασεσ, ρε−
µοϖε ωαστε ανδ µοδυλατε
τεµπερατυρε ωηιλε τηε τισσυεσ
µατυρε. Τηε ονλψ ρεµαινινγ
οβσταχλε το συχη αν αχχοµ−
πλισηµεντ ισ τηε ρεσιστανχε οφ
νερϖουσ τισσυε το ρεγενερα−
τιον. Σο φαρ νο ονε ηασ συχ−
χεεδεδ ιν γροωινγ ηυµαν
νερϖε χελλσ. Βυτ α γρεατ δεαλ
οφ ρεσεαρχη ισ βεινγ δεϖοτεδ
το τηισ προβλεµ, ανδ µανψ ιν−
ϖεστιγατορσ αρε χον⇒δεντ τηατ
ιτ ωιλλ βε οϖερχοµε.
Ιν τηε µεαντιµε, ιννοϖατιϖε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
BATTERY
ELECTRONICS
BIOSENSOR
SKIN
PUMP
GLUCOSE
RECEIVER
JARED SCHNEIDMAN/JSD
INSULIN
RESERVOIR
RELEASED INSULIN
GLUCOSE MOLECULES
ΙΝΣΥΛΙΝ−∆ΕΛΙςΕΡΨ ΣΨΣΤΕΜ (αβοϖε) ον τηε δραωινγ βοαρδσ φορ δι−
αβετιχσ ωουλδ βε ωορν λικε α ωατχη. Ελεχτριχ ⇒ελδσ ορ λοω−φρεθυενχψ
υλτρασουνδ ωουλδ τεµποραριλψ ινχρεασε τηε περµεαβιλιτψ οφ τηε σκιν,
αλλοωινγ γλυχοσε µολεχυλεσ το βε ωιτηδραων φροµ τηε βλοοδστρεαµ. Α
σενσορ ωουλδ πασσ ινσυλιν βαχκ τηρουγη τηε σκιν ιν προπορτιον το τηε
αµουντ οφ γλυχοσε δετεχτεδ. Γλυχοσε−σενσινγ σψστεµσ, σοµετηινγ λικε τηε
προτοτψπε ατ τηε ριγητ, αρε εξπεχτεδ το σταρτ χλινιχαλ τριαλσ ιν 1996; ινσυλιν−
δελιϖερψ τεχηνολογψ ισ ατ αν εαρλιερ σταγε.
µιχροελεχτρονιχ δεϖιχεσ µαψ συβστιτυτε
φορ ιµπλαντσ οφ ενγινεερεδ νερϖουσ τισ−
συε. Φορ εξαµπλε, α µιχροχηιπ ιµπλαντ
µαψ σοµεδαψ βε αβλε το ρεστορε σοµε
ϖισιον το πεοπλε ωηο ηαϖε βεεν βλινδεδ
βψ δισεασεσ οφ τηε ρετινα, τηε σενσορψ
µεµβρανε τηατ λινεσ τηε εψε. Ιν τωο οφ
τηε µορε χοµµον ρετιναλ δισεασεσ, ρετ−
ινιτισ πιγµεντοσα ανδ µαχυλαρ δεγεν−
ερατιον, τηε λιγητ−ρεχειϖινγ γανγλιον χελλσ
οφ τηε ρετινα αρε δεστροψεδ, βυτ τηε υν−
δερλψινγ νερϖεσ τηατ τρανσµιτ ιµαγεσ
φροµ τηοσε χελλσ το τηε βραιν ρεµαιν ιν−
ταχτ ανδ φυνχτιοναλ.
Ιννοϖατιϖε Ελεχτρονιχσ
Α
ν υλτρατηιν χηιπ, πλαχεδ συργιχαλλψ ατ
τηε βαχκ οφ τηε εψε, χουλδ ωορκ ιν
χονϕυνχτιον ωιτη α µινιατυρε χαµερα το
στιµυλατε τηε νερϖεσ τηατ τρανσµιτ ιµ−
αγεσ. Τηε χαµερα ωουλδ ⇒τ ον α παιρ οφ
εψεγλασσεσ; α λασερ ατταχηεδ το
τηε χαµερα ωουλδ βοτη ποωερ
τηε χηιπ ανδ σενδ ιτ ϖισυαλ ινφορ−
µατιον ϖια αν ινφραρεδ βεαµ.
Τηε µιχροχηιπ ωουλδ τηεν εξχιτε
τηε ρετιναλ νερϖε ενδινγσ µυχη
ασ ηεαλτηψ χελλσ δο, προδυχινγ τηε
σενσατιον οφ σιγητ. Ατ Μ.Ι.Τ. ανδ
τηε Μασσαχηυσεττσ Εψε ανδ Εαρ Ιν−
⇒ρµαρψ, ρεχεντ εξπεριµεντσ ιν
ραββιτσ ωιτη α προτοτψπε οφ τηισ
ϖισιον χηιπ ηαϖε σηοων τηατ
συχη α δεϖιχε χαν στιµυλατε τηε
γανγλιον χελλσ, ωηιχη τηεν σενδ
σιγναλσ το τηε βραιν. Ρεσεαρχηερσ
ωιλλ ηαϖε το ωαιτ υντιλ τηε χηιπ ηασ
βεεν ιµπλαντεδ ιν ηυµανσ το κνοω
ωηετηερ τηοσε σιγναλσ αππροξιµατε τηε
εξπεριενχε οφ σιγητ.
Μεχηανιχαλ δεϖιχεσ ωιλλ αλσο χοντινυε
το πλαψ α παρτ ιν τηε δεσιγν οφ αρτι⇒χιαλ
οργανσ, ασ τηεψ ηαϖε ιν τηισ χεντυρψ.
Τηεψ ωιλλ βε χριτιχαλ χοµπονεντσ ιν,
σαψ, χονστρυχτιον οφ τηε σο−χαλλεδ αρτι−
⇒χιαλ ωοµβ. Ιν τηε παστ φεω δεχαδεσ,
µεδιχαλ σχιενχε ηασ µαδε χονσιδερ−
αβλε προγρεσσ ιν τηε χαρε οφ πρεµατυρε
ινφαντσ. Χυρρεντ λιφε−συππορτ σψστεµσ
χαν συσταιν βαβιεσ ατ 24 ωεεκσ οφ γεσ−
τατιον; τηειρ νυτριτιοναλ νεεδσ αρε µετ
τηρουγη ιντραϖενουσ φεεδινγ, ανδ ϖεν−
τιλατορσ ηελπ τηεµ το βρεατηε.
Ψουνγερ ινφαντσ χαννοτ συρϖιϖε,
πριµαριλψ βεχαυσε τηειρ ιµµατυρε
λυνγσ αρε υναβλε το βρεατηε αιρ.
Α στεριλε, ⇓υιδ−⇒λλεδ αρτι⇒χιαλ
ωοµβ ωουλδ ιµπροϖε συρϖιϖαλ
ρατεσ φορ τηεσε νεωβορνσ.
Τηε βαβιεσ ωουλδ βρεατηε λιθ−
υιδσ χαλλεδ περ⇓υοροχαρβονσ,
ωηιχη χαρρψ οξψγεν ανδ χαρ−
βον διοξιδε ιν ηιγη χονχεντρα−
τιονσ. Περ⇓υοροχαρβονσ χαν βε
ινηαλεδ ανδ εξηαλεδ ϕυστ ασ αιρ ισ.
Α πυµπ ωουλδ µαινταιν χοντινυ−
ουσ χιρχυλατιον οφ τηε ⇓υιδ, αλλοω−
ινγ φορ γασ εξχηανγε. Λιθυιδ βρεατη−
ινγ µορε χλοσελψ ρεσεµβλεσ τηε
υτερινε ενϖιρονµεντ τηαν δο τραδι−
τιοναλ ϖεντιλατορσ ανδ ισ µυχη εασι−
ερ ον τηε ρεσπιρατορψ τραχτ. Ινδεεδ,
νεω ωορκ ον υσινγ λιθυιδ ϖεντιλα−
τιον ιν αδυλτσ ωιτη ινϕυρεδ λυνγσ ισ
υνδερ ωαψ. Λιθυιδ−ϖεντιλατιον σψσ−
τεµσ φορ ολδερ βαβιεσ αρε χυρρεντλψ
ιν χλινιχαλ τριαλσ. Συχη σψστεµσ ωιλλ
βε υσεδ το συσταιν ψουνγερ βαβιεσ
ωιτηιν α δεχαδε ορ σο.
Ιν αδδιτιον το α γασ−εξχηανγε απ−
παρατυσ, τηε ωοµβ ωουλδ βε
εθυιππεδ ωιτη ⇒λτερινγ δεϖιχεσ το
ρεµοϖε τοξινσ φροµ τηε λιθυιδ. Νυ−
τριτιον ωουλδ βε δελιϖερεδ ιντρα−
ϖενουσλψ, ασ ιτ ισ νοω. Τηε ωοµβ
ωουλδ προϖιδε α σελφ−χονταινεδ
σψστεµ ιν ωηιχη δεϖελοπµεντ ανδ
γροωτη χουλδ προχεεδ νορµαλλψ υντιλ
τηε βαβψ∏σ σεχονδ βιρτη. Φορ µοστ
πρεµατυρε βαβιεσ, συχη συππορτ ωουλδ
βε ενουγη το ενσυρε συρϖιϖαλ. Τηε δε−
ϖελοπινγ χηιλδ ισ, αφτερ αλλ, τηε υλτιµατε
τισσυε ενγινεερ.
CYGNUS THERAPEUTIC SYSTEMS
DISPLAY
OF GLUCOSE LEVEL
Τηε Αυτηορσ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΡΟΒΕΡΤ ΛΑΝΓΕΡ ανδ ϑΟΣΕΠΗ Π. ςΑΧΑΝΤΙ ηαϖε βεεν χολλαβορατινγ φορ αλ−
µοστ 20 ψεαρσ ον τηε προβλεµσ οφ οργαν φαιλυρε ανδ ρεχονστρυχτιϖε συργερψ.
Μοστ ρεχεντλψ, τηειρ αττεντιον ηασ τυρνεδ το τισσυε ενγινεερινγ. Λανγερ φο−
χυσεσ ον τηε ενγινεερινγ ασπεχτσ οφ τηε ρεσεαρχη; ςαχαντι ισ µορε χον−
χερνεδ ωιτη τηε τισσυε. Λανγερ, ωηοσε οτηερ µαϕορ ρεσεαρχη ιντερεστ ισ δρυγ−
δελιϖερψ σψστεµσ, ισ τηε Κεννετη ϑ. Γερµεσηαυσεν Προφεσσορ οφ Χηεµιχαλ
ανδ Βιοµεδιχαλ Ενγινεερινγ ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ.
ςαχαντι ισ ασσοχιατε προφεσσορ οφ συργερψ ατ Ηαρϖαρδ Μεδιχαλ Σχηοολ ανδ δι−
ρεχτορ οφ τηε Λαβορατορψ φορ Τρανσπλαντατιον ανδ Τισσυε Ενγινεερινγ ατ
Χηιλδρεν∏σ Ηοσπιταλ.
ΝΕΩ ΜΕΤΗΟ∆Σ ΟΦ ∆ΡΥΓ ∆ΕΛΙςΕΡΨ. Ροβερτ Λανγερ ιν Σχιενχε,
ςολ. 249, παγεσ 1527∠1533; Σεπτεµβερ 28, 1990.
ΤΙΣΣΥΕ ΕΝΓΙΝΕΕΡΙΝΓ. Ροβερτ Λανγερ ανδ ϑοσεπη Π. ςαχαντι ιν
Σχιενχε, ςολ. 260, παγεσ 920∠926; Μαψ 14, 1993.
∆ΕΣΙΓΝ ΑΝ∆ ΦΑΒΡΙΧΑΤΙΟΝ ΟΦ ΒΙΟ∆ΕΓΡΑ∆ΑΒΛΕ ΠΟΛΨΜΕΡ ∆Ε−
ςΙΧΕΣ ΤΟ ΕΝΓΙΝΕΕΡ ΤΥΒΥΛΑΡ ΤΙΣΣΥΕΣ. ∆. ϑ. Μοονεψ, Γ. Ορ−
γαν, ϑ. ςαχαντι ανδ Ρ. Λανγερ ιν Χελλ Τρανσπλαντατιον, ςολ. 3,
Νο. 2, παγεσ 203∠210; 1994.
ΕΝςΙΣΙΟΝΙΝΓ ΑΝ ΑΡΤΙΦΙΧΙΑΛ ΡΕΤΙΝΑ. Ωαδε Ρουση ιν Σχιενχε,
ςολ. 268, παγεσ 637∠638; Μαψ 5, 1995.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
133
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
Φυτυρε
Χοντραχεπτιϖεσ
λψ 1.6 µιλλιον οφ τηε αππροξιµατελψ 6.4
µιλλιον ωοµεν ωηο βεχοµε πρεγναντ
ελεχτ το ηαϖε αν αβορτιον.
Τηε ιδεαλ χοντραχεπτιϖε ωουλδ βε ηιγη−
λψ ε⇑εχτιϖε, σαφε, λονγ−αχτινγ βυτ ρεαδιλψ
ρεϖερσιβλε, ϖιρτυαλλψ φρεε οφ σιδε ε⇑εχτσ
ανδ αππλιεδ σοµετιµε οτηερ τηαν ϕυστ
βεφορε σεξ. Ιτ ωουλδ αλσο ρεδυχε τηε
σπρεαδ οφ σεξυαλλψ τρανσµιττεδ δισεασεσ
ανδ βε ινεξπενσιϖε. Νο προδυχτ υνδερ
στυδψ τοδαψ χαν µεετ αλλ τηεσε χριτερια,
βυτ σεϖεραλ αππροαχηεσ τηατ χουλδ βε ον
τηε µαρκετ ιν τηε ⇒ρστ τηιρδ οφ τηε 21στ
χεντυρψ ωουλδ µεετ µοστ οφ τηεµ.
Vaccines for men and women will eventually
join new implants, better spermicides and
stronger, thinner condoms
Βεψονδ Χονδοµσ φορ Μεν
βψ Νανχψ ϑ. Αλεξανδερ
Ω
ιτη α ρανγε οφ χοντραχεπτιϖεσ
αλρεαδψ αϖαιλαβλε, αρε νεω ονεσ
εϖεν νεχεσσαρψ ? Αβσολυτελψ.
Αµονγ τηοσε ωηο πραχτιχε βιρτη χοντρολ
( ινχλυδινγ µορε τηαν ηαλφ τηε ωορλδ∏σ
χουπλεσ), δισσατισφαχτιον ωιτη χυρ−
ρεντ µετηοδσ ισ ηιγη. Τηισ
PLASMA MEMBRANE
ACROSOME
Ρ
υνηαππινεσσ οφτεν λεαδσ το µισυσε ορ
αβανδονµεντ οφ οτηερωισε ε⇑εχτιϖε απ−
προαχηεσ ανδ τηυσ χοντριβυτεσ σιγνι⇒−
χαντλψ το ηιγη ρατεσ οφ αχχιδενταλ πρεγ−
νανχψ ανδ οφ αβορτιον. Ιν τηε Υ.Σ., µορε
τηαν ηαλφ οφ αλλ πρεγνανχιεσ εϖερψ
ψεαρ αρε υνιντενδεδ, ανδ ρουγη−
Substances that bind
to certain proteins on the
sperm surface could block
attachment to the egg’s coat
ιγητ νοω τηε ονλψ χοντραχεπτιϖε δε−
ϖιχε σολδ φορ µεν ισ τηε χονδοµ.
Ονχε, µεν χοϖερεδ τηε πενισ ωιτη ανι−
µαλ βλαδδερσ ανδ λενγτησ οφ ιντεστινεσ.
Λατερ, τηε αδϖεντ οφ λατεξ αλλοωεδ υνι−
φορµ προδυχτσ το βε µαδε, βυτ µανψ
µεν χλαιµ τηε σηεατησ ρεδυχε τηειρ σεξ−
υαλ πλεασυρε. Το αδδρεσσ τηισ ποωερφυλ
δετερρεντ το υσε, µανυφαχτυρερσ ηαϖε
ρεχεντλψ ιντροδυχεδ α στρονγ, τηιν πολψ−
Chemicals that disrupt the protective
actions of antioxidants could cause
sperm to decay
PROTEIN THAT
BINDS TO
EGG’S COAT
NUCLEUS
CALCIUM
SPERM HEAD
ANTIOXIDANT
MIDPIECE
TOMO NARASHIMA
Agents that
block removal
of cholesterol
from the
sperm plasma
membrane
could render
sperm unable
to penetrate
the egg’s coat
CHOLESTEROL
CALCIUM
CHANNEL
Drugs that block
calcium ions from entering
the sperm head could render
sperm unable to penetrate
the egg’s coat
TAIL
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
βψ τηε Ωορλδ Ηεαλτη Οργανιζατιον, δε−
ριϖεσ φροµ τηε ⇒νδινγ τηατ χιρχυλατινγ
ανδρογενσ ινστρυχτ τηε βραιν το δαµπ−
εν σεχρετιον οφ γοναδοτροπιν−ρελεασινγ
ηορµονε ανδ τηυσ οφ λυτεινιζινγ ηορ−
µονε ανδ φολλιχλε−στιµυλατινγ ηορµονε.
Α δραωβαχκ ισ τηατ ηιγη λεϖελσ οφ ανδρο−
γενσ ιν τηε χιρχυλατιον προδυχε τρου−
βλινγ σιδε ε⇑εχτσ∇νοταβλψ, ινχρεασεδ ιρ−
ριταβιλιτψ, λοωερεδ λεϖελσ οφ ηιγη−δενσιτψ
λιποπροτεινσ (τηε γοοδ κινδ οφ χηολεσ−
τερολ ) ανδ ινχρεασεδ αχνε. Φορτυνατελψ,
αδδινγ α προγεστιν (α σψντηετιχ φορµ οφ
τηε φεµαλε στεροιδ προγεστερονε) σεεµσ
το αλλοω µεν το τακε α λοωερ ανδρογεν
δοσε, αν ιννοϖατιον τηατ σηουλδ ελιµι−
νατε σιδε ε⇑εχτσ ανδ βε σαφερ τηαν τακ−
ινγ αν ανδρογεν αλονε. Τηε χοµβινα−
τιον τρεατµεντ ωιλλ προβαβλψ ο⇑ερ τηρεε
µοντησ οφ προτεχτιον ανδ σηουλδ βε
ρεαδψ ιν αβουτ α δεχαδε. Τηισ λαγ τιµε
µαψ σεεµ συρπρισινγ, βυτ δεϖελοπµεντ
οφ ανψ νεω χοντραχεπτιϖε τεχηνολογψ
τακεσ 10 το 20 ψεαρσ.
Ασ αν αλτερνατιϖε, ονε χουλδ βλοχκ τηε
αχτιϖιτψ οφ γοναδοτροπιν−ρελεασινγ ηορ−
µονε ωιτη µολεχυλεσ τηατ δο νοτ χαυσε
ανδρογεν−ρελατεδ σιδε ε⇑εχτσ. Ανταγο−
νιστσ χονσιστινγ οφ σµαλλ προτεινσ, ορ
πεπτιδεσ, αλρεαδψ εξιστ, βυτ τηεψ αρε νοτ
ποτεντ ενουγη το σερϖε ασ χοντραχεπ−
τιϖεσ. Ινϖεστιγατορσ αρε
τηερεφορε τρψινγ το δεσιγν
νονπεπτιδε ινηιβιτορσ. Οφ
χουρσε, βλοχκαδε οφ γο−
ναδοτροπιν−ρελεασινγ ηορ−
µονε ωουλδ συππρεσσ τεσ−
τοστερονε προδυχτιον, ανδ
σο µεν ωουλδ ηαϖε το τακε
ρεπλαχεµεντ ανδρογενσ ιν
ορδερ το ρεταιν µυσχλε
µασσ, µαλε σεξυαλ χηαραχ−
τεριστιχσ ανδ λιβιδο.
Περηαπσ 20 το 25 ψεαρσ
φροµ νοω, µεν σηουλδ
αλσο ηαϖε αχχεσσ το λονγ−
αχτινγ αγεντσ (προτεχτιϖε
φορ µοντησ) τηατ, ινστεαδ
οφ διστυρβινγ νατυραλ ηορ−
µονε βαλανχεσ, διρεχτλψ
ηαλτ σπερµ προδυχτιον ιν
τηε τεστεσ ορ ιµπεδε µατ−
υρατιον οφ νεωλψ µαδε
σπερµ ιν µατχηινγ χηαµ−
βερσ χοννεχτεδ το τηε τεσ−
τεσ: τηε επιδιδψµιδεσ. Ιτ ισ
ΣΠΕΡΜ ΗΕΑ∆ ΙΣ ΤΗΕ ΤΑΡΓΕΤ οφ µανψ χοντραχεπτιϖε στρατε− ιν τηε επιδιδψµιδεσ, φορ
γιεσ υνδερ στυδψ φορ βοτη σεξεσ. Σεϖεραλ αππροαχηεσ (τεξτ
εξαµπλε, τηατ σπερµ ⇒ρστ
βλοχκσ ατ λεφτ ) ρελψ ον σψντηετιχ χηεµιχαλσ (ρεδ δοτσ ιν δεταιλ
βεχοµε µοτιλε. Ινϖεστιγα−
οφ πλασµα µεµβρανε ) το αλτερ τηε ηεαδ ιν ωαψσ τηατ ωουλδ
πρεϖεντ σπερµ φροµ φερτιλιζινγ αν εγγ. Σχιεντιστσ αρε αλσο τιονσ ηαϖε συγγεστεδ τηατ
τρψινγ το προδυχε χοντραχεπτιϖε ϖαχχινεσ. Συχη ϖαχχινεσ δισρυπτινγ µατυρατιον ιν
ωουλδ ινδυχε τηε ιµµυνε σψστεµ οφ α µαν ορ α ωοµαν το τηε επιδιδψµιδεσ ισ τηε
προδυχε αντιβοδψ µολεχυλεσ αβλε το δισρυπτ σπερµ φυνχτιον. µορε φεασιβλε οπτιον, φορ α
Χερταιν αντιβοδιεσ, φορ εξαµπλε, χαν χαυσε σπερµ χελλσ το χουπλε οφ ρεασονσ. Ωηετη−
ερ δελιϖερεδ οραλλψ, βψ ιν−
χλυµπ τογετηερ υσελεσσλψ (µιχρογραπη ).
NANCY J. ALEXANDER
υρετηανε χονδοµ, ανδ αδδιτιοναλ ⇒λµσ
µαδε οφ τηε σαµε ορ οτηερ πολψµερσ
ωιλλ φολλοω σοον. Ασιδε φροµ ιντερφερινγ
λεσσ ωιτη σενσατιον, τηεσε νονλατεξ µα−
τεριαλσ σηουλδ βε εξχελλεντ βαρριερσ το
ινφεχτιον, νοναλλεργενιχ ανδ µορε ρε−
σισταντ το βρεακαγε ανδ το δεγραδατιον
βψ ηεατ, λιγητ ανδ οιλψ λυβριχαντσ.
Τηε ⇒ρστ τρυλψ ιννοϖατιϖε µαλε−οριεντ−
εδ αππροαχη ωιλλ µανιπυλατε ηορµονεσ
το στοπ σπερµ προδυχτιον∇α βιγ χηαλ−
λενγε, γιϖεν τηατ µεν τψπιχαλλψ γενερ−
ατε ατ λεαστ 1,000 σπερµ εϖερψ µινυτε.
Σπερµ µανυφαχτυρε ισ χοντρολλεδ βψ
σεϖεραλ ηορµονεσ. Τηε ηψποτηαλαµυσ
σεχρετεσ γοναδοτροπιν−ρελεασινγ ηορ−
µονε, ωηιχη δριϖεσ τηε πιτυιταρψ το σε−
χρετε λυτεινιζινγ ηορµονε ανδ φολλιχλε−
στιµυλατινγ ηορµονε. Λυτεινιζινγ ηορ−
µονε στιµυλατεσ τηε τεστεσ το προδυχε
τεστοστερονε. Τηισ στεροιδ, τογετηερ ωιτη
φολλιχλε−στιµυλατινγ ηορµονε, ινδυχεσ
χελλσ χαλλεδ σπερµατογονια ιν τηε τεστεσ
το διϖιδε ανδ υλτιµατελψ γιϖε ρισε το
σπερµ.
Ονε αϖενυε οφ ηορµοναλ ατταχκ ωουλδ
βε ιντραµυσχυλαρ ινϕεχτιον οφ αν ανδρο−
γεν (τεστοστερονε ορ ρελατεδ µαλε ηορ−
µονεσ), λεαδινγ το ρελεασε οφ τηε ηορ−
µονε ιντο τηε βλοοδστρεαµ. Τηισ στρατ−
εγψ, ωηιχη ισ βεινγ στυδιεδ ιντενσιϖελψ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ϕεχτιον ορ βψ αν ιµπλαντ, δρυγσ αιµεδ
ατ σπερµ ωουλδ ηαϖε το ρεαχη τηε τεστεσ
ορ επιδιδψµιδεσ ϖια τηε βλοοδστρεαµ;
ηοωεϖερ, βλοοδ−βορνε δρυγσ οφτεν ηαϖε
δι⇔χυλτψ πασσινγ ουτ οφ τηε χιρχυλατιον
ανδ ιντο τηε παρτ οφ τηε τεστεσ ωηερε
σπερµ αρε µανυφαχτυρεδ. Φυρτηερ, µανψ
δρυγσ τηατ αρε χαπαβλε οφ σταλλινγ σπερµ
σψντηεσισ ηαϖε προϖεδ τοξιχ το σπερµα−
τογονια ιν τηε τεστεσ ανδ ωουλδ τηυσ
λεαδ το ιρρεϖερσιβλε στεριλιτψ. Συχη αχτιον
ωουλδ βε ⇒νε φορ πετσ βυτ ωουλδ βε υν−
αχχεπταβλε το µοστ µεν.
ςαχχινεσ φορ Βοτη Σεξεσ
Τ
ηε 21στ χεντυρψ σηουλδ αλσο σεε χον−
τραχεπτιϖε ϖαχχινεσ ( ιµµυνοχον−
τραχεπτιϖεσ) φορ µεν ασ ωελλ ασ ωοµεν;
τηεσε ϖαχχινεσ ωιλλ προβαβλψ βε ε⇑εχτιϖε
φορ αβουτ α ψεαρ. Μοστ οφ τηεµ ωουλδ
προδ τηε ιµµυνε σψστεµ το µακε αντι−
βοδιεσ αβλε το βινδ το, ανδ δισρυπτ τηε
φυνχτιονινγ οφ, σελεχτεδ προτεινσ ιν−
ϖολϖεδ ιν ρεπροδυχτιον. Τηε ιµµυνε
σψστεµ ωουλδ βε σετ ιν µοτιον βψ ιν−
ϕεχτινγ α περσον ωιτη µανψ χοπιεσ οφ
τηε ταργετ προτειν∇κνοων ασ αν αντι−
γεν ορ ιµµυνογεν∇αλονγ ωιτη οτηερ
συβστανχεσ χαπαβλε οφ βοοστινγ τηε
βοδψ∏σ ρεσπονσε.
Ονε οφ τηε µορε προµισινγ ϖαχχινεσ
το ηαϖε ρεαχηεδ χλινιχαλ τριαλσ αιµσ το
ραισε αντιβοδιεσ τηατ ωιλλ ινηιβιτ γοναδ−
οτροπιν−ρελεασινγ ηορµονε ιν µεν. Βε−
χαυσε τηισ ϖαχχινε, δεϖελοπεδ βψ τηε
Ποπυλατιον Χουνχιλ, ωουλδ σηυτ δοων
τεστοστερονε προδυχτιον, µεν ωουλδ,
ονχε αγαιν, νεεδ ανδρογεν−ρεπλαχεµεντ
τηεραπψ.
Τωο ϖερσιονσ οφ α φεµαλε ϖαχχινε αρε
αλσο βεινγ τεστεδ. Τηεψ ταργετ ηυµαν
χηοριονιχ γοναδοτροπιν, α ηορµονε τηατ
ισ σεχρετεδ βψ τηε νασχεντ πλαχεντα ανδ
ισ νεεδεδ φορ ιµπλαντατιον. Ονε ϖερσιον,
ωηιχη ωασ δεϖελοπεδ βψ τηε Ινδιαν Να−
τιοναλ Ινστιτυτε οφ Ιµµυνολογψ, ηασ υν−
δεργονε πρελιµιναρψ ηυµαν τριαλσ οφ
ε⇔χαχψ ιν Ινδια, ανδ σιµιλαρ τριαλσ αρε
πλαννεδ φορ τηε οτηερ αππροαχη, ωηιχη
ισ βεινγ δεϖελοπεδ βψ τηε Ωορλδ Ηεαλτη
Οργανιζατιον.
ςαχχινεσ γιϖεν το µεν ορ ωοµεν
χουλδ αλσο λεαδ το ιµµυνε ρεσπονσεσ
τηατ ωουλδ ιµµοβιλιζε σπερµ, χαυσε
τηεµ το χλυµπ τογετηερ ορ οτηερωισε
πρεϖεντ τηεµ φροµ σωιµµινγ το ορ φυσ−
ινγ ωιτη αν εγγ. Φεµαλε ϖαχχινεσ χουλδ
αδδιτιοναλλψ στιµυλατε τηε προδυχτιον
οφ αντιβοδιεσ τηατ ωουλδ βινδ το τηε
συρφαχε οφ αν οϖυλατεδ εγγ ανδ φορµ α
σηιελδ ιµπενετραβλε το σπερµ. Ιµµυνο−
χοντραχεπτιϖεσ ωιλλ βε αµονγ τηε λατερ
βιρτη−χοντρολ τοολσ το αππεαρ, πριµαριλψ
βεχαυσε χανδιδατε ιµµυνογενσ µυστ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
137
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
βε στυδιεδ ιν γρεατ δεταιλ. Σχιεντιστσ ηαϖε
το βε συρε τηατ τηε ινοχυλατιονσ ωιλλ νοτ
ινδυχε ιµµυνε ρεσπονσεσ αγαινστ υν−
ιντενδεδ τισσυεσ, ανδ τηεψ ηαϖε το ⇒νδ
µετηοδσ φορ προδυχινγ ϖαχχινεσ ιν
θυαντιτψ. Αδδινγ το τηε χοµπλεξιτψ, ϖαχ−
χινεσ ωιλλ προβαβλψ νεεδ το χονταιν σεϖ−
εραλ αντιγενσ, το χοµπενσατε φορ τηε φαχτ
τηατ πεοπλε χαν δι⇑ερ ιν τηειρ ρεσπον−
σιϖενεσσ το ινδιϖιδυαλ αντιγενσ.
Φορ Ωοµεν: Μανψ Ηορµοναλ Οπτιονσ
Ω
ελλ βεφορε ϖαχχινεσ αππεαρ ανδ οτη−
ερ αλτερνατιϖεσ το χονδοµσ σηοω
υπ φορ µεν, ωοµεν ωιλλ αλρεαδψ ηαϖε
αµασσεδ εξπεριενχε ωιτη σεϖεραλ νεω
προδυχτσ, µανψ οφ τηεµ ηορµοναλ. Χυρ−
ρεντλψ ωοµεν χαν χηοοσε φροµ ϖαριουσ
ηορµοναλ µετηοδσ: οραλ χοντραχεπτιϖεσ,
µοντηλψ ινϕεχτιονσ, αν ινϕεχτιον τηατ
ωορκσ φορ τηρεε µοντησ, ανδ τηε ⇒ϖε−
ψεαρ Νορπλαντ σψστεµ, ιν ωηιχη σιξ ⇓εξ−
ιβλε ηορµονε−χονταινινγ ροδσ (τηε σιζε
οφ ωοοδεν µατχηεσ) αρε πλαχεδ υνδερ
τηε σκιν. Βιρτη−χοντρολ πιλλσ, ωηιχη αρε
ρεασοναβλψ σαφε ανδ ϖερψ ε⇑εχτιϖε (ανδ
µαψ ωελλ βε σολδ ωιτηουτ α πρεσχριπτιον
ιν τηε 21στ χεντυρψ), προϖιδε προγεστινσ
αλονε ορ ιν χοµβινατιον ωιτη σψντηετιχ
εστρογεν. Τηε ινϕεχταβλεσ ανδ ιµπλαντσ
χονσιστ οφ προγεστινσ. Ιν αλλ χασεσ, τηε
αππροαχηεσ σερϖε το βλοχκ οϖυλατιον
ανδ ινχρεασε τηε τηιχκνεσσ οφ χερϖιχαλ
µυχυσ σο τηατ σπερµ ηαϖε δι⇔χυλτψ
ναϖιγατινγ το τηε εγγ.
Ωιτηιν ⇒ϖε ψεαρσ, ωοµεν χαν εξπεχτ
το ηαϖε α δουγηνυτ−σηαπεδ ρινγ τηατ
ωιλλ ⇒τ ιν τηε ϖαγινα λικε α διαπηραγµ
ανδ ρελεασε α προγεστιν αλονε ορ ωιτη
εστρογεν. Α τψπιχαλ ρινγ µιγητ βε κεπτ
ιν πλαχε φορ τηρεε ωεεκσ ανδ ρεµοϖεδ
φορ ονε ωεεκ (το αλλοω φορ µενσεσ). Ιτ
ωουλδ τηερεβψ οβϖιατε τηε νεεδ το τακε
α δαιλψ πιλλ.
Αλσο ιν τηε νεξτ φεω ψεαρσ, τηε µανυ−
φαχτυρερ οφ Νορπλαντ ισ εξπεχτεδ το ιν−
τροδυχε α σεχονδ−γενερατιον ιµπλαντ
χονσιστινγ οφ ϕυστ τωο ροδσ τηατ ωιλλ βε
σιµπλερ τηαν τηε οριγιναλ το ινσερτ ανδ
ρεµοϖε. Ιν τιµε τηερε ωιλλ βε σινγλε−ροδ
ιµπλαντσ ανδ α βιοδεγραδαβλε σψστεµ
τηατ ωιλλ εϖεντυαλλψ δισσολϖε ιν τηε βοδψ
βυτ ωιλλ βε ρεµοϖαβλε, ανδ ηενχε ρεϖερ−
σιβλε, φορ α ωηιλε.
Σοον αφτερ τηε ψεαρ 2000 αν ιντραυτερ−
ινε δεϖιχε ( ΙΥ∆ ) τηατ ρελεασεσ α προγεσ−
τιν ανδ λαστσ φορ ⇒ϖε ψεαρσ σηουλδ βε
οβταιναβλε ιν τηε Υ.Σ. (Ιτ ισ αλρεαδψ αϖαιλ−
αβλε ιν σοµε Ευροπεαν χουντριεσ.) Εξιστ−
ινγ νονηορµοναλ ΙΥ∆σ ωορκ φορ µανψ
ψεαρσ ανδ αρε θυιτε ε⇑εχτιϖε ιν ωοµεν
ωηο ηαϖε βεεν πρεγναντ. Βυτ χλινιχαλ
τεστσ ινδιχατε τηε νεω δεϖιχε προδυχεσ
λεσσ χραµπινγ ανδ βλοοδ λοσσ δυρινγ
µενστρυατιον ανδ χαρριεσ α λοωερ ρισκ
οφ πελϖιχ ιν⇓αµµατορψ δισεασε.
Μανψ ρεσεαρχηερσ αρε γιϖινγ σπεχιαλ
εµπηασισ το δεϖελοπινγ α πιλλ τηατ χουλδ
βε τακεν ϕυστ ονχε α µοντη, ειτηερ ατ τηε
τιµε µενσεσ ισ εξπεχτεδ ορ ον τηε λαστ
δαψ οφ α ωοµαν∏σ περιοδ (το πρεϖεντ
πρεγνανχψ φορ τηε φολλοωινγ µοντη). Φορ
χερταιν ωοµεν, τηε λαττερ ωουλδ βε µοστ
δεσιραβλε, βεχαυσε ιτ ωουλδ πρεϖεντ
χονχεπτιον ρατηερ τηαν ινδυχε αν εαρλψ
αβορτιον. Υνφορτυνατελψ, προγρεσσ ον
συχη πιλλσ ηασ βεεν σλοωεδ βψ λαχκ οφ
δεταιλεδ κνοωλεδγε αβουτ τηε µεχηα−
νισµσ τηατ στιµυλατε ανδ στοπ µοντηλψ
βλεεδινγ.
Ατ σοµε ποιντ ιν ηερ λιφε, α ωοµαν ισ
λικελψ το ηαϖε υνπροτεχτεδ σεξ. Εµερ−
γενχψ ποστχοιταλ χοντραχεπτιϖεσ αρε αλ−
ρεαδψ σολδ; τηεψ αρε χοµµονλψ κνοων
ασ µορνινγ−αφτερ πιλλσ, εϖεν τηουγη τηεψ
χαν αχτυαλλψ βε τακεν τωο ορ τηρεε δαψσ
Τοµορροω∏σ Ινφερτιλιτψ Τρεατµεντσ
ver the past decade investigators have markedly ad- logues are in use they prevent conception; also, when
vanced techniques for in vitro fertilization—the pro- treatment stops, the fibroids often return. If scientists can
cedure that yielded the first “test tube” baby in 1978. To- identify unique proteins on the tumors, they should be
day women can be induced to ovulate many eggs in a sin- able to design drugs that will home in on those proteins
gle menstrual cycle; the eggs can be removed and and cure the tumors simply, without affecting other tisinjected with sperm or DNA; the embryos can be screened sues or causing side effects. Chances are good that such
for genetic defects; and healthy embryos can be implant- drugs will become available by the year 2010.
Similar therapies will probably cure endometriosis, the
ed in the woman’s womb. In the first third of the 21st cengrowth of endometrial cells
tury, researchers will probably
( from the lining of the uterus)
refine these techniques and imoutside of the uterus, such as in
prove their success rates, but
and around the fallopian tubes.
the basic approaches are unlikeThe condition causes some inly to change radically.
fertility and can also lead to seIn vitro fertilization is most
vere menstrual cramps.
suitable for women whose falloBut it is for men—particularly
pian tubes are blocked or whose
those who manufacture no
inability to conceive is unexsperm—that the most dramatic
plained. The many women who
advances are likely to occur in
are infertile because of benign,
the next 30 years. Scientists are
fibroid tumors in the uterus need
perfecting ways to transplant doother therapies. At the moment,
nated precursors of sperm cells
troublesome fibroids are usually
into the seminiferous tubules of
reduced by surgery or administration of analogues of gonado- ΜΟΥΣΕ ΤΕΣΤΙΣ τηατ ονχε µαδε νο σπερµ βεγαν the testes: the system of tubes in
tropin-releasing hormone. Sur- µανυφαχτυρινγ ιτ ιν θυαντιτψ αφτερ πρεχυρσορ which sperm are ordinarily made.
gery of any kind carries risks, χελλσ φροµ ανοτηερ µουσε ωερε ιµπλαντεδ νεαρ Normally, such precursors genand hormonal treatment can be τηε περιπηερψ. Τηε ωαση οφ χολορ ιν τηε χεντερ ισ erate sperm throughout a man’s
problematic for infertile women, α σιγν τηατ τηε τρανσπλαντεδ χελλσ, ωηιχη ωερε lifetime; presumably the donated cells would do the same.
in part because when the ana- σταινεδ βλυε, συρϖιϖεδ ανδ γαϖε ρισε το σπερµ.
138
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
RALPH L. BRINSTER University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine
Ο
αφτερ ιντερχουρσε. Ρεγυλαρ βιρτη−χοντρολ
πιλλσ χαν αλσο σερϖε ασ εµεργενχψ χον−
τραχεπτιϖεσ ιφ τακεν ιν τηε ριγητ δοσεσ.
Ψετ αλλ τηεσε αππροαχηεσ ηαϖε υνπλεασ−
αντ σιδε ε⇑εχτσ, συχη ασ ναυσεα, ανδ σο
ρεσεαρχη ισ υνδερ ωαψ το δεϖελοπ γεν−
τλερ ϖερσιονσ. Φορ ινστανχε, τηε Φρενχη
πιλλ ΡΥ 486, ωηιχη ισ αϖαιλαβλε ιν σεϖερ−
αλ νατιονσ ουτσιδε τηε Υ.Σ. ανδ ισ βεστ
κνοων φορ τερµινατινγ χον⇒ρµεδ πρεγ−
νανχιεσ, ηασ βεεν φουνδ το χαυσε ρελα−
τιϖελψ λιττλε δισχοµφορτ ωηεν τακεν ιν α
λοω δοσε ωιτηιν 72 ηουρσ αφτερ υνπρο−
τεχτεδ σεξ.
Ωηεν το Εξπεχτ Νεω Χοντραχεπτιϖεσ
The dates below are estimates for the U.S.; the timing in other nations will depend
in part on regulatory requirements.
By 2000
By 2005
After 2005
FOR MEN
•Thinner, stronger
nonlatex condoms
•Three-month injectable
androgen with
progestin
•Injectable agents that
block maturation of
sperm and are effective
for months (by 2015 or
beyond)
Σπερµ Πολιχε Χουλδ Αχτ Λοχαλλψ
FOR WOMEN
•Hormone-releasing
implants that are easy
to insert and remove
and are effective for
three to five years
•Progestin-releasing
intrauterine device that
works for five years
(already sold in parts of
Europe)
•Hormone-releasing
vaginal ring
•New “morning-after”
pills
•Contraceptive vaccines
that are effective for a
year (by 2015)
•Spermicides that reduce
the risk of acquiring
sexually transmitted
diseases
•Vaginal agents that
block the union of
sperm and egg (by
2015 or beyond)
MARIA SUTTON
Α
ρατηερ δι⇑ερεντ χοντραχεπτιϖε στρατ−
εγψ φορ ωοµεν ωιλλ ρελψ ον χηεµι−
χαλσ τηατ διρεχτλψ πρεϖεντ σπερµ φροµ
µιγρατινγ το ορ φερτιλιζινγ αν εγγ. Τηεσε
χοµπουνδσ µιγητ βε συππλιεδ βψ α ϖαγ−
ιναλ ρινγ, φορ λονγ−τερµ προτεχτιον, ορ
µιγητ βε δελιϖερεδ ιντο τηε ϖαγινα σηορτ−
λψ βεφορε σεξ ιν τηε σαµε ωαψ ασ σπερ−
µιχιδεσ αρε αδµινιστερεδ. Τηεψ ωουλδ
δι⇑ερ φροµ σπερµιχιδεσ ιν σεϖεραλ ωαψσ,
ηοωεϖερ.
Σπερµιχιδεσ αρε δετεργεντσ τηατ δε−
γραδε σπερµ. Ρεγρετταβλψ, τηεσε δετερ−
γεντσ χαν αλσο κιλλ µιχροοργανισµσ τηατ
ηελπ το µαινταιν προπερ αχιδιτψ ιν τηε
ϖαγινα. Ανδ τηεψ χαν ιρριτατε τηε ϖαγιναλ
ωαλλ, τηερεβψ ποσσιβλψ φαχιλιτατινγ ινφεχ−
τιον βψ ϖιρυσεσ ανδ βαχτερια. Τηε χοµ−
πουνδσ υνδερ ινϖεστιγατιον ωουλδ νοτ
βε δετεργεντσ; τηεψ ωουλδ αχτ µορε σπε−
χι⇒χαλλψ, βψ ιντερφερινγ ωιτη σελεχτεδ
εϖεντσ τηατ φολλοω εϕαχυλατιον. Χονσε−
θυεντλψ, τηεψ χουλδ προβαβλψ βε φορµυ−
λατεδ ιν ωαψσ τηατ ωουλδ βε νονιρριτατ−
ινγ ανδ ωουλδ αϖοιδ δισρυπτινγ τηε ϖαγ−
ιναλ ⇓ορα.
Τηε χηεµιχαλσ χουλδ ιµπεδε ανψ νυµ−
βερ οφ εϖεντσ τηατ φολλοω εϕαχυλατιον. Αφ−
τερ σπερµ αρε δεποσιτεδ ιν τηε ϖαγινα,
τηεψ υνδεργο α ϖαριετψ οφ χηανγεσ ιµ−
πορταντ φορ φερτιλιζατιον. Φορ ινστανχε,
χηολεστερολ ισ ρεµοϖεδ φροµ τηε µεµ−
βρανε ενχασινγ τηε σπερµ ηεαδ; τηισ
στεπ µακεσ τηε µεµβρανε µορε ⇓υιδ
ανδ τηυσ εναβλεσ οτηερ µολεχυλεσ το
µοϖε το νεω ποσιτιονσ ασ νεεδεδ. Λατερ,
ωιτη τηε ασσιστανχε οφ προγεστερονε ιν
τηε φαλλοπιαν τυβεσ, σπεχιαλιζεδ χηαννελσ
ιν τηε σπερµ µεµβρανε οπεν, αλλοωινγ
χαλχιυµ ιονσ φροµ τηε ενϖιρονµεντ το
⇓οω ιν. Τηεσε ιονσ φαχιλιτατε τηε αχρο−
σοµε ρεαχτιον, ωηιχη οχχυρσ ωηεν
σπερµ ⇒ρστ µεετ τηε ζονα πελλυχιδα,
τηε ϕελλψλικε χοατ συρρουνδινγ τηε ουτερ
µεµβρανε οφ τηε εγγ. Ιν τηε αχροσοµε
ρεαχτιον τηε σπερµ πλασµα µεµβρανε
φυσεσ ωιτη τηατ οφ τηε αχροσοµε, α σαχ
•Contraceptive vaccine
that is effective for a
year (by 2015)
•Biodegradable implants
that are effective for
three to five years
(by 2010)
•Possibly once-a-month
pills (beyond 2015)
οφ ενζψµεσ ιν τηε σπερµ ηεαδ. Τηεν
τηε ενζψµεσ πουρ ουτ ανδ χαρϖε α πατη
φορ σπερµ τηρουγη τηε εγγ∏σ χοατ.
Χηεµιχαλσ βεινγ εξπλορεδ φορ ιµπεδ−
ινγ µατυρατιον ανδ τηε αχροσοµε ρεαχ−
τιον ινχλυδε ονεσ τηατ χλογ χαλχιυµ
χηαννελσ ορ πρεϖεντ χηολεστερολ φροµ
λεαϖινγ τηε πλασµα µεµβρανε. ( Τηεσε
χηεµιχαλσ αρε αλσο βεινγ εψεδ φορ µεν;
τηεψ ωουλδ βε υσεφυλ ιφ τηεψ βουνδ
τιγητλψ το σπερµ ιν τηε επιδιδψµιδεσ
ανδ ρεµαινεδ ατταχηεδ δυρινγ τηε ϕουρ−
νεψ τηρουγη τηε φεµαλε ρεπροδυχτιϖε
τραχτ.) Ρατηερ τηαν πρεϖεντινγ µατυρα−
τιον οφ σπερµ, σοµε ρεσεαρχηερσ αρε ατ−
τεµπτινγ το ινδυχε α πρεµατυρε αχρο−
σοµε ρεαχτιον∇αν εϖεντ τηατ ωουλδ ρεν−
δερ σπερµ υναβλε το µελδ ωιτη αν εγγ.
Ρελατεδ στρατεγιεσ ωουλδ ινηιβιτ σπε−
χι⇒χ ιντεραχτιονσ τηατ νορµαλλψ οχχυρ
βετωεεν σπερµ ανδ τηε ζονα πελλυχιδα.
Φορ ινστανχε, ρεσεαρχηερσ ατ ∆υκε Υνι−
ϖερσιτψ Μεδιχαλ Χεντερ ηαϖε δεϖελοπεδ
α χοµπουνδ τηατ βινδσ το α σπερµ προ−
τειν (ζονα ρεχεπτορ κινασε) ατ τηε σιτε
νορµαλλψ ρεσερϖεδ φορ ιντεραχτιον ωιτη
α προτειν ιν τηε ζονα. Ατταχηµεντ οφ
τηε χοµπουνδ βλοχκσ τηε ενζψµε φροµ
αχτινγ ον τηε εγγ∏σ χοατ. Αδδιτιοναλλψ,
σπερµ ανδ σεµιναλ ⇓υιδ χαρρψ αντιοξι−
δαντ ενζψµεσ, ωηιχη προτεχτ τηε ιντεγ−
ριτψ οφ τηε σπερµ µεµβρανε. Ιφ χερταιν
οφ τηεσε αντιοξιδαντσ ωερε υνιθυε το
σπερµ ορ το σεµιναλ ⇓υιδ, ινϖεστιγατορσ
ωουλδ βε αβλε το δεσιγν δρυγσ τηατ ιν−
αχτιϖατεδ τηοσε παρτιχυλαρ ενζψµεσ βυτ
διδ νοτ δεπριϖε οτηερ χελλσ οφ αντιοξι−
δαντ δεφενσεσ. Ιν σοµε ινστανχεσ, πυρε,
λαβορατορψ−γενερατεδ αντιβοδιεσ (µονο−
χλοναλ αντιβοδιεσ) µιγητ τακε τηε πλαχε
οφ χερταιν νονβιολογιχαλ χηεµιχαλσ ασ
τηε αχτιϖε ινγρεδιεντσ ιν χοντραχεπτιϖεσ
δελιϖερεδ ιντο τηε ϖαγινα.
Χοµβατινγ Σεξυαλ ∆ισεασε
Α
σ τηε ινχιδενχε οφ σεξυαλλψ τρανσµιτ−
τεδ δισεασεσ χλιµβσ, ιτ ισ βεχοµινγ
ινχρεασινγλψ χριτιχαλ το χοµβινε χοντρα−
χεπτιον ωιτη βαρριερσ το ινφεχτιον. Συχη
βαρριερσ χαν βε πηψσιχαλ (ασ ιν µαλε ανδ
φεµαλε χονδοµσ ανδ, το σοµε δεγρεε,
τηε διαπηραγµ) ορ χηεµιχαλ (ασ ιν σπερ−
µιχιδεσ ορ τηε µορε σελεχτιϖε φορµυλα−
τιονσ υνδερ ινϖεστιγατιον). Το πρεϖεντ
ινφεχτιον βψ τηε ΑΙ∆Σ−χαυσινγ ηυµαν
ιµµυνοδε⇒χιενχψ ϖιρυσ ορ οτηερ µι−
χροβεσ, α χηεµιχαλ βαρριερ ωουλδ, ατ
µινιµυµ, ηαϖε το χοατ τηε εντιρε ϖαγι−
ναλ ωαλλ ανδ χερϖιξ, βε νονιρριτατινγ ανδ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
139
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
βε νοντοξιχ το βενε⇒χιαλ µιχροβεσ ιν
τηε ϖαγινα. Τηεσε φεατυρεσ αλονε µιγητ
βε ενουγη το ρεδυχε ινφεχτιον σιγνι⇒−
χαντλψ, βυτ αγεντσ ιντενδεδ το κιλλ ηαρµ−
φυλ µιχροοργανισµσ αχτιϖελψ χουλδ βε
αδδεδ ασ ωελλ.
Ινϖεστιγατορσ αρε ονλψ νοω βεγιννινγ
το εϖαλυατε ωηετηερ εξιστινγ σπερµιχιδεσ
ποσσεσσ τηε εσσεντιαλ φεατυρεσ νεεδεδ
το αϖοιδ τρανσµισσιον οφ σεξυαλλψ τρανσ−
µιττεδ δισεασεσ. Σο φαρ ιτ αππεαρσ τηε
φορµυλατιονσ δο ρεδυχε τηε ρισκ οφ αχ−
θυιρινγ ατ λεαστ ονε σεξυαλλψ τρανσµιττεδ
δισεασε∇Χηλαµψδια ινφεχτιον. Ωιτηιν
τηε νεξτ 10 ψεαρσ, σπερµιχιδεσ δεσιγνεδ
το ινχλυδε δισεασε−πρεϖεντινγ προπερ−
τιεσ ωιλλ προβαβλψ βε σολδ. Συχη σπερµι−
χιδεσ ωουλδ βε οφ ενορµουσ βενε⇒τ το
φεµαλε ηεαλτη βεχαυσε τηεψ ωουλδ ο⇑ερ
υνοβτρυσιϖε προτεχτιον ωηεν µεν φαιλ το
υσε χονδοµσ ανδ ωηεν χονδοµσ τηεµ−
σελϖεσ φαιλ.
Α Τιµε Λινε
Ο
βϖιουσλψ, τηε χοντραχεπτιϖε µετη−
οδσ τηατ αρε εµεργινγ τοδαψ αρε τηε
φρυιτσ οφ ρεσεαρχη τηατ ωασ ινιτιατεδ
ψεαρσ αγο. Τηε ονλψ νεω προδυχτσ τηατ
ωιλλ βε ατταιναβλε βεφορε τηε ψεαρ 2000
αρε νονλατεξ χονδοµσ, ϖαγιναλ ρινγσ
ανδ, ποσσιβλψ, ιµπλαντσ φορ ωοµεν χον−
σιστινγ οφ ονε ορ τωο ηορµονε−⇒λλεδ
ροδσ τηατ αρε εασιερ το ρεµοϖε τηαν αρε
τηε εξταντ χαπσυλεσ. Ωιτηιν α φεω ψεαρσ
τηερεαφτερ, σπερµιχιδεσ τηατ ρεδυχε τηε
σπρεαδ οφ σεξυαλλψ τρανσµιττεδ δισεασεσ
ωιλλ βε α ωελχοµε αδδιτιον, ασ ωιλλ τηε
προγεστιν−ρελεασινγ ιντραυτερινε δεϖιχε.
Τηε νεξτ χοντραχεπτιϖεσ το αρριϖε ιν
τηε Υ.Σ. σηουλδ βε, ιν ορδερ οφ αππεαρ−
ανχε, νεω εµεργενχψ χοντραχεπτιϖεσ
(βψ 2005), α τηρεε−µοντη ινϕεχταβλε αν−
δρογεν πλυσ α προγεστιν φορ µεν (αλσο
βψ αβουτ 2005), βιοδεγραδαβλε ιµπλαντσ
φορ ωοµεν (βψ 2010) ανδ ιµµυνοχον−
τραχεπτιϖεσ (περηαπσ βψ 2015). ( Ιντρο−
δυχτιον τιµεσ ουτσιδε τηε Υ.Σ. ωιλλ βε
ιν⇓υενχεδ βψ τηε ρεγυλατορψ ρεθυιρε−
µεντσ οφ εαχη νατιον.)
Αχτυαλλψ, ιµµυνοχοντραχεπτιϖεσ ανδ
οτηερ τεχηνολογιεσ ιν εαρλψ σταγεσ οφ δε−
ϖελοπµεντ ωιλλ ρεαχη τηε µαρκετ ονλψ ιφ
τηε πηαρµαχευτιχαλ ανδ βιοτεχηνολογψ
ινδυστριεσ τακε µορε ιντερεστ ιν τηεµ.
Μοστ οφ τηεµ αρε βεινγ εξπλορεδ ωιτη
σεεδ µονεψ φροµ τηε Υ.Σ. γοϖερνµεντ
Φυρτηερ Πρεδιχτιονσ ον Μεδιχαλ Προγρεσσ
On April 25, 1995, SCIENTIFIC AMERICAN convened experts
to speculate on the key medical technologies of the 21st
century and the challenges arising from them. ( Transcripts
of that evening’s discussion and of other forums are available through America Online.) Some excerpts follow:
carry a cell from being normal to being malignant is going
to allow us to develop drugs that will make our current
chemotherapy poisons look just as obsolete as arsenic now
is for treating infectious illnesses. And I think that time is
coming potentially within the next 20 to 25 years.
FRANCIS S. COLLINS, director of the National Center for Human Genome Research at the National Institutes of Health and one of the discoverers of the
gene that causes cystic fibrosis:
ROBERT E. MCAFEE, then president of the American
Medical Association:
People are increasingly interested in taking more responsibility for their own medical care and for that of their loved
ones. It is reasonably likely that by the year 2010, when
you reach your 18th birthday you will be able to have your
own report card printed out of your individual risks for future disease based on the genes you have inherited. I suspect many people will be interested in that information,
particularly if it is focused on diseases where alterations in
lifestyle and medical surveillance can reduce that risk to a
more manageable level.
In addition to being able to predict risk for disease quite
early, two other consequences of gene discovery will be
rather important. One will be the ability to move early detection of actual disease to an earlier and earlier stage, particularly for cancer. At the moment, by the time you have a positive mammogram for breast cancer, you have had that tumor a long time; the chance that the cancer has already
spread is substantial. If we could come up with molecular
probes that highlighted the first few cells when they moved
down the pathway toward cancer, then the probability of
successfully treating that disease would become drastically
better.
Also, there is growing confidence—well justified by research in both academia and the pharmaceutical industry—
that the time is coming when there will be magic bullets to
treat cancer the way we now treat many infectious diseases
with vaccines and antibiotics. Our understanding of oncogenes and tumor suppressors and of the detailed steps that
140
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
There is going to be a lot of “gadgeteering” in the next 25
years. I think you are going to see a bedside device that will
do 100 different blood tests on a single drop of blood—a
process that now normally takes hours, if not days, to do.
In the vascular surgery field, new therapies will make some
abused arteries whole again, at least for a time.
Unfortunately, at the end of 25 years, death still will not
be optional. We appear to be the only country that looks
upon death as an option, and I’m afraid that isn’t going to
be available to us.
STEVEN A. ROSENBERG, chief of surgery at the National Cancer Institute, professor of surgery at the
George Washington University School of Medicine
and editor of The Cancer Journal from Scientific
American:
My crystal ball tells me that an increased understanding
of the immune system and an increased ability to manipulate it genetically will have a major impact in the next 10 to
20 years, in at least two ways. The body’s immune system
recognizes invaders as things to destroy. If we can learn to
control such destruction, then the whole problem of defective organs can be eased profoundly by transplantation of
animal tissues and organs—that is, by xenotransplanation.
Xenotransplantation, an area in which substantial progress
is being made as we sit here, may enable us to get new kidneys, new hearts, new livers. Today a major stumbling block
to the development of transplantation as a way to cure in-
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ανδ νονπρο⇒τ οργανιζατιονσ ηερε ανδ
αβροαδ. Βυτ τηοσε φυνδσ, τοταλινγ αβουτ
∃57 µιλλιον αννυαλλψ (λεσσ τηαν α φουρτη
τηε χοστ οφ δεϖελοπινγ α σινγλε προδ−
υχτ), χαννοτ παψ φορ τηε εξτενσιϖε τριαλσ
οφ σαφετψ ανδ ε⇔χαχψ τηατ αρε ρεθυιρεδ
φορ λιχενσινγ. Συχη τεστσ ρεθυιρε τηε
βαχκινγ οφ πριϖατε ινδυστρψ∇συππορτ
τηατ µαψ νοτ βεχοµε στρονγ υντιλ λιµ−
ιτσ ον λιαβιλιτψ αρε σετ ανδ α µισπερχεπ−
τιον τηατ λιττλε µονεψ χαν βε µαδε φροµ
χοντραχεπτιϖεσ ισ οϖερχοµε.
Βεχαυσε νο χοντραχεπτιϖε ισ περφεχτ
φορ εϖερψονε, πεοπλε ωηο ωαντ το πραχ−
τιχε βιρτη χοντρολ νεεδ α βροαδ αρραψ οφ
χηοιχεσ. Ιν σπιτε οφ τηε οβσταχλεσ, Ι αµ
οπτιµιστιχ τηατ τοδαψ∏σ ονγοινγ ωορκ
ωιλλ γο φαρ τοωαρδ µεετινγ τηατ νεεδ ιν
τηε χεντυρψ αηεαδ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΝΑΝΧΨ ϑ. ΑΛΕΞΑΝ∆ΕΡ, ωηο ηολδσ
α Πη.∆. ιν πηψσιολογψ φροµ τηε Υνι−
ϖερσιτψ οφ Ωισχονσιν, ισ χηιεφ οφ τηε
Χοντραχεπτιϖε ∆εϖελοπµεντ Βρανχη ιν
τηε Χεντερ φορ Ποπυλατιον Ρεσεαρχη ατ
τηε Νατιοναλ Ινστιτυτε οφ Χηιλδ Ηεαλτη
ανδ Ηυµαν ∆εϖελοπµεντ ιν Βετηεσ−
δα, Μδ. Τηερε σηε διρεχτσ α ωιδε ϖαρι−
ετψ οφ ρεσεαρχη προϕεχτσ αιµεδ ατ δε−
ϖελοπινγ φερτιλιτψ−ρεγυλατινγ µετηοδσ
φορ µεν ανδ ωοµεν. Αλεξανδερ ισ αλσο
αδϕυνχτ προφεσσορ οφ οβστετριχσ ανδ
γψνεχολογψ ατ Γεοργετοων Υνιϖερσιτψ
Μεδιχαλ Χεντερ ανδ ισ ον τηε στεερινγ
χοµµιττεε οφ τηε Ωορλδ Ηεαλτη Οργα−
νιζατιον∏σ Τασκ Φορχε ον Μετηοδσ φορ
τηε Ρεγυλατιον οφ Μαλε Φερτιλιτψ.
ΡΕΓΥΛΑΤΙΟΝ ΟΦ ΜΟΥΣΕ ΓΑΜΕΤΕ ΙΝΤΕΡΑΧΤΙΟΝ ΒΨ
ΣΠΕΡΜ ΤΨΡΟΣΙΝΕ ΚΙΝΑΣΕ. Λ. Λεψτον ετ αλ. ιν Προχεεδ−
ινγσ οφ τηε Νατιοναλ Αχαδεµψ οφ Σχιενχεσ ΥΣΑ, ςολ.
89, Νο. 24, παγεσ 11692∠11695; ∆εχεµβερ 15, 1992.
ΦΕΡΤΙΛΙΖΑΤΙΟΝ ΠΟΤΕΝΤΙΑΛ ΙΝ ςΙΤΡΟ ΙΣ ΧΟΡΡΕΛΑΤΕ∆
ΩΙΤΗ ΗΕΑ∆−ΣΠΕΧΙΦΙΧ ΜΑΝΝΟΣΕ−ΛΙΓΑΝ∆ ΡΕΧΕΠΤΟΡ
ΕΞΠΡΕΣΣΙΟΝ, ΑΧΡΟΣΟΜΕ ΣΤΑΤΥΣ ΑΝ∆ ΜΕΜΒΡΑΝΕ
ΧΗΟΛΕΣΤΕΡΟΛ ΧΟΝΤΕΝΤ. Σ. Βενο⇑ ετ αλ. ιν Ηυµαν
Ρεπροδυχτιον, ςολ. 8, Νο. 12, παγεσ 2155∠2166; ∆ε−
χεµβερ 1, 1993.
ΧΟΝΤΡΑΧΕΠΤΙςΕ ςΑΧΧΙΝΕ ∆ΕςΕΛΟΠΜΕΝΤ. Ν. ϑ. Αλεξ−
ανδερ ανδ Γ. Βιαλψ ιν Ρεπροδυχτιον Φερτιλιτψ ανδ ∆ε−
ϖελοπµεντ, ςολ. 6, Νο. 3, παγεσ 273∠280; 1994.
ΣΠΕΡΜΑΤΟΓΟΝΙΑΛ ΣΤΕΜ ΧΕΛΛΣ ΟΦ ΤΗΕ ΤΕΣΤΙΣ. Μ.
∆ψµ ιν Προχεεδινγσ οφ τηε Νατιοναλ Αχαδεµψ οφ Σχι−
ενχεσ ΥΣΑ, ςολ. 91, Νο. 24, παγεσ 11287∠11289; Νο−
ϖεµβερ 22, 1994.
creased numbers of individuals is the low availability of organs. If we can figure out ways to keep animal organs from
being rejected, we may be able to obtain organs from experimental animals, probably mini-pigs that will be raised
specifically as a source of organs to replace human tissues.
On the other side, of course, is figuring out ways to stimulate the immune system to eliminate foreign invaders and
cancers that we cannot now destroy. During the past decade, we have had the first successful applications of immunotherapies for cancer. For certain cancers, we can actually manipulate the immune system so that the cancers can
be rejected by the body rather than by the application of an
external treatment. As we learn more about the immune
system, this approach to cancer treatment probably is going to hold the key to major improvements as well.
JOHN F. BEARY III, senior vice president for regulatory and scientific affairs at Pharmaceutical Research
and Manufacturers of America:
Technologies are emerging that should help to address
problems associated with aging and degenerative disorders
such as osteoarthritis. It is possible that we will be able to
grow cartilage again and that knee and hip diseases, which
greatly detract from the quality of life in the later years, can
be dealt with. The chemistry of the bone will be much better understood, and, since osteoporosis in women is such a
common problem, that knowledge will have a tremendous
impact on successful aging.
FLORENCE P. HASELTINE, director of the Center for
Population Research at the National Institutes of
Health:
I think we will be able to maintain a tremendous amount
of our mobility as long as we can literally get out of the
house. Right now a wheelchair that gets you around—one
of those mechanisms you see scooting around—costs some
$20,000, which is more than most of our cars cost. But
those chairs will come down in price and be much more
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
user-friendly. We are going to see a lot of interaction between the medical community, the biotech community and
the robotics industry to make something you might call an
intelligent wheelchair—that is, one that will sense where everything is in the room, sense when we should be eating
and what we should be eating, things like that.
SUSAN J. BLUMENTHAL, deputy assistant secretary
for women’s health, assistant surgeon general and
rear admiral of the U.S. Public Health Service, and
clinical professor of psychiatry at the Georgetown
University School of Medicine:
If we were to walk through a 19th-century graveyard, we
would find that on average Americans died at age 48. In
this century we have extended the life span for Americans
by 30 years. We used to die of acute illness, and among
women, also from childbirth. Today we die of chronic illnesses (such as heart disease, cancer and diabetes) and
also from accidents, homicide and suicide. In more than 50
percent of these leading causes of death, behavioral and
lifestyle factors are paramount: poor diet, lack of exercise,
failure to wear seat belts, guns, substance abuse and smoking. If I were to tell you that we had discovered a new medical intervention that could decrease premature deaths in
this country by one half and could cut chronic disability by
two thirds and acute disability by one third, everyone
would be saying, What is that new technology? What is that
new drug? The truth is, it is low-cost behavioral interventions that can decrease the risk of these illnesses.
I am optimistic that we will, with an investment in behavioral research, be able to develop more precise behaviorchanging strategies for diverse groups of people. These
strategies will hold tremendous promise for decreasing premature morbidity and mortality in the century to come.
For mammographies, we are still using a 40-year-old
technology to find small lumps in women’s breasts. Medical
imaging is 10 years behind intelligence and defense imaging. Let’s get a peace dividend from our national investment
in defense by applying these technologies to medical purposes, such as improving early detection of diseases.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
141
ΜΕ∆ΙΧΙΝΕ
Commentary
Αν Ιµπροϖεδ
Φυτυρε?
Medical advances challenge thinking
on living, dying and being human
βψ Αρτηυρ Χαπλαν
Ι
τ ισ νοτ ηαρδ το διϖινε α
φυτυρε ιν ωηιχη τεχηνολ−
ογψ ιµπροϖεσ τηε θυαλ−
ιτψ οφ λιφε. Αδϖανχεσ ιν µεδ−
ιχινε προµισε ηεαλτηιερ λιϖεσ
τηρουγη τηεραπψ ιν τηε ωοµβ,
γενετιχ µανιπυλατιον, χον−
στρυχτιον οφ αρτι⇒χιαλ οργανσ,
υσε οφ δεσιγνερ δρυγσ ανδ απ−
πλιχατιον οφ οτηερ ινγενιουσ
τεχηνιθυεσ φορ ρεστορινγ ορ−
γαν φυνχτιον. Νορ ισ ιτ δι⇔−
χυλτ το ιµαγινε λιφε σπανσ βεινγ εξτενδεδ τηρουγη ϖαριουσ
τριχκσ διρεχτεδ ατ τηωαρτινγ τηε ασσαυλτσ οφ ινφεχτιουσ αγεντσ
ανδ ατ ελιµινατινγ τηε αιλµεντσ οφ µοδερν λιφε.
∆εσπιτε τηεσε ροσψ προσπεχτσ φορ ινχρεασινγ α περσον∏σ
χηανχε οφ βεινγ βορν ηεαλτηψ ανδ λιϖινγ λονγερ, µανψ ιν τηε
ετηιχσ γυιλδ∇ωηιχη ισ ινχλινεδ το ηανδ−ωρινγινγ∇ωεαρ φροωνσ
τοδαψ. Τοµορροω∏σ µεδιχινε µαψ εναβλε υσ το λιϖε λονγερ, βυτ,
τηεσε ετηιχιστσ ασκ, ωιλλ ιτ εναβλε υσ το λιϖε βεττερ? Τηεψ νοτε,
φορ ινστανχε, τηατ πρεϖαιλινγ δεµογραπηιχ ανδ ⇒σχαλ τρενδσ
φορετελλ λιττλε βυτ µισερψ.
Τηεψ χοντενδ τηατ ασ τεχηνολογψ σαϖεσ ανδ εξτενδσ λιϖεσ,
τηε προσπεχτσ φορ ουρ δεσχενδαντσ βεχοµε ναστιερ. Λονγερ
λιφε σπανσ ωιλλ χαυσε αν αλρεαδψ στρυγγλινγ πλανετ το βε ποπυ−
λατεδ ωιτη α βυµπερ χροπ οφ δοδδερινγ ελδερσ. Ασ µεδιχινε
βεχοµεσ βεττερ ατ ρεσχυινγ ιµπεριλεδ λιϖεσ ανδ εξτενδινγ
µορταλλψ τηρεατενεδ ονεσ, τηε στραινσ ον νατυραλ ρεσουρχεσ,
τηε διϖερσιον οφ εχονοµιχ ρεσουρχεσ το ηεαλτη χαρε νεεδσ ανδ
τηε λικελιηοοδ οφ ιντερνατιοναλ ασ ωελλ ασ ιντεργενερατιοναλ
χον⇓ιχτ σηουλδ αλλ ινχρεασε. Πλαιν ολδ ηυµαν µισερψ ωιλλ αλσο
ρισε, ασ µορε ανδ µορε οφ υσ µακε ιτ το ουρ σεϖεντιεσ, ειγητ−
ιεσ ανδ νινετιεσ, ονλψ το γρεετ τηε αρτηριτισ, στροκε, Αλζηειµ−
ερ∏σ ορ Παρκινσον∏σ δισεασε τηατ ουρ τεχηνολογιχαλ αρρογανχε
ηασ ιν στορε φορ υσ.
Τηε γριµ σχεναριοσ εξτενδ φυρτηερ. Σοµε εξπερτσ αργυε τηατ
στριχτ ρατιονινγ οφ ηιγη τεχηνολογψ µυστ σοον βεχοµε αν υν−
φορτυνατε φαχτ οφ λιφε ιν εχονοµιχαλλψ δεϖελοπεδ νατιονσ. (Τηε
ρεσιδεντσ οφ λεσσ δεϖελοπεδ χουντριεσ εξιτ λιφε µορε θυιχκλψ;
χονσεθυεντλψ, τηειρ γοϖερνµεντσ ωιλλ βε σπαρεδ τηε ηαρση δε−
χισιονσ αβουτ ωηιχη χιτιζενσ σηουλδ βε τοσσεδ φροµ τηε χολ−
λεχτιϖε λιφεβοατ.) Οτηερσ ωορρψ τηατ ιφ τηε Αµεριχανσ, Σωεδεσ,
Γερµανσ, Χαναδιανσ, Νορωεγιανσ, Ιταλιανσ, Ταιωανεσε ανδ
ϑαπανεσε κεεπ σπενδινγ µονεψ ον ηεαλτη χαρε ατ τηε χυρρεντ
ρατε, τηε εντιρε γροσσ νατιοναλ προδυχτσ οφ τηεσε νατιονσ σοον
ωιλλ βε δεϖοτεδ το νοτηινγ ελσε. Στιλλ οτηερσ αρε πετρι⇒εδ ατ
142
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
τηε προσπεχτ οφ ηυµαν βεινγσ σο γρεεδψ φορ µορε ανδ µορε
λιφε τηατ τηεψ αρε ωιλλινγ το ροβ τηε πυρσεσ οφ τηειρ οων χηιλ−
δρεν ανδ γρανδχηιλδρεν το παψ φορ τηισ συπρεµελψ συσπεχτ
ινδυλγενχε.
Αδµιττεδλψ, τηεσε φορεχαστσ ρεϖεαλ σοµε ιµπορταντ δαν−
γερσ οφ ραπιδ αδϖανχεσ ιν µεδιχινε. Ψετ συχη χονχερν µαψ
βε υνωαρραντεδ. Μεδιχαλ προγρεσσ ηασ τηυσ φαρ προϖεδ ενορ−
µουσλψ εξπενσιϖε ανδ µοραλλψ αµβιϖαλεντ, εξτενδινγ λιφε βυτ
οφτεν ιγνορινγ ιτσ θυαλιτψ. Ψετ τηε τεχηνολογψ οφ τηε 21στ χεν−
τυρψ νεεδ νοτ φολλοω τηισ πατη.
Ιφ, ασ σεεµσ λικελψ, µεδιχινε µοϖεσ το διαγνοσισ ανδ τρεατ−
µεντ οφ δισεασε ατ ιτσ µολεχυλαρ λεϖελ, αωαψ φροµ τηε χοντεµ−
ποραρψ πραχτιχε οφ τρεατινγ οϖερτ σψµπτοµσ ανδ οργαν φαιλ−
υρεσ, τηε χοστσ οφ µεδιχαλ προγρεσσ µιγητ αχτυαλλψ δεχρεασε.
Ιτ ισ ϖερψ ρεσουρχε ιντενσιϖε∇ανδ τηυσ ϖερψ εξπενσιϖε∇το
τρανσπλαντ α λιϖερ φροµ α χαδαϖερ το α χηιλδ ωηοσε οων οργαν
ισ φαιλινγ βεχαυσε οφ α χονγενιταλ δισεασε. Πεδιατριχ λιϖερ τρανσ−
πλαντσ ρεθυιρε σκιλλεδ συργερψ, λονγ ηοσπιταλιζατιονσ, µανψ
τρανσφυσιονσ οφ βλοοδ, περπετυαλ συππρεσσιον οφ τηε πατιεντ∏σ
ιµµυνε σψστεµ ανδ εξτενδεδ χουνσελινγ φορ τηε φαµιλψ ανδ
χηιλδ. Ιδεντιφψινγ φετυσεσ ατ ρισκ φορ χονγενιταλ λιϖερ δισεασε
δυρινγ πρεγνανχψ ανδ τηεν ρεπαιρινγ τηε δισορδερ βψ γενε
τηεραπψ σηουλδ προϖε χονσιδεραβλψ χηεαπερ, παρτιχυλαρλψ ιφ
συχη τηεραπψ χουλδ βε γιϖεν ονχε, εαρλψ ιν λιφε.
Σιµιλαρλψ, ινστιτυτιοναλιζινγ πεοπλε ωηο ηαϖε χηρονιχ σχηι−
ζοπηρενια, σεϖερε δεπρεσσιον ορ εξτρεµε συβστανχε αβυσε
προβλεµσ ισ ϖερψ εξπενσιϖε. Τρεατµεντ ωιτη δεσιγνερ δρυγσ
µαδε το ορδερ φορ τηεσε προβλεµσ, ωιτη µιχροχηιπ ιµπλαντσ
τηατ ρελεασε νεεδεδ χηεµιχαλσ ιντο τηε βοδψ ορ περηαπσ ωιτη
ϖιρτυαλ−ρεαλιτψ τηεραπψ, ιν ωηιχη πατιεντσ ⇒νδ ρελιεφ φροµ τηειρ
χονδιτιον ιν α χοµπυτερ−γενερατεδ φαντασψ ωορλδ, µαψ ωελλ
προϖε φαρ λεσσ χοστλψ.
Ινδεεδ, ιφ τηε λατεστ χλινιχαλ προχεδυρεσ (συχη ασ νονινϖα−
σιϖε, ηιγηλψ δεταιλεδ µαγνετιχ ρεσονανχε ιµαγινγ οφ ιντερναλ
οργανσ) ασ ωελλ ασ νεω τεχηνολογιεσ ϕυστ βεγιννινγ το αππεαρ
( ινχλυδινγ γενετιχ διαγνοστιχ τεστσ ανδ ϖαχχινεσ φορ χηιχκεν
ποξ ανδ ηεπατιτισ) αρε ανψ ινδιχατιον, µεδιχινε χουλδ βε
βοτη ινχρεασινγλψ εχονοµιχαλ ανδ λεσσ ηαζαρδουσ το πατιεντσ.
Α γρεατ δεαλ οφ χλεϖερνεσσ ιν πυβλιχ πολιχψ ανδ α φαιρ αµουντ
οφ λυχκ ωιλλ βε νεεδεδ, βυτ ωε χουλδ ⇒νδ ουρσελϖεσ φαχινγ α
φυτυρε ιν ωηιχη µορε οφ υσ λιϖε λονγερ ανδ ιν βεττερ ηεαλτη
φορ τηε ϖαστ παρτ οφ ουρ λιϖεσ ωιτηουτ ηαϖινγ το σπενδ ουτρα−
γεουσ συµσ.
Τ
ηυσ, αλτηουγη ιτ ισ τεµπτινγ το φορεχαστ νοτηινγ βυτ ⇒−
νανχιαλ ρυιν ανδ σοχιεταλ δεσπαιρ ιν τηε ωακε οφ µεδιχαλ
προγρεσσ, τηισ τενδενχψ ουγητ το βε ρεσιστεδ. Στιλλ, τηερε αρε
σεριουσ χονχερνσ τηατ γο βεψονδ τηε στανδαρδ προβλεµσ οφ
δεµογραπηιχσ ανδ µονεψ. Φορ εξαµπλε, ιφ ωε χαν χυρε µεν−
ταλ ιλλνεσσ βψ αλτερινγ τηε χηεµιστρψ οφ ουρ βραινσ, δο ωε ρισκ
λοσινγ ουρ σενσε οφ ιδεντιτψ ιν τηε προχεσσ? Ιφ δισεασε ισ διαγ−
νοσεδ ανδ τρεατεδ µοστ ε⇑εχτιϖελψ βψ τινκερινγ ωιτη ουρ µολ−
εχυλεσ, ωιλλ ανψονε βε χαπαβλε οφ, ορ παιδ φορ, ταλκινγ ωιτη πα−
τιεντσ? Ορ ωιλλ α θυιχκ δοσε οφ α δρυγ βεχοµε αλλ ωε εξπεχτ
φροµ ηεαλτη χαρε προϖιδερσ? Ωιλλ σοχιετψ χοµε το τηινκ ιτ ισ
ιρρεσπονσιβλε το βεαρ χηιλδρεν ωιτηουτ ηαϖινγ α τηορουγη γε−
νετιχ πηψσιχαλ ⇒ρστ? Ασ ωε λεαρν µορε αβουτ ηοω γενεσ ρεγυ−
λατε τηε βοδψ∏σ φυνχτιονσ, ωηο ωιλλ δεχιδε ωηετηερ χηαραχτερ−
ιστιχσ συχη ασ σηορτ στατυρε, βαλδνεσσ, αλβινισµ, δεαφνεσσ, ηψ−
περαχτιϖιτψ ορ αγγρεσσιϖενεσσ αρε χλασσι⇒εδ ασ δισεασεσ ρατηερ
τηαν µερελψ δι⇑ερενχεσ? Ανδ ον ωηατ βασισ ωιλλ τηεσε δισ−
τινχτιονσ βε µαδε?
Τηε ϖερψ ρεδυχτιονισµ το τηε µολεχυλαρ λεϖελ τηατ ισ φυελ−
ινγ τηε µεδιχαλ ρεϖολυτιον αλσο ποσεσ τηε γρεατεστ µοραλ χηαλ−
λενγε ωε φαχε. Ωε νεεδ το δεχιδε το ωηατ εξτεντ ωε ωαντ το
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
δεσιγν ουρ δεσχενδαντσ. Ιν γραππλινγ ωιτη τηισ ισσυε, ωε ωιλλ
χοµε φαχε−το−φαχε ωιτη θυεστιονσ αβουτ τηε µαλλεαβιλιτψ ανδ
περφεχτιβιλιτψ οφ ουρ σπεχιεσ; τηισ ενχουντερ ωιλλ µακε χυρ−
ρεντ αργυµεντσ οϖερ τηε ρελατιϖε ιν⇓υενχε οφ γενετιχσ ανδ
υπβρινγινγ σεεµ τριϖιαλ.
Ωιλλ τηε δεγρεε οφ πηιλοσοπηιχαλ ανγστ βε συχη τηατ ωε
ουγητ το ρειν ιν τηε σπεεδ ατ ωηιχη µεδιχινε, ανδ εσπεχιαλλψ
γενε τηεραπψ, προχεεδσ? Ισ τηε εµεργινγ ρεϖολυτιον ιν µεδι−
χαλ τεχηνολογψ ονε τηατ ωιλλ λεαϖε υσ σο βεφυδδλεδ αβουτ ωηο
ωε αρε ανδ ωηψ ωε αρε ηερε τηατ ωε ωιλλ ονε δαψ λοοκ βαχκ
λονγινγλψ φορ σιµπλερ τιµεσ ωηεν χηιλδρεν διεδ οφ ιλλνεσσεσ
συχη ασ Ταψ−Σαχησ δισεασε, σιχκλε χελλ ανεµια ανδ χψστιχ ⇒βρο−
σισ, ανδ αδυλτσ ωερε ραϖαγεδ βψ χανχερ, διαβετεσ ανδ ηεαρτ
δισεασε?
Η
αρδλψ. Ιφ βεινγ ηυµαν µεανσ υσινγ ιντελλιγενχε το ιµ−
προϖε τηε θυαλιτψ οφ λιφε, τηερε ισ λιττλε βασισ φορ ετηιχαλ
αµβιϖαλενχε ορ δουβτ αβουτ ελιµινατινγ γενετιχ σχουργεσ,
µυχη ασ ωε ηαϖε δονε ωιτη ινφεχτιουσ δισεασεσ συχη ασ πολιο
ανδ σµαλλποξ. Ωηο ωουλδ αργυε τηατ ουρ φρεεδοµ φροµ τηοσε
δισεασεσ τηατ δεϖαστατεδ παστ ποπυλατιονσ ηασ µαδε υσ φεελ
λεσσ ηυµαν? Χηανγινγ ουρ βιολογιχαλ βλυεπριντσ ιν πυρσυιτ οφ
λονγερ, ηεαλτηιερ λιϖεσ σηουλδ ιδεαλλψ ποσε νο µορε οφ α
τηρεατ τηαν δοεσ τακινγ ιµπυριτιεσ ουτ οφ τηε ωατερ συππλψ το
προτεχτ ηυµαν ηεαλτη.
Τηισ λογιχ αλσο εξτενδσ το τηε µοστ αωε−ινσπιρινγ οπτιον
τηατ ωιλλ υλτιµατελψ βε αϖαιλαβλε: τηε γενετιχ µοδι⇒χατιον οφ
ρεπροδυχτιϖε, ορ γερµ, χελλσ. Χηανγεσ το τηεσε χελλσ αλτερ τηε
∆ΝΑ οφ τηοσε ωηο ρεχειϖε τηε τηεραπψ ασ ωελλ ασ τηε ∆ΝΑ οφ
τηειρ δεσχενδαντσ. Γερµ−χελλ τηεραπψ περµανεντλψ χηανγεσ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
τηε ηυµαν γενε ποολ, βυτ τηε βενε⇒τσ οφ φορεϖερ ελιµινατινγ
δισεασεσ συχη ασ σπινα βι⇒δα, ανενχεπηαλψ, ηεµοπηιλια ανδ
µυσχυλαρ δψστροπηψ ωουλδ σεεµ το µακε γερµ−χελλ γενε
τηεραπψ α µοραλ οβλιγατιον. Ωε ηαϖε βεεν αλτερινγ ουρ γενε
ποολ φορ µιλλεννια τηρουγη ωαρσ, σελεχτιϖε µατινγ, βεττερ διετ
ανδ τηε εϖολυτιον οφ µεδιχινε. Χηανγινγ τηε γενεσ οφ ουρ
ο⇑σπρινγ διρεχτλψ τηρουγη γενετιχ ενγινεερινγ ισ ρεαλλψ α
δι⇑ερενχε ιν δεγρεε ρατηερ τηαν ιν κινδ οφ τρεατµεντ. Ψετ ωε
µυστ γυαρδ διλιγεντλψ αγαινστ µισυσε οφ τηε αβιλιτψ το δεσιγν
ουρ δεσχενδαντσ ωιτη χαρεφυλ ρεγυλατιον, λεγισλατιον ανδ σο−
χιεταλ χονσενσυσ.
Ηιστορψ ισ α φυννψ τηινγ. Τηερε ισ αλωαψσ α τενδενχψ το βε
νοσταλγιχ αβουτ τιµεσ γονε βψ. Βυτ τηε βενε⇒τσ οφ α λονγερ
λιφε βυρδενεδ βψ λεσσ δισαβιλιτψ, δψσφυνχτιον ανδ ιµπαιρµεντ
ωιλλ µακε τηε φυτυρε ασ αττραχτιϖε ασ τηε παστ. Ιφ ωε χαν µακε
τηατ φυτυρε α⇑ορδαβλε, ιφ ωε χαν ενηανχε τηε θυαλιτψ οφ ουρ
λιϖεσ ωηιλε χοντρολλινγ ποπυλατιον γροωτη, ανδ ιφ ωε χαν αχ−
χεπτ τηε ιδεα τηατ ιτ ισ νειτηερ αρρογαντ νορ φοοληαρδψ το
µοδιφψ ουρ βιολογιχαλ χονστιτυτιον ιν τηε ηοπε οφ πρεϖεντινγ
δισορδερ ανδ δισεασε, µεδιχαλ τεχηνολογψ χουλδ ϖερψ ωελλ
µακε τηε φυτυρε βεττερ.
ΑΡΤΗΥΡ ΧΑΠΛΑΝ ισ διρεχτορ οφ τηε Χεντερ φορ Βιοετηιχσ ατ
τηε Υνιϖερσιτψ οφ Πεννσψλϖανια Μεδιχαλ Χεντερ ανδ φουνδινγ
πρεσιδεντ οφ τηε Αµεριχαν Ασσοχιατιον οφ Βιοετηιχσ. Ηε ρε−
χειϖεδ ηισ Πη.∆. ιν πηιλοσοπηψ ιν 1979 φροµ Χολυµβια Υνιϖερ−
σιτψ, ωηερε ηε αλσο στυδιεδ γενετιχσ ανδ εϖολυτιοναρψ βιολογψ.
Χαπλαν ωασ α µεµβερ οφ τηε Χλιντον Ηεαλτη Χαρε Τασκ Φορχε
ανδ ωασ ρεχεντλψ απποιντεδ το τηε Πρεσιδεντ∏σ Χοµµισσιον ον
τηε Γυλφ Ωαρ Σψνδροµε.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
143
M A C H I N E S, M A T E R I A
A N D M A N U FA C T U R I N
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
LS
G
Buildings that repair
themselves, machines
that fit on the head of a
pin and local factories
that make products to
order are just some
of the possibilities.
ΧΟΝΤΕΝΤΣ
Self-Assembling Materials
146
Engineering Microscopic Machines
150
Intelligent Materials
154
Advanced Composites
160
Custom Manufacturing
160
High-Temperature
Superconductors
162
Χοµµενταρψ
Robotics in the 21st Century
166
ΜΙΧΡΟΦΛΑΠΣ, εαχη λεσσ τηαν ονε
µιλλιµετερ ον α σιδε, χουλδ εϖεντυαλλψ
ρεπλαχε ταιλ ⇒νσ ανδ µανψ χοντρολ
συρφαχεσ ον αιρχραφτ.
Photograph by David Scharf
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Σελφ−Ασσεµβλινγ
Ματεριαλσ
The smaller, more complex machines of the
future cannot be built with current methods:
they must almost make themselves
βψ Γεοργε Μ. Ωηιτεσιδεσ
Ο
υρ ωορλδ ισ ποπυλατεδ ωιτη µα−
χηινεσ, νονλιϖινγ εντιτιεσ ασ−
σεµβλεδ βψ ηυµαν βεινγσ φροµ
χοµπονεντσ τηατ ηυµανκινδ ηασ µαδε.
Ουρ αυτοµοβιλεσ, χοµπυτερσ, τελε−
πηονεσ, τοαστερ οϖενσ ανδ σχρεωδριϖερσ
φαρ ουτνυµβερ υσ. ∆εσπιτε τηισ προλιφερ−
ατιον, νο µαχηινε χαν ρεπροδυχε ιτσελφ
ωιτηουτ ηυµαν αγενχψ. Ψετ.
Ιν τηε 21στ χεντυρψ, σχιεντιστσ ωιλλ ιν−
τροδυχε α µανυφαχτυρινγ στρατεγψ βασεδ
ον µαχηινεσ ανδ µατεριαλσ τηατ ϖιρτυαλ−
λψ µακε τηεµσελϖεσ. Χαλλεδ σελφ−ασσεµ−
βλψ, ιτ ισ εασιεστ το δε⇒νε βψ ωηατ ιτ ισ
νοτ. Α σελφ−ασσεµβλινγ προχεσσ ισ ονε ιν
ωηιχη ηυµανσ αρε νοτ αχτιϖελψ ινϖολϖεδ,
ιν ωηιχη ατοµσ, µολεχυλεσ, αγγρεγατεσ
οφ µολεχυλεσ ανδ χοµπονεντσ αρρανγε
τηεµσελϖεσ ιντο ορδερεδ, φυνχτιονινγ
εντιτιεσ ωιτηουτ ηυµαν ιντερϖεντιον. Ιν
χοντραστ, µοστ χυρρεντ µετηοδσ οφ µαν−
υφαχτυρινγ ινϖολϖε α χονσιδεραβλε δεγρεε
οφ ηυµαν διρεχτιον. Ωε, ορ µαχηινεσ
τηατ ωε πιλοτ, χοντρολ µανψ ιµπορταντ
ελεµεντσ οφ φαβριχατιον ανδ ασσεµβλψ.
Σελφ−ασσεµβλψ οµιτσ τηε ηυµαν ηανδ
φροµ τηε βυιλδινγ. Πεοπλε µαψ δεσιγν
τηε προχεσσ, ανδ τηεψ µαψ λαυνχη ιτ, βυτ
ονχε υνδερ ωαψ ιτ προχεεδσ αχχορδινγ
το ιτσ οων ιντερναλ πλαν, ειτηερ τοωαρδ
αν ενεργετιχαλλψ σταβλε φορµ ορ τοωαρδ
σοµε σψστεµ ωηοσε φορµ ανδ φυνχτιον
αρε ενχοδεδ ιν ιτσ παρτσ.
Τηε χονχεπτ οφ σελφ−ασσεµβλψ ισ νοτ
ΣΕΛΦ−ΑΣΣΕΜΒΛΙΝΓ ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ, συχη ασ τηε λιποσοµε ατ τηε
λεφτ, αρε γενερατινγ ινχρεασινγ ιντερεστ. Τηε λιποσοµε ρεπρε−
σεντσ αν εαρλψ συχχεσσ αµονγ τηεσε µατεριαλσ: τηε µιχροσχοπ−
ιχ χαπσυλεσ αρε ιν χλινιχαλ τριαλσ ασ α δρυγ−δελιϖερψ σψστεµ
ωιτηιν τηε βοδψ. Χυρρεντ ρεσεαρχη φοχυσεσ ον σελφ−ασσεµβλινγ
λαψερσ βυιλτ φροµ σαυσαγε−σηαπεδ µολεχυλεσ. Ατ ονε ενδ οφ
εαχη µολεχυλε ισ αν ατοµ τηατ ιντεραχτσ στρονγλψ ωιτη α συρ−
φαχε; ατ τηε οτηερ ενδ, α ϖαριετψ οφ οτηερ ατοµιχ γρουπινγσ.
νεω. Ιτ ωασ ινσπιρεδ βψ νατυρε, ωηερε
εντιτιεσ ασ σιµπλε ασ α ραινδροπ ορ ασ
χοµπλεξ ασ α λιϖινγ χελλ αρισε φροµ πηψσ−
ιχαλ πρινχιπλεσ ορ ινστρυχτιονσ ιµπλιχιτ ιν
τηειρ χοµπονεντσ [σεε βοξ ον παγε 148].
Ανδ ιτ ισ αλρεαδψ εξπλοιτεδ ιν τηε µαν−
υφαχτυρε οφ α νυµβερ οφ χοµµον προδ−
υχτσ. Μοστ ωινδοω γλασσ, φορ εξαµπλε, ισ
σο−χαλλεδ ⇓οατ γλασσ, µαδε βψ ⇓οατινγ
µολτεν γλασσ ον α ποολ οφ µολτεν µετ−
αλ. Τηε µεταλ τενδσ το µινιµιζε ιτσ συρ−
φαχε αρεα βψ βεχοµινγ σµοοτη ανδ ⇓ατ;
χονσεθυεντλψ, τηε γλασσ ον τοπ βεχοµεσ
οπτιχαλλψ σµοοτη ανδ υνιφορµλψ ⇓ατ ασ
ωελλ. Ιτ ισ µυχη λεσσ εξπενσιϖε το προ−
δυχε ⇓οατ γλασσ τηαν ιτ ισ το γρινδ ανδ
πολιση γλασσ προδυχεδ βψ οτηερ προχεσσ−
εσ, ανδ τηε θυαλιτψ οφ τηε ⇓οατ−γλασσ συρ−
φαχε ισ ηιγηερ. Σιµιλαρλψ, χονϖεντιοναλ
µανυφαχτυρινγ µετηοδσ χαννοτ σπεχιφψ
τηε πλαχεµεντ οφ τηε σιλιχον ανδ δοπαντ
ατοµσ ιν α σεµιχονδυχτορ χρψσταλ. Τηε
γροωτη οφ τηε χρψσταλ φροµ α µελτ οφ σιλ−
ιχον ισ διχτατεδ βψ τηερµοδψναµιχ πριν−
χιπλεσ, νοτ ηυµαν πρεσυµπτιον.
Συχη εξαµπλεσ ιλλυστρατε τηε ποτεντιαλ
οφ σελφ−ασσεµβλψ. Τηοσε µατεριαλσ ωερε
αρριϖεδ ατ αλµοστ βψ αχχιδεντ. Ιν τηε
νεξτ φεω δεχαδεσ, ηοωεϖερ, µατεριαλσ
σχιεντιστσ ωιλλ βεγιν δελιβερατελψ το δε−
σιγν µαχηινεσ ανδ µανυφαχτυρινγ σψσ−
τεµσ εξπλιχιτλψ ινχορπορατινγ τηε πριν−
χιπλεσ οφ σελφ−ασσεµβλψ. Τηε αππροαχη
χουλδ ηαϖε µανψ αδϖανταγεσ. Ιτ ωουλδ
αλλοω τηε φαβριχατιον οφ µατεριαλσ ωιτη
νοϖελ προπερτιεσ. Ιτ ωουλδ ελιµινατε τηε
ερρορ ανδ εξπενσε ιντροδυχεδ βψ ηυµαν
Τηεσε µολεχυλεσ χαν οργανιζε τηεµσελϖεσ ον ονε συρφαχε,
τηερεβψ χρεατινγ ατ τηειρ οτηερ ενδ α συρφαχε ωιτη δι⇑ερεντ
προπερτιεσ. Συχη µονολαψερσ αρε βεινγ υσεδ το γυιδε τηε
γροωτη οφ λιϖινγ χελλσ, το στυδψ ωεττινγ, αδηεσιον ανδ φριχ−
τιον, ανδ το φορµ µιχροστρυχτυρεσ. Αδδιτιοναλ λαψερσ χαν βε
βυιλτ οντο τηε µονολαψερ; τηεσε σελφ−ασσεµβλινγ µυλτιλαψερσ
αρε βεινγ εξπλορεδ ασ χοατινγσ το χοντρολ ρε⇓εχτιον ιν δεϖιχεσ
τηατ υσε λιγητ ιν χοµµυνιχατιονσ.
MOLECULE
MONOLAYER
MULTILAYER
LIPOSOME
146
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
λαβορ. Ανδ τηε µινυτε µαχηινεσ οφ τηε
φυτυρε ενϖισιονεδ βψ εντηυσιαστσ οφ σο−
χαλλεδ νανοτεχηνολογψ ωουλδ αλµοστ
χερταινλψ νεεδ το βε χονστρυχτεδ βψ σελφ−
ασσεµβλψ µετηοδσ.
Φροµ Ματεριαλσ το Μαχηινεσ
Τ
ηε ρατιοναλ δεσιγν οφ σελφ−ασσεµ−
βλινγ µαχηινεσ βεγινσ ωιτη τηε ρα−
τιοναλ δεσιγν οφ σελφ−ασσεµβλινγ µατερι−
αλσ. Τηε σπηεριχαλ, µιχροσχοπιχ χαπσυλεσ
κνοων ασ λιποσοµεσ αρε αµονγ τηε εαρ−
λιεστ συχχεσσεσ. Σινχε τηε 1960σ, βιο−
µεδιχαλ ρεσεαρχηερσ ηαϖε βεεν εξπερι−
µεντινγ ωιτη λιποσοµεσ ασ α ϖεηιχλε
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
φορ τρανσπορτινγ δρυγσ ιν τηε βοδψ; βε−
χαυσε τηε χαπσυλεσ προτεχτ τηειρ χαργο
φροµ δεγραδατιον βψ ενζψµεσ, α δρυγ
χονταινεδ ιν α λιποσοµε ενϖελοπε χαν
ρεµαιν αχτιϖε φορ λονγερ περιοδσ τηαν ιτ
ωουλδ οτηερωισε.
Λιποσοµεσ ωερε µοδελεδ αφτερ χελλ
µεµβρανεσ, ωηιχη αρε αµονγ τηε µοστ
στρικινγ εξαµπλεσ οφ σελφ−ασσεµβλψ ιν
νατυρε. Χελλ µεµβρανεσ αρε µαδε µοστ−
λψ οφ µολεχυλεσ χαλλεδ πηοσπηολιπιδσ
τηατ ηαϖε α κινδ οφ δυαλ περσοναλιτψ :
ονε ενδ οφ τηε πηοσπηολιπιδ ισ αττραχτεδ
το ωατερ, ανδ τηε οτηερ ενδ ισ ρεπελλεδ
βψ ιτ. Ωηεν πλαχεδ ιν αν αθυεουσ ενϖι−
ΣΑΜσ
Τ
ηε εξαµπλε οφ νατυρε ηασ
ηελπεδ το ιλλυµινατε λιπο−
σοµε ρεσεαρχη, βυτ µανψ ιν−
ϖεστιγατιονσ οφ σελφ−ασσεµβλινγ
βεηαϖιορ µυστ σταρτ αλµοστ
φροµ σχρατχη. Α σελφ−ασσεµβλεδ
µονολαψερ∇α⇑εχτιονατελψ ρε−
φερρεδ το ασ ΣΑΜσ βψ τηοσε
ωηο ωορκ ωιτη τηεµ∇ισ α σιµπλε προτο−
τψπε τηατ εξεµπλι⇒εσ τηε δεσιγν πρινχι−
πλεσ µατεριαλσ ρεσεαρχηερσ αρε εξπλορινγ.
Α ΣΑΜ ισ α ονε− το τωο−νανοµετερ−τηιχκ
⇒λµ οφ οργανιχ µολεχυλεσ τηατ φορµ α
τωο−διµενσιοναλ χρψσταλ ον αν αδσορβ−
ινγ συβστρατε. Τηε µολεχυλεσ ιν α ΣΑΜ
αρε σαυσαγε−σηαπεδ, βεινγ λονγερ τηαν
τηεψ αρε ωιδε. Ατ ονε ενδ ισ αν ατοµ ορ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
147
GEORGE V. KELVIN
GEORGE M. WHITESIDES
ΓΟΛ∆−ΧΟΑΤΕ∆ ΣΙΛΙΧΟΝ ΩΑΦΕΡ ισ οφτεν υσεδ ιν στυδψινγ σελφ−ασσεµβλεδ µονολαψερσ. Ιν
τηισ εξπεριµεντ τηε λεφτ ηαλφ ωασ χοϖερεδ ωιτη α µονολαψερ ηαϖινγ α ηψδροπηοβιχ συρφαχε,
τηε ριγητ ηαλφ ωιτη ονε πρεσεντινγ α ηψδροπηιλιχ συρφαχε. ∆ροπσ οφ ωατερ ⇓αττενεδ ον τηε ηψ−
δροπηιλιχ σιδε βυτ φορµεδ ρουνδ βεαδσ τηατ µινιµιζεδ χονταχτ ωιτη τηε συρφαχε ον τηε ηψ−
δροπηοβιχ σιδε. Τηε βεηαϖιορ σηοωσ τηατ τηε ουτερµοστ παρτ οφ τηε σελφ−ασσεµβλεδ µονο−
λαψερ χοντρολσ τηε ωετταβιλιτψ οφ τηε συρφαχε. Τηε σαµε στρατεγψ χαν βε υσεδ το χοντρολ αδ−
ηεσιον, φριχτιον ανδ χορροσιον.
ρονµεντ, τηε µολεχυλεσ σπον−
τανεουσλψ φορµ α δουβλε λαψερ,
ορ βιλαψερ, ιν ωηιχη τηε ηψδρο−
πηιλιχ ενδσ αρε ιν χονταχτ ωιτη
τηε ωατερ ανδ τηε ηψδροπηο−
βιχ ενδσ ποιντ τοωαρδ ονε αν−
οτηερ. Ρεσεαρχηερσ υσε τηεσε
σαµε πηοσπηολιπιδσ το µακε
λιποσοµεσ. Ιφ τηερε αρε ενουγη
µολεχυλεσ, τηε πηοσπηολιπιδ
βιλαψερ ωιλλ γροω ιντο α σπηερε
ωιτη α χαϖιτψ λαργε ενουγη το
ηολδ δρυγ µολεχυλεσ. Τηε λιπο−
σοµεσ αρε τηεν ινϕεχτεδ ιντο
τηε βοδψ, ανδ τηε δρυγσ αρε
ρελεασεδ ειτηερ βψ λεακαγε ορ
ωηεν α σπηερε ρυπτυρεσ. Λιπο−
σοµε δρυγ−δελιϖερψ σψστεµσ
αρε χυρρεντλψ ιν χλινιχαλ τριαλσ.
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
γρουπ οφ ατοµσ τηατ ιντεραχτσ στρονγλψ
ωιτη τηε συρφαχε; ατ τηε οτηερ, χηεµιστσ
χαν α⇔ξ α ϖαριετψ οφ ατοµιχ γρουπινγσ,
τηερεβψ αλτερινγ τηε προπερτιεσ οφ τηε
νεω συρφαχε φορµεδ βψ τηε ΣΑΜ.
Τηε µοστ εξτενσιϖελψ στυδιεδ σψστεµ
οφ ΣΑΜσ ισ µαδε οφ µολεχυλεσ χαλλεδ
αλκανετηιολσ, λονγ ηψδροχαρβον χηαινσ
ωιτη α συλφυρ ατοµ ατ ονε τερµινυσ. Τηε
συλφυρ αδσορβσ ωελλ οντο α συβστρατε οφ
γολδ ορ σιλϖερ. Ωηεν, σαψ, α γλασσ πλατε
χοατεδ ωιτη α τηιν ⇒λµ οφ γολδ ισ διππεδ
ιντο α σολυτιον οφ αλκανετηιολ, τηε συλφυρ
ατοµσ ατταχη το τηε γολδ. Τηε διστανχε
βετωεεν τηε συλφυρ ατοµσ αδσορβεδ ον
GEORGE M. WHITESIDES
ΧΕΛΛ ΠΑΤΤΕΡΝΙΝΓ ρεϖεαλσ τηε βουνδ−
αρψ βετωεεν τωο δι⇑ερεντ τψπεσ οφ σελφ−
ασσεµβλεδ µονολαψερσ. Ονε σιδε ωασ
δεσιγνεδ το προµοτε, τηε οτηερ το πρε−
ϖεντ, τηε αδηεσιον οφ µαµµαλιαν χελλσ.
Τηε αβιλιτψ το χοντρολ τηε ατταχηµεντ οφ
λιϖινγ χελλσ ισ βεινγ υσεδ το υνδερστανδ
ηοω χελλσ ιντεραχτ ωιτη µαν−µαδε συρ−
φαχεσ ανδ ωιτη συρφαχεσ τηατ µιµιχ
τηοσε ιν λιϖινγ οργανισµσ ανδ το ιµ−
προϖε τηε περφορµανχε οφ δεϖιχεσ τηατ
ωιλλ βε ιµπλαντεδ ιν τηε βοδψ.
τηε συρφαχε ισ αβουτ τηε σαµε ασ τηε
χροσσ−σεχτιοναλ διαµετερ οφ τηε ρεστ οφ
τηε µολεχυλε (ηενχε τηε σαυσαγε σηαπε),
ανδ τηε αλκανετηιολσ παχκ τογετηερ, γεν−
ερατινγ ωηατ ισ εσσεντιαλλψ α τωο−διµεν−
σιοναλ χρψσταλ.
Τηε τηιχκνεσσ οφ τηισ χρψσταλ χαν βε
χοντρολλεδ βψ ϖαρψινγ τηε λενγτη οφ τηε
ηψδροχαρβον χηαιν, ανδ τηε προπερτιεσ
οφ τηε χρψσταλ∏σ συρφαχε χαν βε µοδι⇒εδ
ωιτη γρεατ πρεχισιον. Βψ ατταχηινγ δι⇑ερ−
εντ τερµιναλ γρουπσ, φορ εξαµπλε, τηε
συρφαχε χαν βε µαδε το αττραχτ ορ ρεπελ
ωατερ, ωηιχη ιν τυρν χαν α⇑εχτ ιτσ αδηε−
Τωο Τψπεσ οφ Σελφ−Ασσεµβλψ
ature abounds with examples of self-assembly. Consider a
raindrop on a leaf. The liquid drop has a smooth, curved
surface of just the kind required for optical lenses. Grinding a
lens of that shape would be a major undertaking. Yet the liquid
assumes this shape spontaneously, because molecules at the interface between liquid and air are less stable than those in the
interior. The laws of thermodynamics require that a raindrop
take the form that maximizes its energetic stability. The smooth,
curved shape does so by minimizing the area of the unstable
surface.
This type of self-assembly, known as thermodynamic self-assembly, works to construct only the simplest structures. Living
organisms, on
the other hand, ΕΜΒΡΨΟ εξεµπλι⇒εσ χοδεδ σελφ−ασσεµβλψ.
represent the exΡΑΙΝ∆ΡΟΠΣ ον α λεαφ ιλλυστρατε τηερµοδψναµιχ
treme in comσελφ−ασσεµβλψ.
plexity. They, too,
are self-assembling : cells reproduce themselves each time they divide.
Complex molecules inside a cell direct its function. Complex subcomponents help to sustain cells. The construction of a cell’s complexity is balanced thermodynamically by energy-dissipating structures within the
cell and requires complex molecules such as ATP. An embryo, and eventually new life, can arise from the union of two cells, whether or not human beings attend to the development.
The kind of self-assembly embodied by life is called coded self-assembly because instructions for the design of the system are built into
its components. The idea of designing materials with a built-in set of instructions that will enable them to mimic the complexity of life is immensely attractive. Researchers are only beginning to understand the
kinds of structures and tasks that could exploit this approach. Coded
self-assembly is truly a concept for the next century.
148
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
NEIL HARDING Tony Stone Images
CHRISTOPH BURKI Tony Stone Images
Ν
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
σεµβλψ εµβοδιεδ ιν ωηατ µατεριαλσ ρε−
σεαρχηερσ χαλλ α χρψσταλ µεµορψ : α σελφ−
ασσεµβλινγ, τηρεε−διµενσιοναλ ϖερσιον
οφ τηε πλαναρ µεµοριεσ τηατ αρε υσεδ ιν
µιχροελεχτρονιχ δεϖιχεσ τοδαψ. Ατ πρεσ−
εντ, τηε χρψσταλ µεµορψ ισ πυρελψ χον−
χεπτυαλ : νοτ ονε οφ ιτσ χοµπονεντσ ηασ
βεεν δεµονστρατεδ ιν τηε
λαβορατορψ, εϖεν ιν πρινχιπλε.
Βυτ τηεψ χαν βε ιµαγινεδ.
Τηε σµαλλεστ υνιτ οφ α
χρψσταλ µεµορψ µιγητ βε α
σιλιχον χηιπ ορ σοµε οτηερ
σεµιχονδυχτινγ µατεριαλ
Βυχκψτυβεσ
τηατ ωουλδ βε χαπαβλε οφ
χαρρψινγ ουτ α ϖαριετψ οφ µι−
ελφ−ασσεµβλψ ηασ αλσο
χροελεχτρονιχ
οπερατιονσ
προδυχεδ τινψ γραπηιτε
ανδ τηατ ωουλδ ηαϖε εµ−
τυβεσ τηατ αρε αµονγ τηε
βεδδεδ ιν ιτ ινστρυχτιονσ ον
σµαλλεστ ελεχτριχαλ ωιρεσ
ηοω το βεηαϖε ωηεν αχτι−
εϖερ µαδε. Τηεσε τυβεσ αρε
ϖατεδ βψ σιγναλσ φροµ σιµι−
χαλλεδ βυχκψτυβεσ, βεχαυσε
λαρ χηιπσ. Τηεσε υνιτσ ωουλδ
τηεψ αρε στρυχτυραλλψ σιµ−
αγγρεγατε σποντανεουσλψ,
ιλαρ το τηε χαρβον βυχκψ−
ορ χρψσταλλιζε, ιντο α σινγλε
βαλλσ ναµεδ φορ τηειρ ρε−
λαργερ υνιτ, µυχη ασ α λιπο−
σεµβλανχε το τηε γεοδεσιχ
σοµε ορ ΣΑΜ φορµσ φροµ
δοµεσ οφ Βυχκµινστερ Φυλ−
σµαλλερ χοµπονεντσ. Ιν
λερ. Βυχκψτυβεσ χονσιστ οφ
τηειρ νεω χον⇒γυρατιον, τηε
σεϖεραλ νεστεδ, χονχεντριχ
χηιπσ ωουλδ στιµυλατε ονε
χψλινδερσ ωιτη νανοµετερ−
ανοτηερ ανδ φορµ ελεχτριχαλ
σχαλε διαµετερσ, ανδ βε−
χοννεχτιονσ; σιγναλσ φροµ
χαυσε τηεψ αρε µαδε οφ
τηοσε χοννεχτιονσ ωουλδ
γραπηιτε∇τηε µοστ τηερµο−
τηεν τριγγερ τηε υνιτσ το βε−
δψναµιχαλλψ σταβλε φορµ οφ
γιν δι⇑ερεντιατιον, αχχορδ−
χαρβον ατ ατµοσπηεριχ πρεσ−
ινγ το τηειρ εµβεδδεδ προ−
συρε∇τηεψ τενδ το φορµ
γραµµινγ, ιντο σπεχιαλιζεδ
υνδερ χονδιτιονσ τηατ αλλοω
ρολεσ: ινπυτ ορ ουτπυτ υνιτσ,
χαρβον το µοϖε τοωαρδ τηερ−
σωιτχηεσ, µεµορψ χελλσ ανδ
µοδψναµιχ εθυιλιβριυµ.
Ιν ονε προχεσσ, α σµαλλ ΒΥΧΚΨΤΥΒΕΣ αρε αµονγ τηε σµαλλεστ ωιρεσ εϖερ µαδε. Τηε σο ον.
Ιφ συχη α δεϖιχε σεεµσ
δροπ οφ λιθυιδ µεταλ ισ εξ− ελεχτρον µιχρογραπη σηοωσ ιν χροσσ σεχτιον τηε µυλτιπλε λαψερσ
ποσεδ ατ ηιγη τεµπερατυρε οφ γραπηιτε οφ ωηιχη τηεψ αρε χοµποσεδ. Τηεσε νανοµετερ− ιµπροβαβλε, χονσιδερ τηατ
το α χαρβον σουρχε, συχη ασ σχαλε τυβεσ αρε γοοδ χονδυχτορσ οφ ελεχτριχιτψ ανδ µαψ ⇒νδ υσε τηε προχεσσ ϕυστ δεσχριβεδ
βενζενε. Τηε χαρβον δισ− ασ δοπαντσ τηατ ινχρεασε χονδυχτιϖιτψ ιν πολψµερσ ανδ ιµπροϖε ηασ µανψ πρεχεδεντσ ιν να−
τυρε; ιν φαχτ, αλλ φορµσ οφ
σολϖεσ ον ονε φαχε οφ τηε τηε περφορµανχε οφ βαττεριεσ.
λιφε ισσυε φροµ σιµπλε συβ−
µεταλ δροπλετ ανδ, φορ ρεα−
σονσ νο ονε θυιτε υνδερστανδσ, πρεχιπ− το υσε τηε τυβεσ ασ δοπαντσ το ινχρεασε υνιτσ χοµµυνιχατινγ αµονγ τηεµ−
ιτατεσ ον τηε οτηερ. Ασ ιτ πρεχιπιτατεσ, ιτ ελεχτριχαλ χονδυχτιϖιτψ ιν πολψµερσ ανδ σελϖεσ. Α µιχροελεχτρονιχ µεµορψ δε−
φορµσ α χιρχυλαρ τυβε οφ γραπηιτε ωηοσε οτηερ νονχονδυχτινγ µατεριαλσ ανδ ϖιχε χουλδ σοµεδαψ βε αβλε το βυιλδ ιτ−
σελφ βψ τηε χρψσταλλιζατιον οφ σµαλλερ
διαµετερ ισ ⇒ξεδ βψ τηε σιζε οφ τηε µετ− σοµεδαψ το βυιλδ χιρχυιτσ ωιτη τηεµ.
αλ δροπ. Τηε τυβε γροωσ φροµ τηε δροπ
Ινδεεδ, βυχκψτυβεσ µιγητ βε παρτ οφ παρτσ, τηυσ υσηερινγ ιν α νεω ερα ιν
χοντινυουσλψ ασ χαρβον ισ φεδ το ιτ. Βε− α µορε αµβιτιουσ αππροαχη το σελφ−ασ− µανυφαχτυρινγ.
σιον, χορροσιον ανδ λυβριχατιον. Ιφ τηε
αλκανετηιολσ αρε σταµπεδ οντο τηε γολδ
ιν α παρτιχυλαρ παττερν, τηεψ χαν βε υσεδ
το ινϖεστιγατε τηε γροωτη οφ χελλσ ον
διφφερεντ οργανιχ συβστρατεσ ορ το χον−
στρυχτ δι⇑ραχτιον γρατινγσ φορ οπτιχαλ
ινστρυµεντσ. Ιν χοντραστ το µοστ προχε−
δυρεσ φορ συρφαχε µοδι⇒χα−
τιον, αλλ τηεσε οπερατιονσ αρε
σιµπλε ανδ ινεξπενσιϖε, ρε−
θυιρινγ νειτηερ ηιγη−ϖαχυυµ
εθυιπµεντ νορ λιτηογραπηψ.
χαυσε συππορτσ ηολδινγ µιλλιονσ οφ µετ−
αλ δροπσ αρε σιµπλε το πρεπαρε, µιλλιονσ
οφ βυχκψτυβεσ χαν βε γροων σιµυλτανε−
ουσλψ ιν α σινγλε ρεαχτορ. Τηε τυβεσ αρε
γοοδ χονδυχτορσ οφ ελεχτριχιτψ; αλτηουγη
ιτ ισ στιλλ νοτ χλεαρ ηοω το ασσεµβλε τηεµ
ιντο χοηερεντ στρυχτυρεσ, χηεµιστσ ηοπε
YUAN LU Harvard University
Σ
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΓΕΟΡΓΕ Μ. ΩΗΙΤΕΣΙ∆ΕΣ ισ Μαλλινχκροδτ Προφεσσορ οφ
Χηεµιστρψ ατ Ηαρϖαρδ Υνιϖερσιτψ. Ηε ρεχειϖεδ ηισ Πη.∆. ιν
1964 φροµ τηε Χαλιφορνια Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ανδ
ταυγητ ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ φορ
αλµοστ 20 ψεαρσ βεφορε ϕοινινγ τηε χηεµιστρψ δεπαρτµεντ
ατ Ηαρϖαρδ ιν 1982. Ηισ ιντερεστ ιν βοτη µατεριαλσ σχιενχε
ανδ βιολογψ ανδ, ιν παρτιχυλαρ, ηισ φασχινατιον ωιτη σµαλλ−
ερ ανδ σµαλλερ στρυχτυρεσ δρεω ηιµ τοωαρδ ινϖεστιγα−
τιονσ οφ σελφ−ασσεµβλψ.
ΜΕΜΒΡΑΝΕ ΜΙΜΕΤΙΧ ΧΗΕΜΙΣΤΡΨ. ϑανοσ Η. Φενδλερ. ϑοην Ωιλεψ & Σονσ, 1982.
ΜΟΛΕΧΥΛΑΡ ΣΕΛΦ−ΑΣΣΕΜΒΛΨ ΑΝ∆ ΝΑΝΟΧΗΕΜΙΣΤΡΨ: Α ΧΗΕΜΙΧΑΛ ΣΤΡΑΤΕΓΨ ΦΟΡ
ΤΗΕ ΣΨΝΤΗΕΣΙΣ ΟΦ ΝΑΝΟΣΤΡΥΧΤΥΡΕΣ. Γ. Μ. Ωηιτεσιδεσ, ϑ. Π. Ματηιασ ανδ Χ. Τ.
Σετο ιν Σχιενχε, ςολ. 254, παγεσ 1312∠1319; Νοϖεµβερ 29, 1991.
∆ΕΣΙΓΝΙΝΓ ΤΗΕ ΜΟΛΕΧΥΛΑΡ ΩΟΡΛ∆: ΧΗΕΜΙΣΤΡΨ ΑΤ ΤΗΕ ΦΡΟΝΤΙΕΡ. Πηιλιπ Βαλλ.
Πρινχετον Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1994.
ΕΝΓΙΝΕΕΡΙΝΓ ΧΕΛΛ ΣΗΑΠΕ ΑΝ∆ ΦΥΝΧΤΙΟΝ. Ρ. Σινγηϖι, Α. Κυµαρ, Γ. Π. Λοπεζ, Γ.
Ν. Στεπηανοπουλοσ, ∆. Ι. Χ. Ωανγ, Γ. Μ. Ωηιτεσιδεσ ανδ ∆. Ε. Ινγβερ ιν Σχιενχε,
ςολ. 264, παγεσ 696∠698; Απριλ 29, 1994.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
149
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Ενγινεερινγ
Μιχροσχοπιχ Μαχηινεσ
Electronic fabrication processes
can produce a data storage device
or a chemical factory on a microchip
βψ Καιγηαµ ϑ. Γαβριελ
Τ
ηε ελεχτρονιχσ ινδυστρψ ρελιεσ ον
ιτσ αβιλιτψ το δουβλε τηε νυµβερ
οφ τρανσιστορσ ον α µιχροχηιπ εϖ−
ερψ 18 µοντησ, α τρενδ τηατ δριϖεσ τηε
δραµατιχ ρεϖολυτιον ιν ελεχτρονιχσ. Μαν−
υφαχτυρινγ µιλλιονσ οφ µιχροσχοπιχ ελε−
µεντσ ιν αν αρεα νο λαργερ τηαν α ποστ−
αγε σταµπ ηασ νοω βεγυν το ινσπιρε
τεχηνολογψ τηατ ρεαχηεσ βεψονδ τηε
⇒ελδ τηατ προδυχεδ τηε ποχκετ τελε−
πηονε ανδ τηε περσοναλ χοµπυτερ.
Υσινγ τηε µατεριαλσ ανδ προχεσσεσ οφ
µιχροελεχτρονιχσ, ρεσεαρχηερσ ηαϖε φαση−
ιονεδ µιχροσχοπιχ βεαµσ, πιτσ, γεαρσ,
µεµβρανεσ ανδ εϖεν µοτορσ τηατ χαν
βε δεπλοψεδ το µοϖε ατοµσ ορ το οπεν
ανδ χλοσε ϖαλϖεσ τηατ πυµπ µιχρολιτερσ
οφ λιθυιδ. Τηε σιζε οφ τηεσε µεχηανιχαλ
ελεµεντσ ισ µεασυρεδ ιν µιχρονσ∇α
φραχτιον οφ τηε ωιδτη οφ α ηυµαν ηαιρ.
Ανδ λικε τρανσιστορσ, µιλλιονσ οφ τηεµ
χαν βε φαβριχατεδ ατ ονε τιµε.
Ιν τηε νεξτ 50 ψεαρσ, τηισ στρυχτυραλ
ενγινεερινγ οφ σιλιχον µαψ ηαϖε ασ προ−
φουνδ αν ιµπαχτ ον σοχιετψ ασ διδ τηε
µινιατυριζατιον οφ ελεχτρονιχσ ιν πρεχεδ−
ινγ δεχαδεσ. Ελεχτρονιχ χοµπυτινγ ανδ
µεµορψ χιρχυιτσ, ασ ποωερφυλ ασ τηεψ
αρε, δο νοτηινγ µορε τηαν σωιτχη ελεχ−
τρονσ ανδ ρουτε τηεµ ον τηειρ ωαψ οϖερ
τινψ ωιρεσ. Μιχροµεχηανιχαλ δεϖιχεσ ωιλλ
συππλψ ελεχτρονιχ σψστεµσ ωιτη α µυχη
νεεδεδ ωινδοω το τηε πηψσιχαλ ωορλδ,
αλλοωινγ τηεµ το σενσε ανδ χοντρολ µο−
τιον, λιγητ, σουνδ, ηεατ ανδ οτηερ πηψσι−
χαλ φορχεσ.
Τηε χουπλινγ οφ µεχηανιχαλ ανδ ελεχ−
τρονιχ σψστεµσ ωιλλ προδυχε δραµατιχ
τεχηνιχαλ αδϖανχεσ αχροσσ διϖερσε σχιεν−
τι⇒χ ανδ ενγινεερινγ δισχιπλινεσ. Τηου−
σανδσ οφ βεαµσ ωιτη χροσσ σεχτιονσ οφ
λεσσ τηαν α µιχρον ωιλλ µοϖε τινψ ελεχ−
τριχαλ σχαννινγ ηεαδσ τηατ ωιλλ ρεαδ ανδ
ωριτε ενουγη δατα το στορε α σµαλλ λι−
βραρψ οφ ινφορµατιον ον αν αρεα τηε σιζε
150
οφ α µιχροχηιπ. Αρραψσ οφ ϖαλϖεσ ωιλλ ρε−
λεασε δρυγ δοσαγεσ ιντο τηε βλοοδ−
στρεαµ ατ πρεχισελψ τιµεδ ιντερϖαλσ. Ιν−
ερτιαλ γυιδανχε σψστεµσ ον α χηιπ ωιλλ
αιδ ιν λοχατινγ τηε ποσιτιον οφ µιλιταρψ
χοµβαταντσ ανδ διρεχτ µυνιτιονσ πρε−
χισελψ το ταργετσ.
Μιχροελεχτροµεχηανιχαλ σψστεµσ, ορ
ΜΕΜΣ, ισ τηε ναµε γιϖεν το τηε πραχτιχε
οφ µακινγ ανδ χοµβινινγ µινιατυριζεδ
µεχηανιχαλ ανδ ελεχτρονιχ χοµπονεντσ.
ΜΕΜΣ δεϖιχεσ αρε µαδε υσινγ µανυφαχ−
τυρινγ προχεσσεσ τηατ αρε σιµιλαρ, ανδ ιν
σοµε χασεσ ιδεντιχαλ, το τηοσε ρεθυιρεδ
φορ χραφτινγ ελεχτρονιχ χοµπονεντσ.
Συρφαχε Μιχροµαχηινινγ
Ο
νε τεχηνιθυε, χαλλεδ συρφαχε µιχρο−
µαχηινινγ, παραλλελσ ελεχτρονιχσ φαβ−
ριχατιον σο χλοσελψ τηατ ιτ ισ εσσεντιαλλψ α
σεριεσ οφ στεπσ αδδεδ το τηε µακινγ οφ
α µιχροχηιπ. Συρφαχε µιχροµαχηινινγ
αχθυιρεδ ιτσ ναµε βεχαυσε τηε σµαλλ
µεχηανιχαλ στρυχτυρεσ αρε µαχηινεδ
οντο τηε συρφαχε οφ α σιλιχον δισκ, κνοων
ασ α ωαφερ. Τηε τεχηνιθυε ρελιεσ ον πηο−
τολιτηογραπηψ ασ ωελλ ασ οτηερ σταπλεσ
οφ τηε ελεχτρονιχ µανυφαχτυρινγ προ−
χεσσ τηατ δεποσιτ ορ ετχη αωαψ σµαλλ
αµουντσ οφ µατεριαλ ον τηε χηιπ.
Πηοτολιτηογραπηψ χρεατεσ α παττερν ον
τηε συρφαχε οφ α ωαφερ, µαρκινγ ο⇑ αν
αρεα τηατ ισ συβσεθυεντλψ ετχηεδ αωαψ
το βυιλδ υπ µιχροµεχηανιχαλ στρυχτυρεσ
συχη ασ α µοτορ ορ α φρεεστανδινγ
βεαµ. Μανυφαχτυρερσ σταρτ βψ παττερν−
ινγ ανδ ετχηινγ α ηολε ιν α λαψερ οφ σιλι−
χον διοξιδε δεποσιτεδ ον τηε ωαφερ. Α
γασεουσ ϖαπορ ρεαχτιον τηεν δεποσιτσ α
λαψερ οφ πολψχρψσταλλινε σιλιχον, ωηιχη
χοατσ βοτη τηε ηολε ανδ τηε ρεµαινινγ
σιλιχον διοξιδε µατεριαλ. Τηε σιλιχον δε−
ποσιτεδ ιντο τηε ηολε βεχοµεσ τηε βασε
οφ τηε βεαµ, ανδ τηε σαµε µατεριαλ τηατ
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
οϖερλαψσ τηε σιλιχον διοξιδε φορµσ τηε
συσπενδεδ παρτ οφ τηε βεαµ στρυχτυρε.
Ιν τηε ⇒ναλ στεπ, τηε ρεµαινινγ σιλιχον
διοξιδε ισ ετχηεδ αωαψ, λεαϖινγ τηε πολψ−
χρψσταλλινε σιλιχον βεαµ φρεε ανδ συσ−
πενδεδ αβοϖε τηε συρφαχε οφ τηε ωαφερ.
Συχη µινιατυριζεδ στρυχτυρεσ εξηιβιτ
υσεφυλ µεχηανιχαλ προπερτιεσ. Ωηεν
στιµυλατεδ ωιτη αν ελεχτριχαλ ϖολταγε, α
βεαµ ωιτη α σµαλλ µασσ ωιλλ ϖιβρατε
µορε ραπιδλψ τηαν α ηεαϖιερ δεϖιχε, µακ−
ινγ ιτ α µορε σενσιτιϖε δετεχτορ οφ µο−
τιον, πρεσσυρε ορ εϖεν χηεµιχαλ προπερ−
τιεσ. Φορ ινστανχε, α βεαµ χουλδ αδσορβ
α χερταιν χηεµιχαλ (αδσορπτιον οχχυρσ
ωηεν τηιν λαψερσ οφ α µολεχυλε αδηερε
το α συρφαχε). Ασ µορε οφ τηε χηεµιχαλ
ισ αδσορβεδ, τηε ωειγητ οφ τηε βεαµ
χηανγεσ, αλτερινγ τηε φρεθυενχψ ατ ωηιχη
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
DAVID SCHARF
CORNELL UNIVERSITY
ιτ ωουλδ ϖιβρατε ωηεν ελεχτριχαλλψ εξχιτ−
εδ. Τηισ χηεµιχαλ σενσορ χουλδ τηερε−
φορε οπερατε βψ δετεχτινγ συχη χηανγεσ
ιν ϖιβρατιοναλ φρεθυενχψ. Ανοτηερ τψπε
οφ σενσορ τηατ εµπλοψσ βεαµσ µανυ−
φαχτυρεδ ωιτη συρφαχε µιχροµαχηινινγ
φυνχτιονσ ον α σλιγητλψ δι⇑ερεντ πρινχι−
πλε. Ιτ χηανγεσ τηε ποσιτιον οφ συσπενδ−
εδ παραλλελ βεαµσ τηατ µακε υπ αν ελεχ−
τριχαλ χαπαχιτορ∇ανδ τηυσ αλτερσ τηε
αµουντ οφ στορεδ ελεχτριχαλ χηαργε∇
ωηεν αν αυτοµοβιλε γοεσ τηρουγη τηε
ραπιδ δεχελερατιον οφ α χραση. Αναλογ
∆εϖιχεσ, α Μασσαχηυσεττσ−βασεδ σεµι−
χονδυχτορ χονχερν, µανυφαχτυρεσ τηισ
αχχελερατιον σενσορ το τριγγερ τηε ρελεασε
οφ αν αιρ βαγ. Τηε χοµπανψ ηασ σολδ
µορε τηαν ηαλφ α µιλλιον οφ τηεσε σεν−
σορσ το αυτοµοβιλε µακερσ οϖερ τηε παστ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΜΙΧΡΟΜΕΧΗΑΝΙΧΑΛ ΙΝΣΤΡΥΜΕΝΤ χονσιστσ οφ α µοτορ ανδ τιπ. Τηε τιπ ισ ϖισιβλε
ον τηε συσπενδεδ στρυχτυρε ιν τηε χεντερ οφ τηε µοτορ; α σιµιλαρ τιπ ισ σηοων ιν
χλοσε−υπ ατ τηε υππερ ριγητ. Ονε δαψ συχη µοτορσ, ωηιχη µεασυρε 200 µιχρονσ ον α
σιδε (νο µορε τηαν τωο ηαιρ βρεαδτησ), µαψ µανευϖερ τιπσ το ρεαδ ανδ ωριτε δατα.
τωο ψεαρσ [σεε ιλλυστρατιον ον παγε 153].
Τηισ αιρ−βαγ σενσορ µαψ ονε δαψ βε
λοοκεδ βαχκ ον ασ τηε µιχροελεχτροµε−
χηανιχαλ εθυιϖαλεντ οφ τηε εαρλψ ιντεγρατ−
εδ ελεχτρονιχσ χηιπσ. Τηε φαβριχατιον οφ
βεαµσ ανδ οτηερ ελεµεντσ οφ τηε µο−
τιον σενσορ ον τηε συρφαχε οφ α σιλιχον
µιχροχηιπ ηασ µαδε ιτ ποσσιβλε το προ−
δυχε τηισ δεϖιχε ον α στανδαρδ ιντεγρατ−
εδ−χιρχυιτ φαβριχατιον λινε.
Ιν µιχροελεχτρονιχσ τηε αβιλιτψ το αυγ−
µεντ χοντινυαλλψ τηε νυµβερ οφ τρανσισ−
τορσ τηατ χαν βε ωιρεδ τογετηερ ηασ προ−
δυχεδ τρυλψ ρεϖολυτιοναρψ δεϖελοπµεντσ:
τηε µιχροπροχεσσορσ ανδ µεµορψ χηιπσ
τηατ µαδε ποσσιβλε σµαλλ, α⇑ορδαβλε
χοµπυτινγ δεϖιχεσ συχη ασ τηε περσοναλ
χοµπυτερ. Σιµιλαρλψ, τηε ωορτη οφ ΜΕΜΣ
µαψ βεχοµε αππαρεντ ονλψ ωηεν τηου−
σανδσ ορ µιλλιονσ οφ µεχηανιχαλ στρυχ−
τυρεσ αρε µανυφαχτυρεδ ανδ ιντεγρατεδ
ωιτη ελεχτρονιχ ελεµεντσ.
Τηε ⇒ρστ εξαµπλεσ οφ µασσ προδυχ−
τιον οφ µιχροελεχτροµεχηανιχαλ δεϖιχεσ
ηαϖε βεγυν το αππεαρ∇ανδ µανψ οτη−
ερσ αρε βεινγ χοντεµπλατεδ ιν ρεσεαρχη
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
151
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Τηε φυτυρε οφ ΜΕΜΣ χαν βε γλιµπσεδ
βψ εξαµινινγ προϕεχτσ τηατ ηαϖε βεεν
φυνδεδ δυρινγ τηε παστ τηρεε ψεαρσ υν−
δερ α προγραµ σπονσορεδ βψ τηε Υ.Σ.
∆επαρτµεντ οφ ∆εφενσε∏σ Αδϖανχεδ Ρε−
σεαρχη Προϕεχτσ Αγενχψ. Τηισ ρεσεαρχη ισ
διρεχτεδ τοωαρδ βυιλδινγ α νυµβερ οφ
προτοτψπε µιχροελεχτροµεχηνιχαλ δε−
ϖιχεσ ανδ σψστεµσ τηατ χουλδ τρανσφορµ
νοτ ονλψ ωεαπονσ σψστεµσ βυτ αλσο χον−
συµερ προδυχτσ.
Α τεαµ οφ ενγινεερσ ατ τηε Υνιϖερσιτψ
οφ Χαλιφορνια ατ Λοσ Ανγελεσ ανδ τηε Χαλ−
ιφορνια Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ωαντσ το
σηοω ηοω ΜΕΜΣ µαψ εϖεντυαλλψ ιν⇓υ−
ενχε αεροδψναµιχ δεσιγν. Τηε γρουπ
ηασ ουτλινεδ ιτσ ιδεασ φορ τεχηνολογψ
τηατ µιγητ ρεπλαχε τηε ρελατιϖελψ λαργε
µοϖινγ συρφαχεσ οφ α ωινγ∇τηε ⇓απσ,
σλατσ ανδ αιλερονσ∇τηατ χοντρολ βοτη
τυρνινγ ανδ ασχεντ ανδ δεσχεντ. Ιτ πλανσ
το λινε τηε συρφαχε οφ α ωινγ ωιτη τηου−
σανδσ οφ 150−µιχρον−λονγ πλατεσ τηατ,
ιν τηειρ ρεστινγ ποσιτιον, ρεµαιν ⇓ατ ον
τηε ωινγ συρφαχε. Ωηεν αν ελεχτριχαλ
ϖολταγε ισ αππλιεδ, τηε πλατεσ ρισε φροµ
τηε συρφαχε ατ υπ το α 90−δεγρεε ανγλε.
Τηυσ αχτιϖατεδ, τηεψ χαν χοντρολ τηε
ϖορτιχεσ οφ αιρ τηατ φορµ αχροσσ σελεχτ−
λαβορατοριεσ αλλ οϖερ τηε ωορλδ. Αν εαρλψ
προτοτψπε δεµονστρατεσ ηοω ΜΕΜΣ
µαψ α⇑εχτ τηε ωαψ µιλλιονσ οφ πεοπλε
σπενδ τηειρ λεισυρε τιµε ιν φροντ οφ τηε
τελεϖισιον σετ. Τεξασ Ινστρυµεντσ ηασ
βυιλτ αν ελεχτρονιχ δισπλαψ ιν ωηιχη τηε
πιχτυρε ελεµεντσ, ορ πιξελσ, τηατ µακε
υπ τηε ιµαγε αρε χοντρολλεδ βψ µιχρο−
ελεχτροµεχηανιχαλ στρυχτυρεσ. Εαχη πιξελ
χονσιστσ οφ α 16−µιχρον−ωιδε αλυµινυµ
µιρρορ τηατ χαν ρε⇓εχτ πυλσεσ οφ χολ−
ορεδ λιγητ οντο α σχρεεν. Τηε πιξελσ αρε
τυρνεδ ο⇑ ορ ον ωηεν αν ελεχτριχ ⇒ελδ
χαυσεσ τηε µιρρορσ το τιλτ 10 δεγρεεσ το
ονε σιδε ορ τηε οτηερ. Ιν ονε διρεχτιον,
α λιγητ βεαµ ισ ρε⇓εχτεδ οντο τηε σχρεεν
το ιλλυµινατε τηε πιξελ. Ιν τηε οτηερ, ιτ
σχαττερσ αωαψ φροµ τηε σχρεεν, ανδ τηε
πιξελ ρεµαινσ δαρκ.
Τηισ µιχροµιρρορ δισπλαψ χουλδ προ−
ϕεχτ τηε ιµαγεσ ρεθυιρεδ φορ α λαργε−
σχρεεν τελεϖισιον ωιτη α ηιγη δεγρεε οφ
βριγητνεσσ ανδ ρεσολυτιον οφ πιχτυρε δε−
ταιλ. Τηε µιρρορσ χουλδ χοµπενσατε φορ
τηε ιναδεθυαχιεσ ενχουντερεδ ωιτη οτη−
ερ τεχηνολογιεσ. ∆ισπλαψ δεσιγνερσ, φορ
ινστανχε, ηαϖε ρυν ιντο δι⇔χυλτψ ιν µακ−
ινγ λιθυιδ−χρψσταλ σχρεενσ λαργε ενουγη
φορ α ωαλλ−σιζε τελεϖισιον δισπλαψ.
εδ αρεασ οφ τηε ωινγ. Σενσορσ χαν µον−
ιτορ τηε χυρρεντσ οφ αιρ ρυσηινγ οϖερ τηε
ωινγ ανδ σενδ α σιγναλ το αδϕυστ τηε
ποσιτιον οφ τηε πλατεσ [σεε Εϖολυτιον
οφ τηε Χοµµερχιαλ Αιρλινερ, βψ Ευγενε
Ε. Χοϖερτ, παγε 110 ].
Τηεσε µοϖαβλε πλατεσ, ορ αχτυατορσ,
φυνχτιον σιµιλαρλψ το α µιχροσχοπιχ ϖερ−
σιον οφ τηε ηυγε ⇓απσ ον χονϖεντιοναλ
αιρχραφτ. Φινε−τυνινγ τηε χοντρολ οφ τηε
ωινγ συρφαχεσ ωουλδ εναβλε αν αιρπλανε
το τυρν µορε θυιχκλψ, σταβιλιζε αγαινστ
τυρβυλενχε, ορ βυρν λεσσ φυελ βεχαυσε οφ
γρεατερ ⇓ψινγ ε⇔χιενχψ. Τηε αδδιτιοναλ
αεροδψναµιχ χοντρολ αχηιεϖεδ ωιτη τηισ
σµαρτ σκιν χουλδ λεαδ το ραδιχαλλψ νεω
αιρχραφτ δεσιγνσ τηατ µοϖε βεψονδ τηε
χψλινδερ−ωιτη−ωινγσ αππεαρανχε τηατ
ηασ πρεϖαιλεδ φορ 70 ψεαρσ. Αεροσπαχε
ενγινεερσ µιγητ δισπενσε εντιρελψ ωιτη
⇓απσ, ρυδδερσ ανδ εϖεν τηε ωινγ συρ−
φαχε, χαλλεδ α ϖερτιχαλ σταβιλιζερ. Τηε αιρ−
χραφτ ωουλδ βεχοµε α κινδ οφ ⇓ψινγ
ωινγ, σιµιλαρ το τηε Υ.Σ. Αιρ Φορχε∏σ
Στεαλτη βοµβερ. Αν αιρχραφτ ωιτηουτ α
ϖερτιχαλ σταβιλιζερ ωουλδ εξηιβιτ γρεατερ
µανευϖεραβιλιτψ∇α βοον φορ ⇒γητερ αιρ−
χραφτ ανδ περηαπσ αλσο ονε δαψ φορ ηιγη−
σπεεδ χοµµερχιαλ αιρλινερσ τηατ µυστ
βε χαπαβλε οφ χηανγινγ διρεχτιον θυιχκ−
λψ το αϖοιδ χολλισιονσ.
TRENDS IN MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS
Μινιατυρε Μιχροσχοπεσ
109
Τ
ΕςΟΛΥΤΙΟΝ ΟΦ ΣΜΑΛΛ ΜΑΧΗΙΝΕΣ ΑΝ∆ ΣΕΝΣΟΡΣ δεµονστρατεσ τηατ ιντεγρατινγ
µορε οφ τηεσε δεϖιχεσ ωιτη ελεχτρονιχ χιρχυιτσ ωιλλ ψιελδ α ωινδοω το τηε ωορλδ οφ
µοτιον, σουνδ, ηεατ ανδ οτηερ πηψσιχαλ φορχεσ. Τηε ϖερτιχαλ αξισ σηοωσ ινφορµα−
τιον−προχεσσινγ αβιλιτψ; τηε ηοριζονταλ αξισ ινδιχατεσ τηε δεϖιχεσ∏ αβιλιτψ το σενσε
ανδ χοντρολ. Τηε γρεεν αρεα ρεπρεσεντσ δεϖιχεσ τηατ ηαϖε αλρεαδψ βεεν δεϖελοπεδ;
ορανγε αρεασ ηιγηλιγητ φυτυρε αππλιχατιονσ φορ τηε τεχηνολογψ.
ηε ενγινεερινγ οφ σµαλλ µαχηινεσ
ανδ σενσορσ αλλοωσ νεω υσεσ φορ ολδ
ιδεασ. Φορ α δεχαδε, σχιεντιστσ ηαϖε ρου−
τινελψ ωορκεδ ωιτη τηε σχαννινγ προβε
µιχροσχοπεσ τηατ χαν µανιπυλατε ανδ
φορµ ιµαγεσ ωιτη ινδιϖιδυαλ ατοµσ. Τηε
µοστ ωελλ κνοων οφ τηεσε δεϖιχεσ ισ τηε
σχαννινγ τυννελινγ µιχροσχοπε, ορ ΣΤΜ.
Τηε ΣΤΜ, αν ινϖεντιον φορ ωηιχη Γερδ
Βιννιγ ανδ Ηεινριχη Ροηρερ οφ ΙΒΜ ωον
τηε Νοβελ Πριζε ιν Πηψσιχσ ιν 1986,
χαυγητ τηε αττεντιον οφ µιχροµεχηανι−
χαλ σπεχιαλιστσ ιν τηε εαρλψ 1980σ. Τηε
φασχινατιον οφ τηε ενγινεερινγ χοµµυ−
νιτψ στεµσ φροµ χαλχυλατιονσ οφ ηοω
µυχη ινφορµατιον χουλδ βε στορεδ ιφ
ΣΤΜσ ωερε υσεδ το ρεαδ ανδ ωριτε διγι−
ταλ δατα. Α τριλλιον βιτσ οφ ινφορµατιον∇
εθυαλ το τηε τεξτ οφ 500 Ενχψχλοπαεδια
Βριταννιχα∏σ∇µιγητ ⇒τ ιντο α σθυαρε
χεντιµετερ ον α χηιπ βψ δεπλοψινγ αν
ασσεµβλψ οφ µυλτιπλε ΣΤΜσ.
Τηε ΣΤΜ ισ α νεεδλε−σηαπεδ προβε,
τηε τιπ οφ ωηιχη χονσιστσ οφ α σινγλε
ατοµ. Α χυρρεντ τηατ τυννελσ φροµ τηε
τιπ το α νεαρβψ χονδυχτιϖε συρφαχε χαν
µοϖε σµαλλ γρουπσ οφ ατοµσ, ειτηερ το
χρεατε ηολεσ ορ το πιλε υπ τινψ µουνδσ
ον τηε σιλιχον χηιπ. Ηολεσ ανδ µουνδσ
χορρεσπονδ το τηε ζεροσ ανδ ονεσ ρε−
θυιρεδ το στορε διγιταλ δατα. Α σενσορ,
152
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
108
Structural Control of Aircraft
NUMBER OF TRANSISTORS
107
Data Storage
Computer Displays
106
Inertial Navigation
105
Pumps and Valves
104
103
Weapons, Arming
and Detonation Optical Switches
and Aligners
Parts Handling
in Manufacturing
101
MARIA SUTTON
102
Majority of Existing
Microelectromechanical Devices
100
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
NUMBER OF MECHANICAL COMPONENTS
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
a
MICHAEL GOODMAN
SILICON
DIOXIDE
ANCHOR HOLES ETCHED
INTO SILICON DIOXIDE
b
POLYCRYSTALLINE
SILICON
DEPOSITED
c
PATTERN
ETCHED INTO
POLYCRYSTALLINE
SILICON
SILICON DIOXIDE
ETCHED AWAY
d
SILICON
SUBSTRATE
SILICON
NITRIDE
e
ANALOG DEVICES
ΒΕΑΜΣ τηατ σερϖε ασ παρτ οφ αν αχχελερατιον σενσορ φορ τριγγερινγ αιρ βαγσ ( πηοτο−
γραπη) αρε µαδε βψ ⇒ρστ δεποσιτινγ λαψερσ οφ σιλιχον νιτριδε (αν ινσυλατινγ µατερι−
αλ ) ανδ σιλιχον διοξιδε ον τηε συρφαχε οφ α σιλιχον συβστρατε (α ). Ηολεσ αρε λιτηο−
γραπηιχαλλψ παττερνεδ ανδ ετχηεδ ιντο τηε σιλιχον διοξιδε το φορµ ανχηορ ποιντσ φορ
τηε βεαµσ (β). Α λαψερ οφ πολψχρψσταλλινε σιλιχον ισ τηεν δεποσιτεδ (χ ). Λιτηογραπηψ
ανδ ετχηινγ φορµ τηε παττερν οφ τηε βεαµσ (δ ). Φιναλλψ, τηε σιλιχον διοξιδε ισ ετχηεδ
αωαψ το λεαϖε τηε φρεεστανδινγ βεαµσ (ε ).
περηαπσ ονε χονστρυχτεδ φροµ α δι⇑ερ−
εντ τψπε οφ σχαννινγ προβε µιχροσχοπε,
ωουλδ ρεαδ τηε δατα βψ δετεχτινγ
ωηετηερ α νανοµετερ−σιζε πλοτ οφ σιλι−
χον ρεπρεσεντσ α ζερο ορ ονε.
Ονλψ βεαµσ ανδ µοτορσ α φεω µι−
χρονσ ιν σιζε, ανδ ωιτη α χοµµενσυρατε−
λψ σµαλλ µασσ, ωιλλ βε αβλε το µοϖε αν
ΣΤΜ θυιχκλψ ανδ πρεχισελψ ενουγη το
µακε τεραβιτ (τριλλιον−βιτ) δατα στοραγε
ον α χηιπ πραχτιχαβλε. Ωιτη ΜΕΜΣ, τηου−
σανδσ οφ ΣΤΜσ χουλδ βε συσπενδεδ
φροµ µοϖαβλε βεαµσ βυιλτ ον τηε συρ−
φαχε οφ α χηιπ, εαχη ονε ρεαδινγ ορ ωριτ−
ινγ δατα ιν αν αρεα οφ α φεω σθυαρε µι−
χρονσ. Τηε στοραγε µεδιυµ, µορεοϖερ,
χουλδ ρεµαιν στατιοναρψ, ωηιχη ωουλδ
ελιµινατε τηε νεεδ φορ τοδαψ∏σ σπιννινγ−
µεδια δισκ δριϖεσ [σεε ιλλυστρατιον ον
παγε 151 ].
Νοελ Χ. Μαχ∆οναλδ, αν ελεχτριχαλ ενγι−
νεερινγ προφεσσορ ατ Χορνελλ Υνιϖερσιτψ,
ηασ τακεν α στεπ τοωαρδ φυλ⇒λλινγ τηε ϖι−
σιον οφ τηε ποχκετ ρεσεαρχη λιβραρψ. Ηε
ηασ βυιλτ αν ΣΤΜ−εθυιππεδ µιχροβεαµ
τηατ χαν βε µοϖεδ ιν ειτηερ τηε ϖερτιχαλ
ανδ ηοριζονταλ αξεσ ορ εϖεν ατ αν
οβλιθυε ανγλε. Τηε βεαµ ηανγσ ον α συσ−
πενδεδ φραµε ατταχηεδ το φουρ µοτορσ,
εαχη οφ ωηιχη µεασυρεσ ονλψ 200 µι−
χρονσ (τωο ηαιρ ωιδτησ) αχροσσ. Τηεσε
ενγινεσ πυση ορ πυλλ ον εαχη σιδε οφ τηε
τιπ ατ σπεεδσ ασ ηιγη ασ α µιλλιον τιµεσ α
σεχονδ. Μαχ∆οναλδ νεξτ πλανσ το βυιλδ
αν αρραψ οφ ΣΤΜσ.
Τηε Περσοναλ Σπεχτροµετερ
Τ
ηε Λιλλιπυτιαν ινφραστρυχτυρε α⇑ορδ−
εδ βψ ΜΕΜΣ µιγητ λετ χηεµιστσ ανδ
βιολογιστσ περφορµ τηειρ εξπεριµεντσ
ωιτη ινστρυµεντσ τηατ ⇒τ ιν τηε παλµ οφ
τηε ηανδ. Ωεστινγηουσε Σχιενχε ανδ
Τεχηνολογψ Χεντερ ισ ιν τηε προχεσσ οφ
ρεδυχινγ το τηε σιζε οφ α χαλχυλατορ α
50−πουνδ βενχητοπ σπεχτροµετερ, υσεδ
φορ µεασυρινγ τηε µασσ οφ ατοµσ ορ
µολεχυλεσ. Α µινιατυριζεδ µασσ σπεχ−
τροµετερ πρεσαγεσ αν ερα οφ ινεξπεν−
σιϖε χηεµιχαλ δετεχτορσ φορ δο−ιτ−ψουρ−
σελφ τοξιχ µονιτορινγ.
Ιν τηε σαµε ϖειν, Ριχηαρδ Μ. Ωηιτε, α
προφεσσορ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορ−
νια ατ Βερκελεψ, χοντεµπλατεσ α χηεµι−
χαλ φαχτορψ ον α χηιπ. Ωηιτε ηασ βεγυν
το φασηιον µιλλιµετερ−διαµετερ ωελλσ ιν
α σιλιχον χηιπ, εαχη οφ ωηιχη ηολδσ α διφ−
φερεντ χηεµιχαλ. Αν ελεχτριχαλ ϖολταγε
χαυσεσ λιθυιδσ ορ ποωδερσ το µοϖε φροµ
τηε ωελλσ δοων α σεριεσ οφ χηαννελσ ιντο
α ρεαχτιον χηαµβερ.
Τηεσε µατεριαλσ αρε πυσηεδ τηερε βψ
µιχροπυµπσ µαδε οφ πιεζοελεχτριχ µα−
τεριαλσ τηατ χονστριχτ ανδ τηεν ιµµε−
διατελψ ρελεασε σεχτιονσ οφ τηε χηαννελ.
Τηε σνακελικε υνδυλατιονσ χρεατε α
πυµπινγ µοτιον. Ονχε τηε χηεµιχαλσ
αρε ιν τηε χηαµβερ, α ηεατινγ πλατε χαυσ−
εσ τηεµ το ρεαχτ. Αν ουτλετ χηαννελ φροµ
τηε χηαµβερ τηεν πυµπσ ουτ ωηατ ισ
προδυχεδ ιν τηε ρεαχτιον.
Α ποχκετ−χαλχυλατορ−σιζε χηεµιχαλ φαχ−
τορψ χουλδ τηυσ ρεχονστιτυτε φρεεζε−
δριεδ δρυγσ, περφορµ ∆ΝΑ τεστινγ το
δετεχτ ωατερ−βορνε πατηογενσ ορ µιξ
χηεµιχαλσ τηατ χαν τηεν βε χονϖερτεδ
ιντο ελεχτριχαλ ενεργψ µορε ε⇔χιεντλψ
τηαν χαν χονϖεντιοναλ βαττεριεσ. ΜΕΜΣ
γιϖεσ µιχροελεχτρονιχσ αν οπενινγ το
τηε ωορλδ βεψονδ σιµπλψ προχεσσινγ
ανδ στορινγ ινφορµατιον. Αυτοµοβιλεσ,
σχιεντι⇒χ λαβορατοριεσ, τελεϖισιονσ, αιρ−
πλανεσ ανδ εϖεν τηε ηοµε µεδιχινε
χαβινετ ωιλλ νεϖερ βε τηε σαµε.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΚΑΙΓΗΑΜ ϑ. ΓΑΒΡΙΕΛ µαναγεσ α ρεσεαρχη προγραµ ιν µιχροελεχτροµε−
χηανιχαλ σψστεµσ ιν τηε Ελεχτρονιχ Σψστεµσ Τεχηνολογψ Ο⇔χε ατ τηε ∆ε−
παρτµεντ οφ ∆εφενσε∏σ Αδϖανχεδ Ρεσεαρχη Προϕεχτσ Αγενχψ. Ηε ρεχειϖεδ α
δοχτορατε ιν ελεχτριχαλ ενγινεερινγ ανδ χοµπυτερ σχιενχε φροµ τηε Μασσα−
χηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ιν 1983. Ωηιλε α µεµβερ οφ τηε ροβοτιχ
σψστεµσ ρεσεαρχη δεπαρτµεντ ατ ΑΤ&Τ Βελλ Λαβορατοριεσ φροµ 1985 το 1991,
ηε φορµεδ α ρεσεαρχη γρουπ τηατ εξπλορεδ τηε υσε οφ µιχροελεχτροµεχηαν−
ιχαλ σψστεµσ φορ δατα στοραγε, µανυφαχτυρινγ ανδ οπτοελεχτρονιχσ.
ΣΙΛΙΧΟΝ ΑΣ Α ΜΕΧΗΑΝΙΧΑΛ ΜΑΤΕΡΙΑΛ. Κυρτ Πετερσεν ιν Προ−
χεεδινγσ οφ τηε ΙΕΕΕ, ςολ. 70, Νο. 5, παγεσ 420∠457; Μαψ 1982.
ΣΙΛΙΧΟΝ ΜΙΧΡΟΜΕΧΗΑΝΙΧΑΛ ∆ΕςΙΧΕΣ. ϑαµεσ Β. Ανγελλ, Στεπηεν
Χ. Τερρψ ανδ Πηιλλιπ Ω. Βαρτη ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν, ςολ. 248,
Νο. 4, παγεσ 44∠55; Απριλ 1983.
ΦΑΒΡΙΧΑΤΙΟΝ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ ΦΟΡ ΑΝ ΙΝΤΕΓΡΑΤΕ∆ ΣΥΡΦΑΧΕ−
ΜΙΧΡΟΜΑΧΗΙΝΕ∆ ΣΕΝΣΟΡ. Τηερεσα Α. Χορε ετ αλ. ιν Σολιδ−Στατε
Τεχηνολογψ, ςολ. 36, Νο. 10, παγεσ 39∠47; Οχτοβερ 1993.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
153
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Ιντελλιγεντ
Ματεριαλσ
Inspired by nature, researchers are creating
substances that can anticipate failure, repair
themselves and adapt to the environment
βψ Χραιγ Α. Ρογερσ
Ι
µαγινε, φορ α µοµεντ, µυσιχ ιν
ψουρ ροοµ ορ χαρ τηατ εµανατεσ
φροµ τηε δοορσ, ⇓οορ ορ χειλινγ; λαδ−
δερσ τηατ αλερτ υσ ωηεν τηεψ αρε οϖερ−
βυρδενεδ ανδ µαψ σοον χολλαπσε υνδερ
τηε στραιν; βυιλδινγσ ανδ βριδγεσ τηατ ρε−
ινφορχε τηεµσελϖεσ δυρινγ εαρτηθυακεσ
PIEZOELECTRIC
SENSOR
ανδ σεαλ χραχκσ οφ τηειρ οων αχχορδ. Λικε
λιϖινγ βεινγσ, τηεσε σψστεµσ ωουλδ αλ−
τερ τηειρ στρυχτυρε, αχχουντ φορ δαµαγε,
ε⇑εχτ ρεπαιρσ ανδ ρετιρε∇γραχεφυλλψ, ονε
ηοπεσ∇ωηεν αγε τακεσ ιτσ τολλ.
Συχη στρυχτυρεσ µαψ σεεµ φαρ−φετχηεδ.
Βυτ, ιν φαχτ, µανψ ρεσεαρχηερσ ηαϖε δεµ−
RUBBER
SHEET
ονστρατεδ τηε φεασιβιλιτψ οφ συχη λιϖινγ
µατεριαλσ. Το ανιµατε αν οτηερωισε ιν−
ερτ συβστανχε, µοδερν−δαψ αλχηεµιστσ
ενλιστ α ϖαριετψ οφ δεϖιχεσ: αχτυατορσ ανδ
µοτορσ τηατ βεηαϖε λικε µυσχλεσ; σεν−
σορσ τηατ σερϖε ασ νερϖεσ ανδ µεµορψ;
ανδ χοµµυνιχατιονσ ανδ χοµπυτατιον−
αλ νετωορκσ τηατ ρεπρεσεντ τηε βραιν
ανδ σπιναλ χολυµν. Ιν σοµε ρεσπεχτσ,
τηε σψστεµσ ηαϖε φεατυρεσ τηατ χαν βε
χονσιδερεδ συπεριορ το βιολογιχαλ φυνχ−
τιονσ∇σοµε συβστανχεσ χαν βε ηαρδ
ανδ στρονγ ονε µοµεντ βυτ µαδε το
αχτ λικε ϑελλ−Ο τηε νεξτ.
Τηεσε σο−χαλλεδ ιντελλιγεντ µατεριαλσ
σψστεµσ ηαϖε συβσταντιαλ αδϖανταγεσ
οϖερ τραδιτιοναλλψ ενγινεερεδ χονστρυχτσ.
Ηενρψ Πετροσκι, ιν ηισ βοοκ Το Ενγινεερ
Ισ Ηυµαν, περηαπσ βεστ αρτιχυλατεδ τηε
τραδιτιοναλ πρινχιπλεσ. Α σκιλλεδ δεσιγν−
ερ αλωαψσ χονσιδερσ τηε ωορστ−χασε σχε−
ναριο. Ασ α ρεσυλτ, τηε δεσιγν χονταινσ
λαργε µαργινσ οφ σαφετψ, συχη ασ νυµερ−
ουσ ρεινφορχεµεντσ, ρεδυνδαντ συβυνιτσ,
βαχκυπ συβσψστεµσ ανδ αδδεδ µασσ.
Τηισ αππροαχη, οφ χουρσε, δεµανδσ µορε
νατυραλ ρεσουρχεσ τηαν αρε γενεραλλψ ρε−
TERFENOL-D ROD
MAGNET
COILS
AMPLIFICATION
SYSTEM
ELECTRODE
ACTUATOR
GEL
RIGID BASE
ELECTRODE
ΣΚΙΝ φορ ροβοτ ηανδσ χουλδ βε µαδε ωιτη πιεζο−
ελεχτριχ πολψµερσ, ωηιχη υνδερ πρεσσυρε ινδυχε
α ϖολταγε βετωεεν τηε ελεχτροδεσ. Συχη πολψ−
µερσ ρεσπονδ δελιχατελψ ενουγη το ρεαδ Βραιλλε.
154
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
FLAP
SUPPORT
FLAP
ΡΟΤΟΡ ΧΟΝΤΡΟΛ χουλδ βε αχχοµπλισηεδ ωιτη αχ−
τυατορσ τηατ ωουλδ αχτ ασ ⇓απσ, ελιµινατινγ τηε νεεδ
φορ τηε σωαση−πλατε µεχηανισµ τηατ χοντρολσ τηε
πιτχη οφ τηε εντιρε ροτορ βλαδε.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
θυιρεδ ανδ χονσυµεσ µορε ενεργψ το
προδυχε ανδ µαινταιν α στρυχτυρε. Ιτ
αλσο εξπενδσ µορε ηυµαν ε⇑ορτ τρψινγ
το πρεδιχτ τηοσε χιρχυµστανχεσ υνδερ
ωηιχη αν ενγινεερεδ αρτιφαχτ ωιλλ βε
υσεδ ανδ αβυσεδ.
Τρψινγ το αντιχιπατε τηε ωορστ χασε
ηασ α µυχη µορε σεριουσ ανδ οβϖιουσ
⇓αω, ονε ωε ρεαδ αβουτ ιν τηε νεωσπα−
περσ ανδ ηεαρ αβουτ ον τηε εϖενινγ
νεωσ φροµ τιµε το τιµε: τηατ οφ βεινγ
υναβλε το φορεσεε αλλ ποσσιβλε χοντιν−
γενχιεσ. Αδδινγ ινσυλτ το ινϕυρψ ισ τηε
χοστλψ λιτιγατιον τηατ οφτεν ενσυεσ.
Ιντελλιγεντ µατεριαλσ σψστεµσ, ιν χον−
τραστ, ωουλδ αϖοιδ µοστ οφ τηεσε προβ−
λεµσ. Μαδε φορ α γιϖεν πυρποσε, τηεψ
ωουλδ αλσο βε αβλε το µοδιφψ τηειρ βε−
ηαϖιορ υνδερ διρε χιρχυµστανχεσ. Ασ αν
εξαµπλε, α λαδδερ τηατ ισ οϖερλοαδεδ
ωιτη ωειγητ χουλδ υσε ελεχτριχαλ ενεργψ
το στι⇑εν ανδ αλερτ τηε υσερ οφ τηε προβ−
λεµ. Τηε οϖερλοαδ ρεσπονσε ωουλδ βε
βασεδ ον τηε αχτυαλ λιφε εξπεριενχε οφ
τηε λαδδερ, το αχχουντ φορ αγινγ ορ δαµ−
αγε. Ασ α ρεσυλτ, τηε λαδδερ ωουλδ βε
αβλε το εϖαλυατε ιτσ χυρρεντ ηεαλτη; ωηεν
ιτ χουλδ νο λονγερ περφορµ εϖεν µινι−
µαλ τασκσ, τηε λαδδερ ωουλδ αννουνχε
ιτσ ρετιρεµεντ. Ιν α ωαψ, τηεν, τηε λαδδερ
ρεσεµβλεσ λιϖινγ βονε, ωηιχη ρεµοδελσ
ιτσελφ υνδερ χηανγινγ λοαδσ. Βυτ υνλικε
βονε, ωηιχη βεγινσ το ρεσπονδ ωιτηιν
µινυτεσ οφ αν ιµπετυσ βυτ µαψ τακε
µοντησ το χοµπλετε ιτσ γροωτη, αν ιν−
τελλιγεντ λαδδερ νεεδσ το χηανγε ιν λεσσ
τηαν α σεχονδ.
Μυσχλεσ φορ Ιντελλιγεντ Σψστεµσ
Μ
ατεριαλσ τηατ αλλοω στρυχτυρεσ συχη
ασ λαδδερσ το αδαπτ το τηειρ ενϖι−
ρονµεντ αρε κνοων ασ αχτυατορσ. Τηεψ
χαν χηανγε σηαπε, στι⇑νεσσ, ποσιτιον,
νατυραλ φρεθυενχψ ανδ οτηερ µεχηανι−
χαλ χηαραχτεριστιχσ ιν ρεσπονσε το τεµ−
περατυρε ορ ελεχτροµαγνετιχ ⇒ελδσ. Τηε
φουρ µοστ χοµµον αχτυατορ µατεριαλσ
βεινγ υσεδ τοδαψ αρε σηαπε−µεµορψ αλ−
λοψσ, πιεζοελεχτριχ χεραµιχσ, µαγνετο−
στριχτιϖε µατεριαλσ ανδ ελεχτρορηεολογι−
χαλ ανδ µαγνετορηεολογιχαλ ⇓υιδσ. Αλ−
τηουγη νοτ ονε οφ τηεσε χατεγοριεσ
στανδσ ασ τηε περφεχτ αρτι⇒χιαλ µυσχλε,
εαχη χαν νονετηελεσσ φυλ⇒λλ παρτιχυλαρ
ρεθυιρεµεντσ οφ µανψ τασκσ.
Σηαπε−µεµορψ αλλοψσ αρε µεταλσ τηατ
ατ α χερταιν τεµπερατυρε ρεϖερτ βαχκ το
τηειρ οριγιναλ σηαπε αφτερ βεινγ στραινεδ.
Ιν τηε προχεσσ οφ ρετυρνινγ το τηειρ ρε−
µεµβερεδ σηαπε, τηε αλλοψσ χαν γεν−
ερατε α λαργε φορχε υσεφυλ φορ αχτυατιον.
Μοστ προµινεντ αµονγ τηεµ περηαπσ
ισ τηε φαµιλψ οφ τηε νιχκελ−τιτανιυµ αλ−
λοψσ δεϖελοπεδ ατ τηε Ναϖαλ Ορδνανχε
Λαβορατορψ (νοω τηε Ναϖαλ Συρφαχε
Ωαρφαρε Χεντερ ). Τηε µατεριαλ, κνοων
ασ Νιτινολ (Νι φορ νιχκελ, Τι φορ τιτανιυµ
ανδ ΝΟΛ φορ Ναϖαλ Ορδνανχε Λαβ), εξ−
ηιβιτσ συβσταντιαλ ρεσιστανχε το χορρο−
σιον ανδ φατιγυε ανδ ρεχοϖερσ ωελλ φροµ
λαργε δεφορµατιονσ. Στραινσ τηατ ελον−
γατε υπ το 8 περχεντ οφ τηε αλλοψ∏σ λενγτη
χαν βε ρεϖερσεδ βψ ηεατινγ τηε αλλοψ,
τψπιχαλλψ ωιτη ελεχτριχ χυρρεντ.
ϑαπανεσε ενγινεερσ αρε υσινγ Νιτινολ
ιν µιχροµανιπυλατορσ ανδ ροβοτιχσ αχ−
τυατορσ το µιµιχ τηε σµοοτη µοτιονσ
οφ ηυµαν µυσχλεσ. Τηε χοντρολλεδ φορχε
εξερτεδ ωηεν τηε Νιτινολ ρεχοϖερσ ιτσ
σηαπε αλλοωσ τηεσε δεϖιχεσ το γρασπ δελ−
OUTER LAYER
OF AIRCRAFT
CORROSION
SENSOR
STRESS-SENSING
PARTICLES
SHAPE-MEMORY
ACTUATOR
ΧΟΝΧΡΕΤΕ ΙΝΦΡΑΣΤΡΥΧΤΥΡΕ χουλδ ηαρβορ σεν−
σορσ τηατ λοοκ φορ χραχκσ ιν τηε χεµεντ ανδ χορρο−
σιον ιν τηε στεελ ρεινφορχινγ ροδσ. Τηε σηαπε−µεµο−
ρψ αχτυατορσ ωουλδ χουντεραχτ στραιν.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
SHAPEMEMORY
ALLOY
0.1"
PIEZOELECTRIC
ACTUATORS
CONTROL
ELECTRONICS
FIBER-OPTIC
SENSORS
ΑΙΡΧΡΑΦΤ ΒΟ∆Ψ χουλδ χονταιν α τηιν λαψερ οφ αχτυ−
ατορσ ανδ ⇒βερ−οπτιχ σενσορσ τηατ χοµπενσατε φορ φα−
τιγυε ανδ κεεπ αλερτ φορ συβτλε πηψσιχαλ ανδ χηεµι−
χαλ χηανγεσ πρεσαγινγ φαιλυρε.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
155
DIMITRY SCHIDLOVSKY
STEEL
REINFORCING
ROD
ιχατε παπερ χυπσ ⇒λλεδ ωιτη ωατερ. Νιτι−
νολ ωιρεσ εµβεδδεδ ιν χοµποσιτε µα−
τεριαλσ ηαϖε αλσο βεεν υσεδ το µοδιφψ
ϖιβρατιοναλ χηαραχτεριστιχσ. Τηεψ δο σο
βψ αλτερινγ τηε ριγιδιτψ ορ στατε οφ στρεσσ
ιν τηε στρυχτυρε, τηερεβψ σηιφτινγ τηε νατ−
υραλ φρεθυενχψ οφ τηε χοµποσιτε. Τηυσ,
τηε στρυχτυρε ωουλδ βε υνλικελψ το ρεσ−
ονατε ωιτη ανψ εξτερναλ ϖιβρατιονσ, α
προχεσσ κνοων το βε ποωερφυλ ενουγη
το βρινγ δοων α βριδγε. Εξπεριµεντσ
ηαϖε σηοων τηατ εµβεδδεδ Νιτινολ χαν
αππλψ χοµπενσατινγ χοµπρεσσιον το ρε−
δυχε στρεσσ ιν α στρυχτυρε. Οτηερ αππλι−
χατιονσ φορ τηεσε αχτυατορσ ινχλυδε εν−
γινε µουντσ ανδ συσπενσιονσ τηατ χον−
τρολ ϖιβρατιον.
Τηε µαιν δραωβαχκ οφ σηαπε−µεµο−
ρψ αλλοψσ ισ τηειρ σλοω ρατε οφ χηανγε.
Βεχαυσε αχτυατιον δεπενδσ ον ηεατινγ
ανδ χοολινγ, τηεψ ρεσπονδ ονλψ ασ φαστ
ασ τηε τεµπερατυρε χαν σηιφτ.
Α σεχονδ κινδ οφ αχτυατορ, ονε τηατ
αδδρεσσεσ τηε σλυγγισηνεσσ οφ τηε σηαπε−
µεµορψ αλλοψσ, ισ βασεδ ον πιεζοελεχ−
τριχσ. Τηισ τψπε οφ µατεριαλ, δισχοϖερεδ
ιν 1880 βψ Φρενχη πηψσιχιστσ Πιερρε ανδ
ϑαχθυεσ Χυριε, εξπανδσ ανδ χοντραχτσ ιν
ρεσπονσε το αν αππλιεδ ϖολταγε. Πιεζο−
ελεχτριχ δεϖιχεσ δο νοτ εξερτ νεαρλψ σο
ποτεντ α φορχε ασ σηαπε−µεµορψ αλλοψσ;
τηε βεστ οφ τηεµ ρεχοϖερ ονλψ φροµ λεσσ
τηαν 1 περχεντ στραιν. Βυτ τηεψ αχτ µυχη
µορε θυιχκλψ, ιν τηουσανδτησ οφ α σεχ−
ονδ. Ηενχε, τηεψ αρε ινδισπενσαβλε φορ
πρεχισε, ηιγη−σπεεδ αχτυατιον. Οπτιχαλ
τραχκινγ δεϖιχεσ, µαγνετιχ ηεαδσ ανδ
αδαπτιϖε οπτιχαλ σψστεµσ φορ ροβοτσ, ινκ−
ϕετ πριντερσ ανδ σπεακερσ αρε σοµε εξ−
αµπλεσ οφ σψστεµσ τηατ ρελψ ον πιεζο−
ελεχτριχσ. Λεαδ ζιρχονατε τιτανατε ( ΠΖΤ )
ισ τηε µοστ ωιδελψ υσεδ τψπε.
Ρεχεντ ρεσεαρχη ηασ φοχυσεδ ον υσ−
ινγ ΠΖΤ αχτυατορσ το αττενυατε σουνδ,
δαµπεν στρυχτυραλ ϖιβρατιονσ ανδ χον−
τρολ στρεσσ. Ατ ςιργινια Πολψτεχηνιχ Ινστι−
τυτε ανδ Στατε Υνιϖερσιτψ, πιεζοελεχτριχ
αχτυατορσ ωερε υσεδ ιν βονδεδ ϕοιντσ
το ρεσιστ τηε τενσιον νεαρ λοχατιονσ τηατ
ηαϖε α ηιγη χονχεντρατιον οφ στραιν. Τηε
εξπεριµεντσ εξτενδεδ τηε φατιγυε λιφε
οφ σοµε χοµπονεντσ βψ µορε τηαν αν
ορδερ οφ µαγνιτυδε.
Α τηιρδ φαµιλψ οφ αχτυατορσ ισ δεριϖεδ
φροµ µαγνετοστριχτιϖε µατεριαλσ. Τηισ
γρουπ ισ σιµιλαρ το πιεζοελεχτριχσ εξχεπτ
τηατ ιτ ρεσπονδσ το µαγνετιχ, ρατηερ
τηαν ελεχτριχ, ⇒ελδσ. Τηε µαγνετιχ δο−
µαινσ ιν τηε συβστανχε ροτατε υντιλ τηεψ
λινε υπ ωιτη αν εξτερναλ ⇒ελδ. Ιν τηισ
ωαψ, τηε δοµαινσ χαν εξπανδ τηε µατε−
ριαλ. Τερφενολ−∆, ωηιχη χονταινσ τηε ραρε
εαρτη ελεµεντ τερβιυµ, εξπανδσ βψ µορε
τηαν 0.1 περχεντ. Τηισ ρελατιϖελψ νεω
µατεριαλ ηασ βεεν υσεδ ιν λοω−φρεθυεν−
156
ETREMA PRODUCTS, INC.
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
ΜΑΓΝΕΤΟΣΤΡΙΧΤΙςΕ ΜΑΤΕΡΙΑΛ, συχη ασ τηεσε Τερφενολ−∆ ροδσ τηατ αρε σεϖεραλ
χεντιµετερσ λονγ, χηανγεσ ιτσ λενγτη ιν α µαγνετιχ ⇒ελδ. Οριγιναλλψ δεϖελοπεδ φορ µιλ−
ιταρψ σοναρ, τηε αλλοψ ισ ⇒νδινγ υσε ιν αχτυατορσ, ϖιβρατιον χοντρολλερσ ανδ σενσορσ.
χψ, ηιγη−ποωερ σοναρ τρανσδυχερσ, µο−
τορσ ανδ ηψδραυλιχ αχτυατορσ. Λικε Νιτι−
νολ, Τερφενολ−∆ ισ βεινγ ινϖεστιγατεδ φορ
υσε ιν τηε αχτιϖε δαµπινγ οφ ϖιβρατιονσ.
Τηε φουρτη κινδ οφ αχτυατορ φορ ιντελλι−
γεντ σψστεµσ ισ µαδε οφ σπεχιαλ λιθυιδσ
χαλλεδ ελεχτρορηεολογιχαλ ανδ µαγνετο−
ρηεολογιχαλ ⇓υιδσ. Τηεσε συβστανχεσ
χονταιν µιχρον−σιζε παρτιχλεσ τηατ φορµ
χηαινσ ωηεν πλαχεδ ιν αν ελεχτριχ ορ
µαγνετιχ ⇒ελδ, ρεσυλτινγ ιν ινχρεασεσ ιν
αππαρεντ ϖισχοσιτψ οφ υπ το σεϖεραλ ορ−
δερσ οφ µαγνιτυδε ιν µιλλισεχονδσ [σεε
Ελεχτρορηεολογιχαλ Φλυιδσ, βψ Τηοµασ
Χ. Ηαλσεψ ανδ ϑαµεσ Ε. Μαρτιν; ΣΧΙΕΝ−
ΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, Οχτοβερ 1993]. Αππλι−
χατιονσ τηατ ηαϖε βεεν δεµονστρατεδ
ωιτη τηεσε ⇓υιδσ ινχλυδε τυναβλε δαµπ−
ερσ, ϖιβρατιον−ισολατιον σψστεµσ, ϕοιντσ
φορ ροβοτιχ αρµσ, ανδ φριχτιοναλ δεϖιχεσ
συχη ασ χλυτχηεσ, βρακεσ ανδ ρεσιστανχε
χοντρολσ ον εξερχισε εθυιπµεντ. Στιλλ,
σεϖεραλ προβλεµσ πλαγυε τηεσε ⇓υιδσ,
συχη ασ αβρασιϖενεσσ ανδ χηεµιχαλ ιν−
σταβιλιτψ, ανδ µυχη ρεχεντ ωορκ το ιµ−
προϖε τηεµ ισ αιµεδ ατ τηε µαγνετιχ
συβστανχεσ.
Νερϖεσ οφ Γλασσ
Π
ροϖιδινγ τηε αχτυατορσ ωιτη ινφορµα−
τιον αρε τηε σενσορσ, ωηιχη δεσχριβε
τηε πηψσιχαλ στατε οφ τηε µατεριαλσ σψσ−
τεµ. Αδϖανχεσ ιν µιχροµαχηινινγ ηαϖε
χρεατεδ α ωεαλτη οφ προµισινγ ελεχτρο−
µεχηανιχαλ δεϖιχεσ τηατ χαν σερϖε ασ
σενσορσ. Ι ωιλλ φοχυσ ον τωο τψπεσ τηατ
αρε ωελλ δεϖελοπεδ νοω ανδ αρε τηε
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
µοστ λικελψ το βε ινχορπορατεδ ιν ιντελλι−
γεντ σψστεµσ: οπτιχαλ ⇒βερσ ανδ πιεζο−
ελεχτριχ µατεριαλσ.
Οπτιχαλ ⇒βερσ εµβεδδεδ ιν α σµαρτ
µατεριαλ χαν προϖιδε δατα ιν α χουπλε
οφ ωαψσ. Φιρστ, τηεψ χαν σιµπλψ προϖιδε
α στεαδψ λιγητ σιγναλ το α σενσορ; βρεακσ
ιν τηε λιγητ βεαµ ινδιχατε α στρυχτυραλ
⇓αω τηατ ηασ σναππεδ τηε ⇒βερ. Τηε
σεχονδ, µορε συβτλε, αππροαχη ινϖολϖεσ
λοοκινγ ατ κεψ χηαραχτεριστιχσ οφ τηε
λιγητ∇ιντενσιτψ, πηασε, πολαριζατιον ορ
α σιµιλαρ φεατυρε. Τηε Νατιοναλ Αεροναυ−
τιχσ ανδ Σπαχε Αδµινιστρατιον ανδ οτη−
ερ ρεσεαρχη χεντερσ ηαϖε υσεδ συχη α ⇒−
βερ−οπτιχ σψστεµ το µεασυρε τηε στραιν
ιν χοµποσιτε µατεριαλσ. Φιβερ−οπτιχ σεν−
σορσ χαν αλσο µεασυρε µαγνετιχ ⇒ελδσ,
δεφορµατιονσ, ϖιβρατιονσ ανδ αχχελερα−
τιον. Ρεσιστανχε το αδϖερσε ενϖιρον−
µεντσ ανδ ιµµυνιτψ το ελεχτριχαλ ορ
µαγνετιχ νοισε αρε αµονγ τηε αδϖαν−
ταγεσ οφ οπτιχαλ σενσορσ.
Ιν αδδιτιον το σερϖινγ ασ αχτυατορσ,
πιεζοελεχτριχ µατεριαλσ µακε γοοδ σεν−
σορσ. Πιεζοελεχτριχ πολψµερσ, συχη ασ
πολψϖινψλιδενε ⇓υοριδε ( Πς∆Φ ), αρε
χοµµονλψ εξπλοιτεδ φορ σενσινγ βε−
χαυσε τηεψ χαν βε φορµεδ ιν τηιν ⇒λµσ
ανδ βονδεδ το µανψ κινδσ οφ συρφαχεσ.
Τηε σενσιτιϖιτψ οφ Πς∆Φ ⇒λµσ το πρεσ−
συρε ηασ προϖεδ συιταβλε φορ σενσορσ ταχ−
τιλε ενουγη το ρεαδ Βραιλλε ανδ το διστιν−
γυιση γραδεσ οφ σανδπαπερ. Υλτρατηιν
Πς∆Φ ⇒λµσ, περηαπσ 200 το 300 µιχρονσ
τηιχκ, ηαϖε βεεν προποσεδ φορ υσε ιν
ροβοτιχσ. Συχη α σενσορ µιγητ ρεπλιχατε
τηε χαπαβιλιτιεσ οφ ηυµαν σκιν, δετεχτ−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ινγ τεµπερατυρε ανδ γεοµετριχ φεατυρεσ
συχη ασ εδγεσ ανδ χορνερσ ορ διστιν−
γυισηινγ βετωεεν δι⇑ερεντ φαβριχσ.
Αχτυατορσ ανδ σενσορσ αρε χρυχιαλ ελ−
εµεντσ ιν αν ιντελλιγεντ µατεριαλσ σψσ−
τεµ, βυτ τηε εσσενχε οφ τηισ νεω δεσιγν
πηιλοσοπηψ ρεστσ ιν τηε µανιφεστατιον
οφ τηε µοστ χριτιχαλ οφ λιφε φυνχτιονσ, ιν−
τελλιγενχε. Τηε εξαχτ δεγρεε οφ ιντελλι−
γενχε∇τηε εξτεντ το ωηιχη τηε µατερι−
αλ σηουλδ βε σµαρτ ορ µερελψ αδαπτιϖε∇
ισ δεβαταβλε. Ατ µινιµυµ, τηερε µυστ
βε αν αβιλιτψ το λεαρν αβουτ τηε ενϖιρον−
µεντ ανδ λιϖε ωιτηιν ιτ.
Τηε τηινκινγ φεατυρεσ τηατ τηε ιντελλι−
γεντ µατεριαλσ χοµµυνιτψ ισ τρψινγ το
χρεατε ηαϖε χονστραιντσ τηατ τηε ενγι−
νεερινγ ωορλδ ηασ νεϖερ εξπεριενχεδ
βεφορε. Σπεχι⇒χαλλψ, τηε τρεµενδουσ
νυµβερ οφ σενσορσ, αχτυατορσ ανδ τηειρ
ασσοχιατεδ ποωερ σουρχεσ ωουλδ αργυε
αγαινστ φεεδινγ αλλ τηεσε δεϖιχεσ ιντο α
χεντραλ προχεσσορ. Ινστεαδ δεσιγνερσ
ηαϖε τακεν χλυεσ φροµ νατυρε. Νευρονσ
αρε νοτ νεαρλψ σο φαστ ασ µοδερν−δαψ
σιλιχον χηιπσ, βυτ τηεψ χαν νονετηελεσσ
περφορµ χοµπλεξ τασκσ ωιτη αµαζινγ
σπεεδ βεχαυσε τηεψ αρε νετωορκεδ
ε⇔χιεντλψ.
Τηε κεψ αππεαρσ το βε α ηιεραρχηιχαλ
αρχηιτεχτυρε. Σιγναλ προχεσσινγ ανδ τηε
ρεσυλτινγ αχτιον χαν τακε πλαχε ατ λεϖελσ
βελοω ανδ φαρ ρεµοϖεδ φροµ τηε βραιν.
Τηε ρε⇓εξ οφ µοϖινγ ψουρ ηανδ αωαψ
φροµ α ηοτ στοϖε, φορ εξαµπλε, ισ οργα−
νιζεδ εντιρελψ ωιτηιν τηε σπιναλ χορδ.
Λεσσ αυτοµατιχ βεηαϖιορσ αρε οργανιζεδ
βψ συχχεσσιϖελψ ηιγηερ χεντερσ ωιτηιν
τηε βραιν. Βεσιδεσ βεινγ ε⇔χιεντ, συχη
αν οργανιζατιον ισ φαυλτ−τολεραντ: υνλεσσ
τηερε ισ σοµε υνδερλψινγ οργανιχ ρεα−
σον, ωε ραρελψ εξπεριενχε α βυρνινγ
σενσατιον ωηεν ηολδινγ αν ιχεδ δρινκ.
Τηε βραινσ βεηινδ αν ιντελλιγεντ µα−
τεριαλσ σψστεµ φολλοω α σιµιλαρ οργανιζα−
τιον. Ιν φαχτ, ινϖεστιγατορσ τακε τηειρ χυε
φροµ ρεσεαρχη ιντο αρτι⇒χιαλ λιφε, αν ουτ−
γροωτη οφ τηε χψβερνετιχσ ⇒ελδ. Αµονγ
τηε τρενδιεστ χοντρολ χονχεπτσ ισ τηε αρ−
τι⇒χιαλ νευραλ νετωορκ, ωηιχη ισ χοµπυτ−
ερ προγραµµινγ τηατ µιµιχσ τηε φυνχ−
τιονσ οφ ρεαλ νευρονσ. Συχη σοφτωαρε χαν
λεαρν, χηανγε ιν ρεσπονσε το χοντινγεν−
χιεσ, αντιχιπατε νεεδσ ανδ χορρεχτ µισ−
τακεσ∇µορε τηαν αδεθυατε φυνχτιονσ
φορ ιντελλιγεντ µατεριαλσ σψστεµσ. Υλτι−
µατελψ, χοµπυτατιοναλ ηαρδωαρε ανδ
τηε προχεσσινγ αλγοριτηµσ ωιλλ δετερµινε
ηοω χοµπλεξ τηεσε σψστεµσ χαν βε−
χοµε∇τηατ ισ, ηοω µανψ σενσορσ ανδ
αχτυατορσ ωε χαν υσε.
Βραινσ οϖερ Βραων
Ε
νγινεερσ αρε ινχορπορατινγ ιντελλι−
γεντ µατεριαλσ σψστεµσ ιντο σεϖεραλ
αρεασ. ΝΑΣΑ υσεσ ελεχτροαχτιϖε µατερι−
αλσ χραφτεδ βψ ρεσεαρχηερσ ατ Πεννσψλ−
ϖανια Στατε Υνιϖερσιτψ το µοδιφψ τηε οπ−
τιχσ οφ τηε Ηυββλε Σπαχε Τελεσχοπε.
Περηαπσ τηε µοστ µατυρε αππλιχατιον
ατ τηε µοµεντ ισ τηε χοντρολ οφ αχουσ−
τιχσ. Τηε οβϕεχτιϖε ισ το ρεδυχε σουνδ,
βε ιτ νοισε ινσιδε αν αιρχραφτ φυσελαγε
σηακεν βψ ενγινεσ ορ τηε αχουστιχ σιγ−
νατυρε οφ α συβµαρινε. Ονε ωαψ το χον−
τρολ νοισε, οφ χουρσε, ισ το υσε βρυτε
φορχε. Σιµπλψ αδδ ενουγη µασσ το στοπ
τηε στρυχτυρε φροµ ϖιβρατινγ. Ιν χον−
τραστ, τηε ιντελλιγεντ µατεριαλσ αππροαχη
ισ το σενσε τηε στρυχτυραλ οσχιλλατιονσ
τηατ αρε ραδιατινγ τηε νοισε ανδ υσε τηε
αχτυατορσ διστριβυτεδ τηρουγηουτ τηε
στρυχτυρε το χοντρολ τηε µοστ οβνοξιουσ
ϖιβρατιονσ. Τηισ χονχεπτ ισ τηε φουνδα−
τιον φορ σουνδ−χανχελλατιον ηεαδπηονεσ
υσεδ βψ πιλοτσ (ανδ νοω αϖαιλαβλε
τηρουγη αιρλινε γιφτ χαταλογυεσ), ανδ φυλλ
σψστεµσ αρε βεινγ τεστεδ ον τυρβοπροπ
χοµµυτερ αιρχραφτ.
Ηοω φαρ χαν ενγινεερσ τακε ιντελλιγεντ
µατεριαλσ? Τηε φυτυρε λιεσ ιν δεϖελοπινγ
α σψστεµ τηατ χαν βεηαϖε ιν µορε χοµ−
πλεξ ωαψσ. Φορ ινστανχε, ιντελλιγεντ στρυχ−
τυρεσ νοω βεινγ δεµονστρατεδ χοµε
ωιτη µανψ µορε σενσορσ τηαν αρε νεεδ−
εδ βψ ανψ ονε αππλιχατιον.
Α προσπεχτιϖε δεσιγν µιγητ ρελψ ον
αν αδαπτιϖε αρχηιτεχτυρε ιν ωηιχη τηε
σενσορσ χαν βε χοννεχτεδ το χρεατε τηε
σπεχι⇒χ σψστεµ δεσιρεδ. Μορεοϖερ, τηε
δεσιγν ωουλδ βε ηιγηλψ ⇓εξιβλε. Ιφ α
παρτιχυλαρ σενσορ φαιλσ, τηε αδαπτιϖε αρ−
χηιτεχτυρε ωουλδ βε αβλε το ρεπλαχε τηε
φαιλεδ σενσορ ωιτη τηε νεξτ βεστ αλτερ−
νατιϖε ανδ ρεχον⇒γυρε τηε ιντερχοννεχ−
τιονσ ανδ τηε χοντρολ αλγοριτηµ το αχ−
χοµµοδατε τηισ χηανγε.
Τηισ λεϖελ οφ σοπηιστιχατιον ωουλδ
χλεαρλψ ταξ τηε µανυφαχτυρινγ προχεσσ.
Λαργε αρραψσ οφ σενσορσ, αχτυατορσ, ποω−
ερ σουρχεσ ανδ χοντρολ προχεσσορσ ωιλλ
µοστ λικελψ ρεθυιρε τηρεε−διµενσιοναλ
ιντερχοννεχτιονσ. Συχη χοµπλεξιτψ χουλδ
εασιλψ ρενδερ α σµαρτ στρυχτυρε τοο εξ−
πενσιϖε το βυιλδ. Ονε σολυτιον το φορµ−
ινγ χοµπλεξ φεατυρεσ χηεαπλψ ισ το ρελψ
ον τεχηνιθυεσ οφ χοµπυτερ−χηιπ µακ−
ερσ: πηοτολιτηογραπηψ. Τηε προχεσσ, ακιν
το πηοτοχοπψινγ, χαν ιν πρινχιπλε µασσ−
προδυχε χοµπονεντσ φορ φραχτιονσ οφ α
χεντ περ δεϖιχε. Α σενσορ νετωορκ µιγητ
τηερεφορε ρεσεµβλε τηε δεταιλ οφ α σιλι−
χον µιχροχηιπ.
Α Νεω Ωαψ οφ Ενγινεερινγ
Ι
ντελλιγεντ σψστεµσ µαψ νοτ ονλψ ινιτι−
ατε α µατεριαλσ ρεϖολυτιον βυτ µαψ
αλσο λεαδ το τηε νεξτ στεπ ιν ουρ υνδερ−
στανδινγ οφ χοµπλεξ πηψσιχαλ πηενοµ−
ενα. Ιν µανψ ωαψσ, τηεψ αρε τηε ιδεαλ
ρεχορδινγ δεϖιχεσ. Τηεψ χαν σενσε τηειρ
ενϖιρονµεντσ, στορε δεταιλεδ ινφορµα−
τιον αβουτ τηε στατε οφ τηε µατεριαλ οϖερ
τιµε ανδ εξπεριµεντ ον τηε πηενοµ−
ενα βψ χηανγινγ προπερτιεσ.
Τηε µοστ λαστινγ ιν⇓υενχε, ηοωεϖερ,
ωιλλ βε ον τηε πηιλοσοπηψ οφ δεσιγν. Εν−
γινεερσ ωιλλ νοτ ηαϖε το αδδ µασσ ανδ
χοστ το ενσυρε σαφετψ. Τηεψ ωιλλ λεαρν
νοτ φροµ τηε αυτοπσιεσ περφορµεδ ον
στρυχτυρεσ τηατ ηαϖε φαιλεδ βυτ φροµ τηε
αχτυαλ εξπεριενχεσ οφ τηε εδι⇒χε. Ωε ωιλλ
σοον ηαϖε τηε χηανχε το ασκ στρυχτυρεσ
ηοω τηεψ φεελ, ωηερε τηεψ ηυρτ, ιφ τηεψ
ηαϖε βεεν αβυσεδ ρεχεντλψ. Τηεψ µιγητ
εϖεν βε αβλε το ιδεντιφψ τηε αβυσερ.
Ωιλλ σµαρτ µατεριαλσ σψστεµσ ελιµι−
νατε αλλ χαταστροπηιχ φαιλυρεσ? Νοτ ανψ
µορε τηαν τρεεσ ωιλλ στοπ φαλλινγ ιν ηυρ−
ριχανε ωινδσ ορ βιρδσ ωιλλ νο λονγερ
τυµβλε ωηεν τηεψ ηιτ γλασσ ωινδοωσ.
Βυτ ιντελλιγεντ µατεριαλσ σψστεµσ ωιλλ
εναβλε ινανιµατε οβϕεχτσ το βεχοµε
µορε νατυραλ ανδ λιφελικε. Τηεψ ωιλλ βε
µανιφεστατιονσ οφ τηε νεξτ ενγινεερινγ
ρεϖολυτιον∇τηε δαων οφ α νεω µατερι−
αλσ αγε.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΧΡΑΙΓ Α. ΡΟΓΕΡΣ διρεχτσ τηε Χεντερ φορ Ιντελλιγεντ
Ματεριαλσ Σψστεµσ ανδ Στρυχτυρεσ ατ τηε ςιργινια Πολψ−
τεχηνιχ Ινστιτυτε ανδ Στατε Υνιϖερσιτψ. Ηε ισ τηε φουνδινγ
εδιτορ ιν χηιεφ οφ τηε ϑουρναλ οφ Ιντελλιγεντ Ματεριαλσ Σψσ−
τεµσ ανδ Στρυχτυρεσ ανδ ηασ αχηιεϖεδ µυχη ρεχογνιτιον
φορ ηισ χοντριβυτιονσ το τηε ⇒ελδ, ινχλυδινγ αωαρδσ φροµ
τηε Νατιοναλ Σχιενχε Φουνδατιον ανδ τηε Σοχιετψ φορ Με−
χηανιχαλ Ενγινεερσ.
ΑΝΙΜΑΤΙΝΓ ΤΗΕ ΜΑΤΕΡΙΑΛ ΩΟΡΛ∆. Ιϖαν Αµατο ιν Σχιενχε, ςολ. 255, παγεσ
284∠286; ϑανυαρψ 17, 1992.
ΠΑΣΣΙςΕ ΣΜΑΡΤ ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΦΟΡ ΣΕΝΣΙΝΓ ΑΝ∆ ΑΧΤΥΑΤΙΟΝ. Χαρολψν Μ. ∆ρψ ιν
ϑουρναλ οφ Ιντελλιγεντ Ματεριαλσ Σψστεµσ ανδ Στρυχτυρεσ, ςολ. 4, Νο. 3, παγε 415;
ϑυλψ 1993.
ΣΜΑΡΤ ΣΤΡΥΧΤΥΡΕΣ ΑΝ∆ ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ 1995: ΣΜΑΡΤ ΣΤΡΥΧΤΥΡΕΣ ΑΝ∆ ΙΝΤΕΓΡΑΤ−
Ε∆ ΣΨΣΤΕΜΣ, ςολ. 2443. Εδιτεδ βψ Ινδερϕιτ Χηορπα. Ιντερνατιοναλ Σοχιετψ φορ Οπ−
τιχαλ Ενγινεερινγ, Βελλινγηαµ, Ωαση., 1995.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
157
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Αδϖανχεδ Χοµποσιτεσ
Α
fter they first appeared in the 1960s, advanced composite materials promised a brave new—not to mention
light and durable—future. Engineers envisioned buoyant
aircraft and automobile bodies that would consume less
fuel because they were lighter than traditional vehicles. Although composites have for the most part found their way
only into parts in airplanes and automobiles and into sporting equipment, it now looks as though the new class of
substance may find its place in a different realm entirely:
construction.
The complexity of these materials has a lot to do with
their limited appearance in the everyday world. The substances are made of fibers spun from carbon, glass and
other materials, which are then fused into a matrix of plastic, ceramic or metal. “They are sophisticated combinations,” explains engineer Dick J. Wilkins of the University of
Delaware. That intricacy makes mass manufacturing problematic, which has kept their cost high in comparison to the
price of wood and metal. “Right now the economics isn’t
there,” Wilkins notes. “You have to have an application that
has a high volume.”
That application, the composites industry hopes, lies in
infrastructure. “In the next five years, there will be much
higher use of composites in construction,” predicts civil engineer Hota V. S. GangaRao of West Virginia University. He
says the materials will initially replace the steel used in reinforcing bars placed in concrete. Composites, which now
cost $1.50 to $2.00 a pound, could drop to about $1.20; although this price is several times the 20 to 40 cents per
pound of steel, GangaRao calculates, it is still competitive
because composites are one fifth the weight of the metal.
Eventually, entire structures will be made from them: a few
all-composite buildings have already been erected, and
plans for bridges are on the drawing boards.
Composites could also be used to repair existing defects.
Doug Barnow of the Composites Institute, a trade association based in New York City, points out that the materials
patched a severe crack in a bridge along Interstate 95 in
Boca Raton, Fla., at a fraction of the cost needed to replace
the bridge (the initially planned solution). Composites
might also replace some of the thousands of timber piles
around New York City’s waterfront, where harbor cleanup
Χυστοµ Μανυφαχτυρινγ
Ω
backpack. In coming decades, a spare part for a bicycle, automobile or an array of other consumer goods may be simply “printed” from a computer design file at the corner factory, the futuristic equivalent of the all-night copy shop.
In the case of the gear, a machine tool might receive from a file on the disk a geometric description
of the broken part. The program could then tell the
tool how to deposit a thin layer of structural material by spraying droplets of liquid metal or by directing the energy of a laser onto a bed of metal powder. Subsequent layers deposited in this manner
would fuse together, gradually building up a complete derailleur gear.
This approach to manufacturing has its beginnings in a suite of technologies collectively known as
rapid prototyping. Today stereolithography, shape
deposition, laser sintering and other related technologies can construct full-scale models for testing
designs or can help build a tool for making a part. In
years to come, improvements to such processes—
and an expected decline in equipment costs—may allow them to be used to manufacture finished parts
directly or even to fashion new materials [ see “Intelligent Materials,” by Craig A. Rogers, page 154 ].
As they mature, these techniques may also introduce an unprecedented degree of product customization—a machine that could make a bicycle gear
one day might make an automobile carburetor the
next. This ability to reduce information about an individual’s needs to a series of printable computer
files is part of a bigger shift away from mass production of a standardized product, as pioneered by
auto magnate Henry Ford. Postindustrial manufacturing is evolving toward an era of mass customization: production of substantial quantities of personΟΙΛ ΠΥΜΠ ΜΟ∆ΕΛ ωασ βυιλτ ωιτη στερεολιτηογραπηψ, α τεχηνιθυε φορ
alized goods. Funding to study this emerging trend—
βυιλδινγ υπ στρυχτυρεσ λαψερ βψ λαψερ ωιτη α λασερ.
BOB SACHA
here can a cross-country bicyclist find a spare derailleur gear for an Italian bicycle when it breaks down
in a small town in Nevada? Ten years or so from now the
answer may reside on the floppy disk carried in the rider’s
160
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
known as agile manufacturing—has come from the Department of Defense. The military is increasingly relying on
commercial manufacturers rather than on defense contractors for its needs.
An example of agile manufacturing can already be found
in the computer industry. A customer can order a computer
over the telephone while choosing from a variety of microprocessors, memory chips, hard disks and monitors. Even
more traditional industries, such as those making valves or
electrical switching equipment, have begun to follow suit.
Χ
ustomized fabrication, however, would require more
than a trip to the corner factory. Manufacturers need to
make more than just the odd bicycle gear. For large-scale
fabrication, communications networks may link suppliers
to an automobile or blue-jeans maker so that they can fill
orders speedily. Networks may also connect customers and
factories more closely. A postmillennial Gap store might be
equipped with optical scanners that take waist, hip, length
and other measurements, send them over a network and
have the custom-tailored pants delivered within a matter of
days. Clothing stores have begun to experiment with such
tailoring, taking the measurements manually. Flexible manufacturing systems—those that let a line of machines be retooled rapidly to make a new type of part or finished good—
could enable a factory to respond quickly to changes in demand or to special orders.
A manufacturer must listen not only to customers but
also to the competition. Here again, rapid prototyping technology may help. The ability to reproduce a part expeditiously might make it easier to answer the question of how
competitors made a product. Computed tomographic images, sometimes superior in resolution to those taken of a
patient’s heart or brain, already offer General Motors, say,
the hypothetical possibility of making a three-dimensional
record of a Ford engine block and then building an exact
plastic replica using stereolithography—a form of fast prototyping that employs a laser to build up structures made
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
AP/WIDE WORLD PHOTOS
has been so effective that shipworms and other marine borers are now thriving and digesting the wooden structures.
Further inroads may simply depend on better education.
“People graduating with engineering degrees are intimidated
and don’t know how to use [composites],” Wilkins insists.
The materials are strong only in the directions in which the
fibers run. As a result, they demand more care in design than
do, say, metals, which often provide strength in all directions. Unanticipated alterations in load could prove catastrophic for composites. For instance, one speculation about
why the carbon-fiber hull of America’s Cup racing yacht contender oneAustralia snapped was that the crew had extended a sail line to an alternative winch, changing the load on
the hull.
Techniques to recycle discarded composite parts have
steadily improved in the past several years, another emerging advantage for the materials. At least three different processes have been developed that can separate fibers from
resin, Barnow notes, and that ability makes other applications
more likely. With more experience and widespread use, engineers should be able to do a lot of good with composites. After all, as Wilkins observes, “the world is not the same stiffness in all directions.”
—The Editors
ΑΩ, ΗΥΛΛ: τηε ψαχητ ονεΑυστραλια, µαδε οφ χοµποσιτε µα−
τεριαλσ, βροκε υπ δυρινγ αν Αµεριχα∏σ Χυπ ραχε εαρλιερ τηισ
ψεαρ. Χοµποσιτεσ χαν βε σενσιτιϖε το υναντιχιπατεδ χηανγεσ
ιν λοαδ, µακινγ τηεµ ηαρδ το ινχορπορατε ιντο δεσιγνσ.
from polymers. This type of reverse engineering may become more common for manufacturing companies as equipment prices fall.
Three-dimensional xerography could also be used for
more altruistic purposes. A portable CT scanner might let
an image of a damaged bone in a leg be scanned in an ambulance. In the hospital, surgeons would use the model of
the bone to plan and perform surgery. Then, while the patient remained in the surgical suite, a prosthesis could be
produced and fitted to a limb. The University of Dayton, in
fact, has begun to develop a rapid prototyping process for
manufacturing ceramic composites, which may be adapted
to making prosthetics.
Rapid prototyping techniques can further permit a material to be combined with electronics in unique shapes—the
contours of a human cranium, for instance. A technique
called shape deposition, which is being explored at Carnegie Mellon and Stanford universities, allows plastics, metal
or ceramics to surround microchips and the wires connecting them. The researchers have employed methods that can
be used to build wearable computers—they may eventually
construct a helmet or hard hat equipped with a working microchip. This chip could store all the information contained
in a repair manual; the data can be relayed by an infrared
link or a wire to an image projected on a small screen in one
lens of a pair of glasses. The helmet could also contain microscopic sensors that ascertain geographic coordinates to
within a few feet, useful for hikers or foresters.
Eventually, technology and newfangled management
ideas may be combined. “Smart” clothing, for example, may
lend itself to agile manufacturing. On a Monday an apparel
maker might make shirts that contain sensors to detect the
presence of chemical weapons on the battlefield. The next
day the same manufacturing line could turn out a garment
that dispenses measured quantities of deodorant when sensors in a blouse detect a certain level of perspiration. The
true agile manufacturer should be able to handle either
sweat or sarin.
—The Editors
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
161
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Ηιγη−Τεµπερατυρε
Συπερχονδυχτορσ
They conduct current without resistance more
cheaply than conventional superconductors can
and are slowly finding their way to widespread use
βψ Παυλ Χ. Ω. Χηυ
Ν
ατυρε, ιτ ωουλδ σεεµ, λικεσ το φολ−
λοω τηε πατη οφ λεαστ ρεσιστανχε,
βε ιτ φορ ηεατ το τρανσφερ, ωατερ
το ⇓οω ορ α χαρ το τραϖελ. Ιφ ωε χαν φολ−
λοω τηισ πατη ωηεν µακινγ ανδ υσινγ
δεϖιχεσ, ωε χαν σαϖε ενεργψ ανδ ε⇑ορτ,
ρεδυχε ενϖιρονµενταλ δεγραδατιον ανδ,
ιν τηε λονγ ρυν, ιµπροϖε ουρ στανδαρδ
οφ λιϖινγ. Υνφορτυνατελψ, νατυρε δοεσ
νοτ ρεαδιλψ ρεϖεαλ τηε πατη οφ λεαστ ρε−
σιστανχε. Ανδ ιτ µαψ εξιστ ονλψ υνδερ
χερταιν στρινγεντ χονδιτιονσ.
Α χασε ιν ποιντ ισ τηε πατη οφ ζερο ρε−
σιστανχε∇συπερχονδυχτιϖιτψ, τηε αβιλιτψ
το χονδυχτ ελεχτριχιτψ ωιτηουτ ρεσισ−
τανχε. Συπερχονδυχτιϖιτψ ωασ ⇒ρστ δισ−
χοϖερεδ ιν 1911, ωηεν ∆υτχη πηψσιχιστ
Ηεικε Καµερλινγη Οννεσ χηιλλεδ µερ−
162
χυρψ ωιτη λιθυιδ ηελιυµ το φουρ δεγρεεσ
αβοϖε αβσολυτε ζερο, ορ φουρ κελϖινσ (α
ροοµ τεµπερατυρε οφ 25 δεγρεεσ Χελσιυσ
εθυαλσ 298 κελϖινσ). Ατ τηατ τεµπερα−
τυρε, Οννεσ οβσερϖεδ, µερχυρψ ωουλδ
συδδενλψ τρανσµιτ ελεχτριχιτψ ωιτηουτ
λοσσ. Οτηερ µεταλσ ανδ αλλοψσ ηαϖε σινχε
βεεν φουνδ το συπερχονδυχτ ιφ χοολεδ
το λοω ενουγη τεµπερατυρεσ, µοστ οφ
τηεµ το βελοω αβουτ 23 κελϖινσ. Συχη
φριγιδ ρεαδινγσ∇χολδερ τηαν τηε συρφαχε
οφ Πλυτο∇χαν βε ρεαχηεδ ονλψ ωιτη ραρε
γασεσ συχη ασ λιθυε⇒εδ ηελιυµ ορ στατε−
οφ−τηε−αρτ ρεφριγερατιον σψστεµσ. ∆εσπιτε
τηεσε χονδιτιονσ, τηε πηενοµενον ηασ
σπαωνεδ σεϖεραλ τεχηνολογιεσ∇µαγνετ−
ιχ ρεσονανχε ιµαγινγ ( ΜΡΙ ) µαχηινεσ,
παρτιχλε αχχελερατορσ ανδ γεολογιχαλ σεν−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
σορσ φορ οιλ προσπεχτινγ, αµονγ οτηερσ.
Συπερχονδυχτιϖιτψ ισ ποισεδ το µακε
αν εϖεν γρεατερ ιµπαχτ ον σοχιετψ ιν τηε
νεξτ χεντυρψ, ηοωεϖερ, τηανκσ το α δισ−
χοϖερψ ιν τηε λατε 1980σ. Κ. Αλεξανδερ
̟λλερ ανδ ϑ. Γεοργ Βεδνορζ οφ τηε ΙΒΜ
Ρεσεαρχη Λαβορατορψ ιν Ζυριχη οβσερϖεδ
τηατ α χεραµιχλικε συβστανχε κνοων ασ
λαντηανυµ βαριυµ χοππερ οξιδε βεγαν
συπερχονδυχτινγ ατ α τηεν ρεχορδ ηιγη
οφ 35 κελϖινσ. Μορε δραµατιχ νεωσ φολ−
λοωεδ σηορτλψ τηερεαφτερ : ιν εαρλψ 1987
Μαω−Κυεν Ωυ, τηεν ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ
Αλαβαµα ατ Ηυντσϖιλλε, ανδ Ι, τογετηερ
ωιτη ουρ χο−ωορκερσ, δεµονστρατεδ συ−
περχονδυχτιϖιτψ ατ 93 κελϖινσ ιν ψττριυµ
βαριυµ χοππερ οξιδε, ορ ΨΒΧΟ φορ σηορτ.
Ατ τηατ τεµπερατυρε, ΨΒΧΟ ωουλδ βε−
χοµε συπερχονδυχτινγ ιν α βατη οφ λιθ−
υιδ νιτρογεν, ωηιχη, υνλικε λιθυιδ ηελι−
υµ, ισ αβυνδαντ ανδ χηεαπ.
Τηατ ωορκ σπαρκεδ α ⇓υρρψ οφ αχτιϖιτψ
ασ ρεσεαρχηερσ σουγητ οτηερ συπερχον−
δυχτινγ χυπρατεσ, ασ τηεσε χοππερ οξιδε
χοµπουνδσ αρε χαλλεδ. Ινδεεδ, πηψσι−
χιστσ ηαϖε δισχοϖερεδ µορε τηαν 100
συπερχονδυχτορσ ωιτη χριτιχαλ τεµπερα−
τυρεσ τηατ εξχεεδ τηοσε οφ τηε βεστ χον−
ϖεντιοναλ συπερχονδυχτορσ. ( Τηισ φαχτ
προµπτεδ σοµε τηεοριστσ το πλεαδ,
Στοπ δισχοϖερινγ µορε νεω ονεσ βε−
φορε ωε υνδερστανδ ωηατ ωε ηαϖε!)
Τηε νοϖελ µατεριαλσ ραισεδ µανψ
θυεστιονσ, περηαπσ φορεµοστ αµονγ
τηεµ: Χαν συπερχονδυχτορσ φολλοω ιν
τηε φοοτστεπσ οφ τηειρ χουσινσ, τηε σεµι−
χονδυχτορσ, ανδ δραµατιχαλλψ χηανγε ουρ
λιϖεσ φορ τηε βεττερ? Α θυαλι⇒εδ ψεσ ισ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
νοτ οϖερλψ οπτιµιστιχ, βεχαυσε συπερχον−
δυχτορσ χαν τουχη εϖερψ ασπεχτ οφ ουρ
εξιστενχε τηατ ινϖολϖεσ ελεχτριχιτψ. Συπερ−
χονδυχτινγ τραινσ, νεαρλψ περφεχτ, λαργε
ενεργψ στοραγε σψστεµσ ανδ υλτραφαστ
χοµπυτερσ αρε νοτ ρεαλιστιχ γοαλσ ατ τηε
µοµεντ, βυτ πλεντψ οφ οτηερ αππλιχα−
τιονσ αρε, ιν πρινχιπλε, ποσσιβλε σοον:
ε⇔χιεντ γενερατιον, τρανσµισσιον ανδ
στοραγε οφ ελεχτριχιτψ; δετεχτιον οφ ελεχ−
τροµαγνετιχ σιγναλσ τοο σµαλλ το βε
σενσεδ βψ χονϖεντιοναλ µεανσ; προτεχ−
τιον οφ ελεχτριχαλ γριδσ φροµ ποωερ συργ−
εσ, σαγσ ανδ ουταγεσ; ανδ τηε δεϖελοπ−
µεντ οφ φαστερ ανδ µορε χοµπαχτ χελ−
λυλαρ χοµµυνιχατιονσ τεχηνολογψ.
Α Τρουβλεσοµε Ματεριαλ
Α
BORIS STAROSTA
λτηουγη τηεψ µαψ σουνδ ρατηερ µυν−
δανε, τηεσε ποτεντιαλ υσεσ αρε ιν α
ωαψ αλµοστ τοο γοοδ το βε τρυε, χονσιδ−
ερινγ τηε µψριαδ ηυρδλεσ τηατ βεχαµε
αππαρεντ σηορτλψ αφτερ τηε δισχοϖερψ οφ
τηε χυπρατεσ. Ονε οφ τηε βιγγεστ ωασ
τηατ χυπρατεσ χαρριεδ ονλψ α λιµιτεδ
αµουντ οφ ελεχτριχιτψ ωιτηουτ ρεσιστανχε,
α προβλεµ στεµµινγ φροµ τηε ποσιτιον−
ινγ οφ τηε λαψερσ τηατ µαδε υπ τηε µα−
τεριαλσ. Ιφ τηε λαψερσ διδ νοτ λινε υπ προπ−
ερλψ, ελεχτρονσ ωουλδ βυµπ ιντο τηε
βουνδαρψ ιν τηε µισαλιγνεδ ρεγιον ανδ
σλοω δοων. Μαγνετιχ ⇒ελδσ φυρτηερ εξ−
αχερβατεδ τηε σιτυατιον, ασ τηεψ χουλδ
εασιλψ πενετρατε τηισ µισαλιγνεδ ρεγιον
ανδ δισρυπτ τηε φρεε ⇓οω οφ χυρρεντ. Ιν
φαχτ, εϖεν α περφεχτλψ αλιγνεδ µατεριαλ
χαν φαλλ ϖιχτιµ το τηισ ιντρυσιον ιφ τηε
µαγνετιχ ⇒ελδ ισ εξτρεµελψ
στρονγ.
Ρεσεαρχηερσ φουνδ ονε
ωαψ αρουνδ τηεσε ηινδρανχ−
εσ: λαψ δοων µιχρον−τηιν λαψ−
ερσ οφ τηε µατεριαλ ον ωελλ−
οργανιζεδ συβστρατεσ. Τηε
προχεσσ ηαδ τηε εφφεχτ οφ λιν−
CURRENT PATH
ινγ υπ τηε συπερχονδυχτινγ
λαψερσ µορε αχχυρατελψ. Αλ−
τηουγη τηιν ⇒λµσ δο νοτ χαρ−
ρψ τρεµενδουσ αµουντσ οφ
χυρρεντ, µανψ οργανιζατιονσ
MERCURY
ηαϖε βεγυν µαρκετινγ ιν−
στρυµεντσ βασεδ ον τηεµ.
BARIUM
∆υ Ποντ, τηε Μασσαχηυσεττσ
Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ∏σ Λιν−
CALCIUM
χολν Λαβορατορψ, Χονδυχτυσ,
Ιλλινοισ Συπερχονδυχτορ, ανδ
COPPER
Συπερχονδυχτορ Τεχηνολογιεσ
Ινχορπορατεδ ( ΣΤΙ ) αρε αλλ
OXYGEN
µακινγ δεϖιχεσ τηατ οπερατε
ιν τηε µιχροωαϖε φρεθυεν−
χιεσ φορ µιλιταρψ ινστρυµεντσ
ανδ χελλυλαρ τελεπηονε σψσ−
τεµσ. Τηε συπερχονδυχτινγ
⇒λµσ προϖιδε γρεατερ σιγναλ
στρενγτη ανδ προχεσσ σιγναλσ
µορε ε⇔χιεντλψ ιν α σµαλλερ
παχκαγε τηαν χαν ορδιναρψ
χονδυχτορσ. Χονδυχτυσ ανδ
ΙΒΜ αρε αλσο µακινγ µαγνετ−
ιχ−⇒ελδ σενσορσ κνοων ασ συ−
περχονδυχτινγ θυαντυµ ιν−
τερφερενχε δεϖιχεσ, ορ ΣΘΥΙ∆σ
[σεε ΣΘΥΙ∆σ, βψ ϑοην
Χλαρκε; ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, ΗΙΓΗΩΑΨΣ ΦΟΡ ΕΛΕΧΤΡΟΝΣ αρε λοχατεδ βετωεεν
Αυγυστ 1994]. Τηεσε δεϖιχεσ πλανεσ οφ χοππερ ανδ οξψγεν ατοµσ, ασ σηοων ιν
περφορµ ασ ωελλ ατ τηε λιθυιδ τηισ ρεπρεσεντατιον οφ α µερχυρψ βαριυµ χαλχιυµ
νιτρογεν τεµπερατυρε οφ 77 χοππερ οξιδε, ωηιχη λοσεσ ιτσ ελεχτριχαλ ρεσιστανχε
κελϖινσ ασ δο χονϖεντιοναλ ατ 134 κελϖινσ∇αµονγ τηε ηιγηεστ οφ τηε ηιγη−τεµ−
ΣΘΥΙ∆σ οπερατινγ ατ 4.2 κελ− περατυρε συπερχονδυχτορσ.
ϖινσ. Χονδυχτυσ χυρρεντλψ
σελλσ µοδελσ φορ εδυχατιοναλ
ανδ ρεσεαρχη πυρποσεσ.
αµπερεσ ωηεν α µαγνετιχ ⇒ελδ οφ νινε
Ωηιλε σοµε ινϖεστιγατορσ τραϖελεδ τηε τεσλασ ισ αππλιεδ. Βοτη ϖαλυεσ αρε µυχη
τηιν−⇒λµ ρουτε, οτηερσ ταχκλεδ τηε ιν− ηιγηερ τηαν ινιτιαλ ρεσυλτσ, ωηεν ΨΒΧΟ
τραχταβλε προβλεµ οφ λιµιτεδ χυρρεντ χα− χουλδ χαρρψ ονλψ 10 αµπερεσ περ σθυαρε
παχιτψ ανδ ιντρυσιϖε µαγνετιχ ⇒ελδσ χεντιµετερ ανδ λοστ αλλ χονδυχτιϖιτψ ιν
ηεαδ−ον, ιν τηε ηοπεσ οφ ηαϖινγ ωιρεσ ονλψ α 0.01−τεσλα ⇒ελδ. Ιν µανψ ρεσπεχτσ,
ανδ µοτορσ ανδ οτηερ βυλκ αππλιχα− τηε χυρρεντ χαπαχιτψ νοω οβταιναβλε ισ
τιονσ. Τηεψ δεϖισεδ µανψ ωαψσ το συρ− χοµπαραβλε το τηοσε οφ χονϖεντιοναλ
µουντ τηε οβσταχλεσ. Φορ ινστανχε, χαρε− συπερχονδυχτορσ. Ωηεν χοολεδ το ιδεν−
φυλ προχεσσινγ τηατ αλιγνεδ τηε λαψερσ τιχαλ τεµπερατυρεσ ανδ πλαχεδ ιν ηιγη
οφ τηε χυπρατεσ βοοστεδ τηε χυρρεντ χα− ⇒ελδσ, τηε χυπρατεσ ιν σοµε ωαψσ ουτ−
παχιτψ. Ινϖεστιγατορσ αλσο σουγητ το ιν− περφορµ τηειρ λοω−τεµπερατυρε χουσινσ.
τροδυχε στρυχτυραλ δεφεχτσ ιντο σελεχτεδ
Στιλλ, βυλκ αππλιχατιονσ φαχεδ ανοτηερ
παρτσ οφ τηε συπερχονδυχτορ, ωηιχη ηυρδλε. Τηε χυπρατεσ αρε εσσεντιαλλψ χε−
ωουλδ αχτ το πιν δοων µαγνετιχ ⇒ελδσ ραµιχσ, ωηιχη αρε βριττλε ανδ δι⇔χυλτ το
ανδ λιµιτ τηειρ δισρυπτιϖε τενδενχψ.
φορµ ιντο ωιρεσ. Τηρουγη νεω προχεσσ−
Συχη µοδι⇒χατιονσ ηαϖε προδυχεδ ρε− ινγ τεχηνιθυεσ ανδ µατεριαλσ σελεχτιον,
µαρκαβλε ρεσυλτσ. Τηε µαξιµυµ χυρρεντ ρεσεαρχηερσ ηαϖε µαναγεδ το χοαξ ⇓εξ−
δενσιτψ ΨΒΧΟ χαν χαρρψ ισ νοω ονε µιλ− ιβλε ωιρεσ ουτ οφ τηε βρεακαβλε συβ−
λιον αµπερεσ περ σθυαρε χεντιµετερ ατ στανχε. Τηεψ παχκ α πρεχυρσορ ποωδερ
77 κελϖινσ, δροππινγ ονλψ το 400,000 ιντο α σιλϖερ τυβε τηατ ισ ρολλεδ ανδ
TEXAS CENTER FOR SUPERCONDUCTIVITY, UNIVERSITY OF HOUSTON
ΚΕΠΤ ΙΝ ΣΥΣΠΕΝΣΕ: α µαγνετ ⇓οατσ
αβοϖε α συπερχονδυχτορ χοολεδ ωιτη
λιθυιδ νιτρογεν, ωηιχη ρεπελσ αλλ εξ−
τερναλ µαγνετιχ ⇒ελδσ.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
163
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
DAVID SCHARF
πρεσσεδ ιντο ωιρεσ. Συβσεθυεντ βακινγ εσ. Τεστσ ηαϖε σηοων τηατ τηεσε σενσορσ τορ οφ τηρεε το 10. Τηεψ ωιλλ αλσο βε χοµ−
χονϖερτσ τηε ποωδερ ιντο α βισµυτη− χαν πινποιντ τηε αρεασ οφ τηε βραιν ρε− µον εθυιπµεντ ιν µιλιταρψ αιρχραφτ το
βασεδ χυπρατε. Σηορτ σαµπλεσ χαν χαρρψ σπονσιβλε φορ φοχαλ επιλεπσψ. ΣΘΥΙ∆σ ωιλλ ⇒λτερ ουτ εξτρανεουσ ραδαρ σιγναλσ τηατ
200,000 αµπερεσ περ σθυαρε χεντιµε− αλσο βεχοµε στανδαρδ ισσυε ιν νονδε− χουλδ χονφυσε τηε ονβοαρδ χοµπυτερσ.
Ηιγηλψ ποπυλατεδ αρεασ µαψ σεε ολδ
τερ ατ 4.2 κελϖινσ (αβουτ 200 τιµεσ τηε στρυχτιϖε τεστινγ οφ ινφραστρυχτυρε συχη
αµουντ χοππερ χαν υσυαλλψ ηανδλε) ανδ ασ οιλ πιπεσ ανδ βριδγεσ, βεχαυσε φα− υνδεργρουνδ ποωερ χαβλεσ ρεπλαχεδ
ωιτη συπερχονδυχτινγ λινεσ
35,000 αµπερεσ ατ 77 κελ−
το µεετ τηε ινχρεασινγ δε−
ϖινσ. Αµεριχαν Συπερχον−
µανδ φορ ελεχτριχιτψ. Συχη
δυχτορ χαν νοω ρουτινελψ
τρανσµισσιον λινεσ µαψ
σπιν ουτ κιλοµετερ−λονγ
αλσο ρεδυχε ελεχτριχ ρατεσ∇
λενγτησ οφ ωιρε. Βψ υσινγ
αβουτ 15 περχεντ οφ τηε βιλλ
ιον βεαµσ, πηψσιχιστσ ατ
στεµσ φροµ λοσσ χαυσεδ βψ
Λοσ Αλαµοσ Νατιοναλ Λαβ−
ελεχτριχαλ ρεσιστανχε. Ποωερ
ορατορψ ρεχεντλψ προδυχεδ
στατιονσ ωιλλ ρελψ ον τηε
σαµπλεσ οφ ⇓εξιβλε ΨΒΧΟ
µατεριαλσ φορ χυρρεντ λιµ−
ταπε τηατ χαν ρεσιστ µαγ−
ιτερσ, προϖιδινγ µορε στα−
νετιχ ⇒ελδσ µυχη βεττερ
βλε ϖολταγεσ φορ α χοµπυτ−
τηαν βισµυτη ωιρεσ δο.
ερ−δεπενδεντ σοχιετψ.
Σεϖεραλ δεϖιχεσ δεµον−
Ενεργψ στοραγε ισ αλσο α
στρατινγ τηε φεασιβιλιτψ οφ
στρονγ ποσσιβιλιτψ. Συπερ−
βυλκ αππλιχατιονσ ηαϖε
χονδυχτινγ µαγνετιχ ενερ−
βεεν χονστρυχτεδ. Ιντερ−
γψ στοραγε ( ΣΜΕΣ ) δεϖιχεσ
µαγνετιχσ Γενεραλ ανδ τηε
µαψ βεχοµε ωιδεσπρεαδ.
Τεξασ Χεντερ φορ Συπερ−
Εσσεντιαλλψ, α συπερχονδυχτ−
χονδυχτιϖιτψ ατ τηε Υνιϖερ−
ινγ χοιλ ωουλδ βε χηαργεδ
σιτψ οφ Ηουστον ηαϖε βυιλτ
ανδ τηεν ωουνδ ιντο α χιρ−
δι⇑ερεντ τψπεσ οφ χυπρατε
χλε. Τηε χυρρεντ ωιλλ τηεο−
µαγνετσ τηατ χαν γενερατε
ρετιχαλλψ ⇓οω ωιτηουτ λοσσ.
υπ το τωο τεσλασ, αβουτ
Ωηεν τηε ελεχτριχιτψ ισ
⇒ϖε τιµεσ τηε ⇒ελδ προϖιδ−
νεεδεδ, τηε χοιλ ισ σναππεδ
εδ βψ τηε βεστ περµανεντ
βαχκ ιντο τηε µαιν γριδ,
µαγνετ. Ρελιανχε Ελεχτριχ
προϖιδινγ α βοοστ οφ ελεχ−
ωιλλ υσε Αµεριχαν Συπερ−
τριχιτψ. Προτοτψπε ΣΜΕΣ δε−
χονδυχτορ∏σ ωιρε το προ−
ϖιχεσ, υσινγ λοω−τεµπερα−
δυχε α ⇒ϖε−ηορσεποωερ
τυρε συπερχονδυχτορσ, αρε
µοτορ. Τηεσε ανδ οτηερ ιν−
νοω βεινγ τεστεδ. Αδ−
στιτυτιονσ ηαϖε αλσο χραφτ−
ϖανχεδ ⇓ψωηεελσ, ωηιχη
εδ ⇓ψωηεελσ το στορε ενερ−
γψ ανδ φαυλτ−χυρρεντ λιµ− ΣΘΥΙ∆, ορ συπερχονδυχτινγ θυαντυµ ιντερφερενχε δεϖιχε, σερϖεσ ωουλδ βε συππορτεδ βψ
ιτερσ το σηυντ ελεχτριχαλ ασ α ηιγηλψ σενσιτιϖε δετεχτορ οφ µαγνετιχ ⇒ελδσ. Τηισ ονε, ονλψ φριχτιονλεσσ συπερχονδυχτ−
συργεσ φροµ εθυιπµεντ. 30 µιχρονσ αχροσσ, χονταινσ τωο ϑοσεπησον ϕυνχτιονσ (νοτ ϖισιβλε) ινγ βεαρινγσ ανδ ωουλδ
σπιν χοντινυουσλψ υντιλ
Αλτηουγη σοµε οφ τηεσε λψινγ ϕυστ αβοϖε τηε ηοριζονταλ στριπ τηατ ρυνσ αχροσσ τηε ιµαγε.
ταππεδ φορ τηειρ ενεργψ,
δεϖιχεσ ηαϖε αναλογυεσ
αµονγ ορδιναρψ χονδυχτορσ, ασ συπερ− τιγυεδ µεταλ προδυχεσ α υνιθυε µαγ− ωουλδ σερϖε α σιµιλαρ πυρποσε.
Τηε χυπρατεσ µαψ αλσο προϖε εχονοµ−
χονδυχτινγ δεϖιχεσ τηεψ σηουλδ περφορµ νετιχ σιγνατυρε. Τηε αδϖανταγεσ οφ λιθ−
υιδ νιτρογεν σηουλδ ρενδερ τηεσε δετεχ− ιχαλλψ φεασιβλε ιν εθυιπµεντ φορ σπαχε
ωιτη γρεατερ ε⇔χιενχψ ανδ χαπαχιτψ.
τορσ µορε ωιδελψ υσεδ ιν αλλ αρεασ οφ εξπλορατιον. Αωαψ φροµ τηε διρεχτ ραψσ
σχιεντι⇒χ ινϖεστιγατιον.
οφ τηε συν, τηε τεµπερατυρεσ ιν σπαχε
Προτοτψπεσ το Μαρκετ?
ΜΡΙ δεϖιχεσ ωιλλ προβαβλψ βεχοµε αρε βελοω τηατ νεεδεδ το συσταιν συπερ−
ρεδιχτινγ τηε φυτυρε ισ αλωαψσ α βιτ σµαλλερ ανδ µορε ε⇔χιεντ. Μορε σενσι− χονδυχτιϖιτψ φορ µανψ οφ τηεσε µατερι−
ηαζαρδουσ, εϖεν µορε σο ιν τηε αβ− τιϖε συπερχονδυχτινγ αµπλι⇒ερσ ανδ αλσ. Ωιτη τηατ ρεαλιζατιον ιν µινδ, τηε
σενχε οφ αν αδεθυατε πρεσεντ. Νεϖερ− χοιλ δετεχτορσ ωιλλ µεαν τηατ τηε µαγ− Νατιοναλ Αεροναυτιχσ ανδ Σπαχε Αδµιν−
τηελεσσ, Ι ωιλλ ϖεντυρε α φεω προγνοστι− νετιχ ⇒ελδ ρεθυιρεδ φορ ιµαγινγ χαν βε ιστρατιον ηασ φυνδεδ τηε δεϖελοπµεντ
χατιονσ αβουτ τηε ιµπαχτ οφ ηιγη−τεµ− ωεακερ, ωηιχη ωουλδ ρεσυλτ ιν α σµαλλερ οφ προτοτψπε σενσινγ ανδ ελεχτροµε−
περατυρε συπερχονδυχτιϖιτψ ον ουρ λιϖεσ ανδ χηεαπερ µαχηινε. Τηε γρεατερ σεν− χηανιχαλ δεϖιχεσ φορ σπαχεσηιπ υσε.
ιν τηε νεξτ 10 το 30 ψεαρσ, βασεδ ον τηε σιτιϖιτψ ωιλλ λεαδ το φαστερ σιγναλ προχεσσ−
Σοµε ρεσεαρχηερσ αρε εξπλορινγ εϖεν
δεϖελοπµεντσ οφ τηε παστ νινε ψεαρσ.
ινγ, ηενχε γρεατλψ λοωερινγ τηε πρεσεντ µορε ρεµοτε αππλιχατιονσ, σπεχι⇒χαλλψ
Μανψ οφ τηε δεµονστρατιον δεϖιχεσ χοστ οφ οπερατινγ τηε µαχηινε.
ιν χοµπυτερ τεχηνολογψ. Ονε ισ το µακε
νοω βεινγ βυιλτ ωιλλ βεχοµε υβιθυι−
Λεσσ ϖισιβλε βυτ ιµπορταντ εχονοµι− ϑοσεπησον ϕυνχτιον χιρχυιτσ. Α ϑοσεπη−
τουσ, ασ µανυφαχτυρινγ ανδ προχεσσινγ χαλλψ, ηιγη−τεµπερατυρε συπερχονδυχ− σον ϕυνχτιον, χραφτεδ βψ σανδωιχηινγ α
βεχοµε µορε ρε⇒νεδ ανδ περφορµανχε τορσ ωιλλ ωορκ τηειρ ωαψ ιντο µιχροωαϖε τηιν ινσυλατινγ βαρριερ βετωεεν τωο συ−
ιµπροϖεσ. ΣΘΥΙ∆σ, ωηιχη χαν δετεχτ τηε χοµµυνιχατιονσ σψστεµσ, αχτινγ ασ ⇒λ− περχονδυχτινγ λαψερσ, χαν βε µαδε το
ωεακ µαγνετιχ σιγναλσ φροµ τηε ηεαρτ τερσ ανδ αντεννασ. Τηεψ ωιλλ προϖε ιν− τυρν ον ανδ ο⇑ ραπιδλψ ωιτη λοω ποωερ.
ανδ βραιν, ωιλλ βεχοµε α χοµµον τοολ δισπενσαβλε ιν βοοστινγ τηε χαπαχιτψ οφ Τηε ϕυνχτιονσ χουλδ ρεπλαχε τηε χιρχυιτσ
φορ τηε νονινϖασιϖε διαγνοσισ οφ δισεασ− χελλυλαρ τελεπηονε βασε στατιονσ βψ α φαχ− ιν χοµπυτερσ ανδ ιν τηεορψ βοοστ τηε
Π
164
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ανδ Ι, αλονγ ωιτη ουρ χο−ωορκερσ, ραισεδ
τηε χριτιχαλ τεµπερατυρε το 164 κελϖινσ.
Συχη α τεµπερατυρε, εθυαλ το ∠109 δε−
γρεεσ Χελσιυσ, ισ ατταιναβλε ωιτη τεχηνολ−
ογψ υσεδ ιν ηουσεηολδ αιρ−χονδιτιονινγ.
Ιν φαχτ, α ροοµ−τεµπερατυρε συπερ−
χονδυχτορ µαψ βε φουνδ;
µοστ τηεοριεσ δο νοτ εξ−
χλυδε τηε ποσσιβιλιτψ. Σπο−
ραδιχ βυτ ιρρεπροδυχιβλε ρε−
συλτσ ηαϖε αππεαρεδ συγ−
γεστινγ συπερχονδυχτιϖιτψ
ασ ηιγη ασ 250 κελϖινσ (∠23
δεγρεεσ Χ ). Α ροοµ−τεµ−
περατυρε συπερχονδυχτορ
ωουλδ συρελψ ινιτιατε αν−
Συπερχονδυχτινγ Σεχρετσ
οτηερ ινδυστριαλ ρεϖολυτιον.
Αλτηουγη τηε παχε οφ ιµ−
ϖεν γρεατερ τεχηνολογ−
προϖεµεντ ηασ µαδε ωορκ−
ιχαλ χηανγε µαψ ρελψ
ερσ οπτιµιστιχ, τηε εξιστενχε
ον αδϖανχεσ ιν βασιχ ρε−
οφ α τεχηνολογψ αλονε δοεσ
σεαρχη οφ τηε συπερχον−
νοτ γυαραντεε ιτ α µαϕορ
δυχτορσ. Τηε χοµπλεξιτψ οφ
ποσιτιον ιν α µαρκετ−οριεντ−
τηε µατεριαλ ηασ µαδε τηε
εδ σοχιετψ. Τηε χοστ−βενε−
µεχηανισµ βεηινδ ηιγη−
⇒τ φαχτορ διχτατεσ τηε ουτ−
τεµπερατυρε συπερχονδυχ−
χοµε. Ηενχε, τηε χηαλλενγε
τιϖιτψ ιµπερϖιουσ το προβ−
ισ το ρεδυχε τηε πριχε το
ινγ. Τηε τραδιτιοναλ τηεορψ
προχεσσ τηε µατεριαλ, φαβρι−
οφ συπερχονδυχτιϖιτψ στατεσ
χατε τηε δεϖιχε ανδ ιµπλε−
τηατ ϖιβρατιονσ οφ τηε σολιδ
µεντ τηε τεχηνολογψ.
χαυσε ελεχτρονσ, ωηιχη ορ−
∆υρινγ τηε παστ νινε
διναριλψ ρεπελ ονε ανοτηερ,
ψεαρσ, σχιεντιστσ ηαϖε µαδε
το φορµ παιρσ. Τηεσε παιρσ
τηε νορµαλ αβνορµαλ βψ
χαν τηεν ραχε αλονγ ωιτη−
δισχοϖερινγ ηιγη−τεµπερα−
ουτ ρεσιστανχε.
τυρε συπερχονδυχτορσ. Τηεν
Τηισ χονχεπτιον, ηοωεϖ−
τηεψ ηαϖε µαδε τηε αβνορ−
ερ, αππεαρσ ιναδεθυατε φορ
µαλ νορµαλ βψ υνραϖελινγ
χυπρατεσ. Τηε ηιγη τρανσι−
σοµε µψστεριεσ οφ τηε πηε−
τιον τεµπερατυρε µεανσ
τηατ τηε σολιδ ωουλδ ηαϖε ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΙΝΓ ΩΙΡΕ χυτ λατεραλλψ ρεϖεαλσ ⇒λαµεντσ φουρ µι− νοµενον. Νοω τηεψ αρε
το σηακε σο µυχη τηατ τηε χρονσ τηιχκ τηατ αρε παχκεδ ιντο ηεξαγοναλ παττερνσ. Τηισ δεσιγν, τρψινγ το µακε τηε νορµαλ
λαττιχε στρυχτυρε οφ τηε υσεδ βψ Αµεριχαν Συπερχονδυχτορ, ηελπσ το µακε τηε βριττλε χε− πραχτιχαλ βψ δεµονστρατινγ
τηε τεχηνιχαλ φεασιβιλιτψ οφ
χοµπουνδ ωουλδ νοτ βε ραµιχ βενδαβλε ανδ στρονγ.
τηε ε⇑εχτ. Αλτηουγη υνφορε−
σταβλε ενουγη φορ ελεχτρον
παιρσ το φορµ. Σοµετηινγ ελσε µυστ βε βε ρεαχηεδ. Τηε χον⇒ρµεδ µαρκ φορ α σεεν αππλιχατιονσ αρε χερταιν το αρισε∇
µατχηινγ υπ τηε ελεχτρονσ. Ονε χλυε λιεσ συβστανχε υνδερ νορµαλ χονδιτιονσ ισ νο ονε πρεδιχτεδ τηατ ΜΡΙ τεχηνολογψ
ιν τηε νορµαλ (τηατ ισ, νονσυπερχονδυχτ− 134 κελϖινσ, ⇒ρστ οβσερϖεδ ιν 1993 βψ ωουλδ εµεργε φροµ συπερχονδυχτορσ∇
ινγ ) στατε. Ηερε τηε µατεριαλσ σηοω υν− Ανδρεασ Σχηιλλινγ ανδ ηισ χολλεαγυεσ ατ τηε ηιγη−τεµπερατυρε ωονδερλανδ ωιλλ
υσυαλ ελεχτριχ ανδ µαγνετιχ προπερτιεσ τηε Σωισσ Φεδεραλ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολο− µοστ λικελψ χονσιστ οφ συβτλε ψετ εχον−
τηατ δεφψ πρεϖαιλινγ ωισδοµ. Μανψ εξ− γψ ιν Ζυριχη ιν µερχυρψ βαριυµ χαλχιυµ οµιχαλλψ προφουνδ χηανγεσ, α χονϖερ−
περιµεντσ αρε βεινγ χονδυχτεδ το ναρ− χοππερ οξιδε. Βψ σθυεεζινγ τηε χοµ− σιον οφ εσοτεριχ τεχηνολογψ ιντο ινστρυ−
ροω τηε ⇒ελδ οφ τηεοριεσ. Ι συσπεχτ τηατ πουνδ, ∆αϖε Μαο οφ Γεοπηψσιχαλ Λαβ µεντσ ωε χαν ρελψ ον εϖερψ δαψ.
σπεεδ οφ χοµπυτατιον βψ υπ το 50 τιµεσ.
Τεχηνιχαλ οβσταχλεσ, ηοωεϖερ, ηαϖε πρε−
ϖεντεδ σιγνι⇒χαντ προγρεσσ τοωαρδ αν
αλλ−συπερχονδυχτινγ χοµπυτερ. Α ηψβριδ
σψστεµ µαψ βε ϖιαβλε. Τηε κεψ προβλεµσ
ηερε αρε µακινγ ρελιαβλε συπερχονδυχτ−
ινγ χιρχυιτσ ανδ δεσιγνινγ
αππροπριατε ιντερφαχεσ βε−
τωεεν συπερχονδυχτορσ
ανδ σεµιχονδυχτορσ, νοτ
το µεντιον ⇒γητινγ ο⇑
τηε χοµπετιτιον φροµ τηε
εϖερ ιµπροϖινγ ⇒ελδ οφ
σεµιχονδυχτορσ.
µανψ µεχηανισµσ αρε αχτινγ τογετηερ
το προδυχε συπερχονδυχτιϖιτψ ιν χυ−
πρατεσ ανδ τηατ τηεψ ωιλλ βε ελυχιδατεδ
ωιτηιν τηε νεξτ 10 ψεαρσ.
Ονχε τηε µατεριαλσ αρε υνδερστοοδ,
εϖεν ηιγηερ τρανσιτιον τεµπερατυρεσ µαψ
AMERICAN SUPERCONDUCTOR
Ε
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΠΑΥΛ Χ. Ω. ΧΗΥ, ωηο διρεχτσ τηε Τεξασ
Χεντερ φορ Συπερχονδυχτιϖιτψ ατ τηε Υνι−
ϖερσιτψ οφ Ηουστον, εαρνεδ ηισ δοχτορατε
φροµ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια, Σαν
∆ιεγο. Ηε ηασ σερϖεδ ασ α χονσυλταντ το
σεϖεραλ οργανιζατιονσ ανδ ρεχειϖεδ νυ−
µερουσ αωαρδσ, ινχλυδινγ τηε Νατιοναλ
Μεδαλ οφ Σχιενχε. Βεσιδεσ στυδψινγ συπερ−
χονδυχτιϖιτψ, ηε αλσο ρεσεαρχηεσ µαγνε−
τισµ ανδ διελεχτριχ µατεριαλσ.
ΤΗΕ ∆ΙΣΧΟςΕΡΨ ΟΦ Α ΧΛΑΣΣ ΟΦ ΗΙΓΗ−ΤΕΜΠΕΡΑΤΥΡΕ ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΟΡΣ. Κ. Αλεξ ̟λλερ ανδ ϑ.
Γεοργ Βεδνορζ ιν Σχιενχε, ςολ. 237, παγεσ 1133∠1139; Σεπτεµβερ 4, 1987.
ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΙςΙΤΨ ΑΒΟςΕ 90Κ. Χ. Ω. Χηυ ιν Προχεεδινγσ οφ τηε Νατιοναλ Αχαδεµψ οφ Σχιενχεσ
ΥΣΑ, ςολ. 84, Νο. 14, παγεσ 4681∠4682; ϑυλψ 1987.
ΤΗΕ ΒΡΕΑΚΤΗΡΟΥΓΗ: ΤΗΕ ΡΑΧΕ ΦΟΡ ΤΗΕ ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΟΡ. Ρ. Μ. Ηαζεν. Συµµιτ Βοοκσ, 1989.
ΦΟΥΝ∆ΑΤΙΟΝΣ ΟΦ ΑΠΠΛΙΕ∆ ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΙςΙΤΨ. Τερρψ Π. Ορλανδο ανδ Κεϖιν Α. ∆ελιν. Αδδισον−
Ωεσλεψ, 1991.
ΙΝΤΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ ΤΟ ΗΙΓΗ ΤΕΜΠΕΡΑΤΥΡΕ ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΙςΙΤΨ. Τ. Π. Σηεαηεν. Πλενυµ Πρεσσ, 1994.
ΠΗΨΣΙΧΑΛ ΠΡΟΠΕΡΤΙΕΣ ΟΦ ΗΙΓΗ−ΤΕΜΠΕΡΑΤΥΡΕ ΣΥΠΕΡΧΟΝ∆ΥΧΤΟΡΣ. ςολσ. 1∠4. ∆οναλδ Μ. Γινσ−
βεργ. Ωορλδ Σχιεντι⇒χ, Σινγαπορε ανδ Τεανεχκ, Ν.ϑ., 1989, 1990, 1992 ανδ 1994.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
165
ΜΑΧΗΙΝΕΣ, ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ΑΝ∆ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ
Commentary
Ροβοτιχσ ιν τηε
21στ Χεντυρψ
Automatons may soon find work
as subservient household help
βψ ϑοσεπη Φ. Ενγελβεργερ
Σ
ινχε Υνιµατιον, Ινχ., ιν−
σταλλεδ τηε ⇒ρστ ινδυσ−
τριαλ ροβοτ ιν 1961 το
υνλοαδ παρτσ φροµ α διε−χαστ−
ινγ οπερατιον, µορε τηαν
500,000 σιµιλαρ χονστρυχτσ
ηαϖε γονε το ωορκ ιν φαχτο−
ριεσ αρουνδ τηε ωορλδ. Τηεψ
αρε χοµµον σιγητσ ιν χηεµι−
χαλ προχεσσινγ πλαντσ, αυτο−
µοβιλε ασσεµβλψ λινεσ ανδ
ελεχτρονιχσ µανυφαχτυρινγ φα−
χιλιτιεσ, ρεπλαχινγ ηυµαν λαβορ ιν ρεπετιτιϖε ανδ ποσσιβλψ
δανγερουσ οπερατιονσ. Βυτ ηοω ωιλλ ροβοτιχσ εϖολϖε ιν τηε
ιµµεδιατε δεχαδεσ αηεαδ? Χαν ιτ µοϖε φροµ τηε ινδυστριαλ
σεττινγ το σερϖε πεοπλε ιν τηειρ δαιλψ λιϖεσ?
Ιν ηισ στορψ Τηερε Ωιλλ Χοµε Σοφτ Ραινσ, Ραψ Βραδβυρψ
φορεχαστ τηατ ουρ ηοµεσ ωουλδ βεχοµε ενϖελοπινγ αυτοµα−
τον σψστεµσ τηατ χουλδ ουτλαστ τηε ηυµαν ινηαβιταντσ. Ισααχ
Ασιµοϖ χαµε το δι⇑ερεντ χονχλυσιονσ. Ιν ηισ ροβοτ νοϖελσ,
Ασιµοϖ ενϖισιονεδ στανδ−αλονε ροβοτσ τηατ ωουλδ σερϖε ανδ
µινγλε ωιτη ηυµανσ το ουρ εϖερλαστινγ µυτυαλ βενε⇒τ. Τηε
ανσωερ χαν βε γλεανεδ φροµ ρεαλ−ωορλδ εξπεριενχε χουπλεδ
ωιτη τηε σπεχυλατιονσ οφ τηεσε τωο σχιενχε−⇒χτιον γιαντσ.
Φινδινγ ⇒ρστ φορ Βραδβυρψ, ωε αλρεαδψ ηαϖε τηε Σµαρτ Ηουσε
προϕεχτ, αν (εξπενσιϖε) οπτιον φορ ηοµε βυψερσ ιν ωηιχη α
χεντραλ χοµπυτερ οπτιµιζεσ ηεατ, λιγητ, αιρ χονδιτιονινγ ανδ
σεχυριτψ. Αδδ αυτοµατιχ χοντρολ οφ χοµµυνιχατιονσ, εντερ−
ταινµεντ, δατα σεεκινγ ανδ σηοππινγ ιν χψβερσπαχε, ανδ
σεεµινγλψ µυχη οφ Βραδβυρψ∏σ χονϕεχτυρε ισ ϕυστι⇒εδ.
Βυτ νοτ χοµπλετελψ. Βραδβυρψ∏σ ηουσε ωεντ φυρτηερ, ο⇑ερ−
ινγ αυτοµατεδ χοοκινγ, χλεανινγ ανδ περσοναλ ηψγιενε. Α σλεω
οφ λιττλε ροβοτ µιχε, φορ ινστανχε, ωουλδ δαρτ ουτ φροµ τηε
βασεβοαρδσ τηρουγηουτ τηε ηουσε το πιχκ υπ διρτ. Ηυµαν οχ−
χυπαντσ λιτεραλλψ διδ νοτ ηαϖε το λιφτ α ⇒νγερ.
Συχη πηψσιχαλ ιντερϖεντιον, ηοωεϖερ, ισ ωηερε Βραδβυρψ∏σ
ϖισιον λοσεσ σοµε χρεδιβιλιτψ. Αλτηουγη ωε αλρεαδψ ηαϖε αυ−
τοµατιον ιν ωασηινγ µαχηινεσ, δισηωασηερσ, χο⇑εεµακερσ
ανδ σο φορτη, τηεσε δεϖιχεσ αρε λοαδεδ µανυαλλψ, ωιτη ηυµαν
ηανδσ. Ροβοτιχ µιχε τηατ δο αωαψ ωιτη δυστ µιγητ βε τεχηνι−
χαλλψ φεασιβλε ατ γρεατ χοστ, βυτ ιτ σεεµσ µορε πραχτιχαλ το πυση
αρουνδ α ϖαχυυµ χλεανερ εϖερψ σο οφτεν.
Ιν τηατ ρεγαρδ, Ι τηινκ Ασιµοϖ∏σ σχεναριο βεχοµεσ µορε λικε−
λψ. Ρατηερ τηαν α σπεχιαλιζεδ δεϖιχε, α ηουσεηολδ ροβοτ ωουλδ
βε α στανδ−αλονε αυτοµατον. Ιτ ωουλδ δο τηε χηορεσ ϕυστ ασ
ωε δο, υσινγ τηε σαµε εθυιπµεντ ανδ σιµιλαρ τοολσ ανδ ρε−
166
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
σπονδινγ το σποκεν χοµµανδσ ανδ συππλψινγ ϖερβαλ ρεπορτσ.
Τηερεφορε, τηε ροβοτσ τηατ σερϖε υσ περσοναλλψ ιν τηε νεαρ
φυτυρε ωιλλ οφ νεχεσσιτψ βε σοµεωηατ αντηροποµορπηιχ, ϕυστ
ασ Ασιµοϖ ενϖισιονεδ. Το σηαρε α ηουσεηολδ ωιτη α ηυµαν,
τηε ροβοτ µυστ βε αβλε το τραϖελ αυτονοµουσλψ τηρουγηουτ
τηε λιϖινγ θυαρτερσ, το σεε ανδ ιντερπρετ νεεδσ, ανδ το προ−
ϖιδε µατεριαλσ ανδ σερϖιχεσ ωιτη α γεντλε ανδ πρεχισε τουχη.
Ιτ µαψ βε τηατ βεφορε τηε εαρλψ δεχαδεσ οφ τηε 21στ χεντυρψ
βεχοµε ηιστορψ, σοµε προφουνδ ινϖεντιον ωιλλ αλτερ ροβοτιχσ.
Βυτ ιτ βεηοοϖεσ τηισ ωουλδ−βε οραχλε το σταψ ωιτηιν τηε βουνδσ
οφ χυρρεντ τεχηνολογψ ανδ λογιχαλ εξτενσιονσ τηερεοφ. Ανδ
τηατ ισ νοτ µυχη οφ α χονστραιντ! Ροβοτιχιστσ ηαϖε α συβσταν−
τιαλ τοολβοξ ιν ηανδ τοδαψ∇λοω−χοστ ελεχτρονιχσ, σερϖοµεχη−
ανισµσ, χοντρολλερσ, σενσορσ ανδ χοµµυνιχατιονσ εθυιπµεντ,
το ναµε ϕυστ α φεω χατεγοριεσ. Μορεοϖερ, τηεσε ινστρυµεντσ οφ
χονστρυχτιον αρε στεαδιλψ εϖολϖινγ, παρτιχυλαρλψ τηοσε ιν σεν−
σορψ περχεπτιον. Αχτιϖε ανδ πασσιϖε βεαχονσ, στερεο ϖισιον
ανδ εϖεν α ρεχειϖερ φορ τηε Γλοβαλ Ποσιτιονινγ Σψστεµ (α νετ−
ωορκ οφ σατελλιτεσ τηατ βροαδχαστσ ποσιτιοναλ ινφορµατιον)
ωιλλ εναβλε α ροβοτ το ναϖιγατε ιτσ ενϖιρονµεντ ε⇑ορτλεσσλψ.
ςοιχε σψντηεσισ ανδ ρεχογνιτιον ωιλλ ενσυρε υνδερστανδινγ
οφ τηε ηυµαν οϖερσεερ∏σ νεεδσ. Σαφετψ πρεχαυτιονσ, συχη ασ
ρυλεσ σιµιλαρ το Ασιµοϖ∏σ τηρεε λαωσ οφ ροβοτιχσ∇ωηιχη χαν
βε λοοσελψ παραπηρασεδ ασ Προτεχτ ηυµανσ; οβεψ ηυµανσ;
προτεχτ ψουρσελφ ∇χαν ρεαδιλψ βε εµβεδδεδ.
Α
ροβοτ βυιλτ ωιτη τηεσε τοολσ ωιλλ προβαβλψ ⇒ρστ σεε δυτψ ασ
α χοµπανιον το τηε ελδερλψ ανδ ηανδιχαππεδ, περηαπσ
βεφορε τηε ενδ οφ τηισ χεντυρψ. Ιτ ωουλδ γιϖε αµβυλατορψ αιδ
(ο⇑ερ αν αρµ), φετχη ανδ χαρρψ, χοοκ, χλεαν, µονιτορ ϖιταλ
σιγνσ, εντερταιν, ανδ χοµµυνιχατε ωιτη ηυµαν χαρεγιϖερσ λο−
χατεδ ελσεωηερε. Τηισ ισ νοτ σχιενχε ⇒χτιον. Ωε ηαϖε τηε χα−
παβιλιτψ νοω∇σολιδ ενγινεερινγ ισ αλλ τηατ ισ ρεθυιρεδ.
Στιλλ, Ι ποιντ ουτ τηατ τηε τυρν−οφ−τηε−χεντυρψ ηουσεηολδ ρο−
βοτ, ηοωεϖερ υσεφυλ, ωουλδ βε α φαρ χρψ φροµ α λοψαλ στα⇑ οφ
βυτλερ, χοοκ, µαιδ ανδ νυρσε. Ηυµαν ιντερϖεντιον ωουλδ στιλλ
βε νεχεσσαρψ φορ περσοναλ ηψγιενε, δρεσσινγ, γροοµινγ ανδ
ινϖασιϖε αδµινιστρατιον οφ µεδιχινε. Ανδ αρτι⇒χιαλ ιντελλιγενχε
ωουλδ νοτ προϖιδε φυλλψ σατισφψινγ χονϖερσατιοναλ γαµβιτσ.
Περσοναλ−σερϖιχε ροβοτσ µαψ αλσο ενχουραγε αδϖανχεσ ιν
τηειρ ινδυστριαλ χουσινσ, ωηιχη αρε στιλλ χονσιγνεδ λαργελψ το
πυτ ανδ τακε αχτιονσ. Μακινγ ροβοτσ µορε αδαπτιϖε ανδ
χοµµυνιχατιϖε µαψ ηελπ ρεδυχε τηε πρεπρογραµµινγ νοω
ρεθυιρεδ. Ασ ροβοτσ ιµπροϖε, τηεψ ωιλλ βε ασσιγνεδ το µορε
ηοτ, ηαζαρδουσ ανδ τεδιουσ τασκσ. Ι φονδλψ ηοπε τηατ σοονερ,
ρατηερ τηαν λατερ, τηε Νατιοναλ Αεροναυτιχσ ανδ Σπαχε Αδ−
µινιστρατιον ανδ οτηερ σπαχε αγενχιεσ ωορλδωιδε ωιλλ ρεαλιζε
τηατ ροβοτσ σηουλδ βε ουρ εµισσαριεσ ιν σπαχε. Φλεση ανδ
βλοοδ δο νοτ βελονγ ιν τηατ δεσπερατελψ ηοστιλε ενϖιρονµεντ.
Υσινγ ροβοτσ µαψ υλτιµατελψ µακε τηε ηυµαν χολονιζατιον
οφ σπαχε προχεεδ µυχη φαστερ. Ροβοτσ ον Μαρσ, φορ ινστανχε,
χουλδ χρεατε α φριενδλψ ενϖιρονµεντ βεφορε ηυµανσ αρριϖε.
Ιν τηε χουρσε οφ τερρεστριαλ εϖολυτιον, ηυµανιτψ ισ ονλψ α ρε−
χεντ δεϖελοπµεντ. Ουρ χοντινυινγ αδϖανχε ισ ινηιβιτεδ βψ τηε
πονδερουσ νατυρε οφ νατυραλ σελεχτιον ανδ βψ τηε λαβοριουσ−
νεσσ οφ τηε λεαρνινγ προχεσσεσ τηατ ενδοω ουρ προγενψ ωιτη
τηειρ φορεβεαρσ∏ ωισδοµ. Ιν χοντραστ, εϖερψ νεω ροβοτ χαν ρα−
πιδλψ ινχορπορατε τηε βεστ πηψσιχαλ ανδ ιντελλεχτυαλ χαπαχιτψ
αϖαιλαβλε ατ τηε τιµε. Ωιτηιν σεχονδσ, αλλ πριορ ροβοτιχ εξπερι−
ενχε χαν βε δοωνλοαδεδ. Ροβοτιχσ µαψ ϖερψ ωελλ δετερµινε
ηοω ηυµαν αχτιϖιτψ εϖολϖεσ ιν τηε 21στ χεντυρψ.
ϑΟΣΕΠΗ Φ. ΕΝΓΕΛΒΕΡΓΕΡ, οφτεν χαλλεδ τηε φατηερ οφ ροβοτ−
ιχσ, ισ χηαιρµαν οφ Τρανσιτιονσ Ρεσεαρχη Χορπορατιον ιν ∆αν−
βυρψ, Χονν., ωηιχη σεεκσ το δεϖελοπ περσοναλ−σερϖιχε ροβοτσ.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ENERGY AND ENVI
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Copyright 1994 Scientific American, Inc.
RONMENT
The most crucial
changes will come from
attacking the waste
problems of industry,
agriculture and energy
production at a
fundamental level.
ΧΟΝΤΕΝΤΣ
Solar Energy
170
Fusion
174
Disposing of Nuclear Waste
177
The Industrial Ecology
of the 21st Century
178
Technology for
Sustainable Agriculture
182
Χοµµενταρψ
Outline for an
Ecological Economy
188
ΧΟΛ∆ ΣΕΑΩΑΤΕΡ εξτραχτεδ φροµ
τηε δεεπ Παχι⇒χ χλεανλψ γενερατεσ
ελεχτριχιτψ ατ τηε Νατυραλ Ενεργψ
Λαβορατορψ οφ Ηαωαιι. Ιτ αλσο χοολσ
βυιλδινγσ, χονδενσεσ φρεσηωατερ ανδ
συππορτσ αθυαχυλτυρε∇ινχλυδινγ τηε
χυλτιϖατιον οφ Σπιρυλινα µιχροαλγαε
ιν λαργε, οπεν πονδσ (λεφτ ).
Photograph by Barrie Rokeach
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
Σολαρ Ενεργψ
Technology will allow radiation
from the sun to provide nonpolluting
and cheap fuels, as well as electricity
βψ Ωιλλιαµ Ηοαγλανδ
Ε
ϖερψ ψεαρ τηε εαρτη∏σ συρφαχε ρε−
χειϖεσ αβουτ 10 τιµεσ ασ µυχη εν−
εργψ φροµ συνλιγητ ασ ισ χονταινεδ
ιν αλλ τηε κνοων ρεσερϖεσ οφ χοαλ, οιλ,
νατυραλ γασ ανδ υρανιυµ χοµβινεδ. Τηισ
ενεργψ εθυαλσ 15,000 τιµεσ τηε ωορλδ∏σ
αννυαλ χονσυµπτιον βψ ηυµανσ. Πεο−
πλε ηαϖε βεεν βυρνινγ ωοοδ ανδ οτηερ
φορµσ οφ βιοµασσ φορ τηουσανδσ οφ
ψεαρσ, ανδ τηατ ισ ονε ωαψ οφ ταππινγ
σολαρ ενεργψ. Βυτ τηε συν αλσο προϖιδεσ
ηψδροποωερ, ωινδ ποωερ ανδ φοσσιλ φυ−
ελσ∇ιν φαχτ, αλλ φορµσ οφ ενεργψ οτηερ
τηαν νυχλεαρ, γεοτηερµαλ ανδ τιδαλ.
Αττεµπτσ το χολλεχτ τηε διρεχτ ενεργψ
οφ τηε συν αρε νοτ νεω. Ιν 1861 α µατηε−
µατιχσ ινστρυχτορ ναµεδ Αυγυστιν−Βερ−
ναρδ Μουχηοτ οφ τηε ΛψχŽε δε Τουρσ ιν
a
Φρανχε οβταινεδ τηε ⇒ρστ πατεντ φορ α
σολαρ−ποωερεδ µοτορ. Οτηερ πιονεερσ
αλσο ινϖεστιγατεδ υσινγ τηε συν∏σ ενερ−
γψ, βυτ τηε χονϖενιενχε οφ χοαλ ανδ οιλ
ωασ οϖερωηελµινγ. Ασ α ρεσυλτ, σολαρ
ποωερ ωασ µοστλψ φοργοττεν υντιλ τηε
ενεργψ χρισισ οφ τηε 1970σ τηρεατενεδ
µανψ µαϕορ εχονοµιεσ.
Εχονοµιχ γροωτη δεπενδσ ον ενεργψ
υσε. Βψ 2025 τηε ωορλδωιδε δεµανδ
φορ φυελ ισ προϕεχτεδ το ινχρεασε βψ 30
περχεντ ανδ τηατ φορ ελεχτριχιτψ βψ 265
περχεντ. Εϖεν ωιτη µορε ε⇔χιεντ υσε
ανδ χονσερϖατιον, νεω σουρχεσ οφ ενερ−
γψ ωιλλ βε ρεθυιρεδ. Σολαρ ενεργψ χουλδ
προϖιδε 60 περχεντ οφ τηε ελεχτριχιτψ
ανδ ασ µυχη ασ 40 περχεντ οφ τηε φυελ.
Εξτενσιϖε υσε οφ µορε σοπηιστιχατεδ
σολαρ ενεργψ τεχηνολογψ ωιλλ ηαϖε α βεν−
ε⇒χιαλ ιµπαχτ ον αιρ πολλυτιον ανδ γλοβ−
αλ χλιµατιχ χηανγε. Ιν δεϖελοπινγ χουν−
τριεσ, ιτ χαν αλλεϖιατε τηε ενϖιρονµενταλ
δαµαγε χαυσεδ βψ τηε οφτεν ινε⇔χιεντ
πραχτιχε οφ βυρνινγ πλαντ µατεριαλ φορ
χοοκινγ ανδ ηεατινγ. Αδϖανχεδ σολαρ
τεχηνολογιεσ ηαϖε τηε ποτεντιαλ το υσε
λεσσ λανδ τηαν δοεσ βιοµασσ χυλτιϖατιον:
πηοτοσψντηεσισ τψπιχαλλψ χαπτυρεσ λεσσ
τηαν 1 περχεντ οφ τηε αϖαιλαβλε συνλιγητ,
βυτ µοδερν σολαρ τεχηνολογιεσ χαν, ατ
λεαστ ιν τηε λαβορατορψ, αχηιεϖε ε⇔χιεν−
χιεσ οφ 20 το 30 περχεντ. Ωιτη συχη ε⇔−
χιενχιεσ, τηε Υ.Σ. χουλδ µεετ ιτσ χυρρεντ
δεµανδ φορ ενεργψ βψ δεϖοτινγ λεσσ
τηαν 2 περχεντ οφ ιτσ λανδ αρεα το ενερ−
γψ χολλεχτιον.
Ιτ ισ υνλικελψ τηατ α σινγλε σολαρ τεχη−
νολογψ ωιλλ πρεδοµινατε. Ρεγιοναλ ϖαρι−
ατιονσ ιν εχονοµιχσ ανδ τηε αϖαιλαβιλιτψ
οφ συνλιγητ ωιλλ νατυραλλψ φαϖορ σοµε απ−
προαχηεσ οϖερ οτηερσ. Ελεχτριχιτψ µαψ
βε γενερατεδ βψ βυρνινγ βιοµασσ, ερεχτ−
ινγ ωινδ τυρβινεσ, βυιλδινγ σολαρ−ποω−
ερεδ ηεατ ενγινεσ, λαψινγ ουτ πηοτοϖολ−
ταιχ χελλσ ορ ηαρνεσσινγ τηε ενεργψ ιν
ριϖερσ ωιτη δαµσ. Ηψδρογεν φυελ χαν βε
προδυχεδ βψ ελεχτροχηεµιχαλ χελλσ ορ βι−
ολογιχαλ προχεσσεσ∇ινϖολϖινγ µιχροορ−
γανισµσ ορ ενζψµεσ∇τηατ αρε δριϖεν
βψ συνλιγητ. Φυελσ συχη ασ ετηανολ ανδ
µετηανολ µαψ βε γενερατεδ φροµ βιο−
µασσ ορ οτηερ σολαρ τεχηνολογιεσ.
b
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Γροωινγ Ενεργψ
Α
γριχυλτυραλ ορ ινδυστριαλ ωαστεσ συχη
ασ ωοοδ χηιπσ χαν βε βυρνεδ το
γενερατε στεαµ φορ τυρβινεσ. Συχη φαχιλ−
ιτιεσ αρε χοµπετιτιϖε ωιτη χονϖεντιοναλ
ελεχτριχιτψ προδυχτιον ωηερεϖερ βιοµασσ
ισ χηεαπ. Μανψ συχη πλαντσ αλρεαδψ εξ−
ιστ, ανδ µορε αρε βεινγ χοµµισσιονεδ.
Ρεχεντλψ ιν ςŠρναµο, Σωεδεν, α µοδ−
ερν ποωερ πλαντ υσινγ γασι⇒εδ ωοοδ το
φυελ α ϕετ ενγινε ωασ χοµπλετεδ. Τηε φα−
χιλιτψ χονϖερτσ 80 περχεντ οφ τηε ενεργψ
ιν τηε ωοοδ το προϖιδε σιξ µεγαωαττσ
οφ ποωερ ανδ νινε µεγαωαττσ οφ ηεατ
φορ τηε τοων. Αλτηουγη βιοµασσ χοµ−
βυστιον χαν βε πολλυτινγ, συχη τεχηνολ−
ογψ µακεσ ιτ εξτρεµελψ χλεαν.
Προγρεσσ ιν χοµβυστιον ενγινεερινγ
ανδ βιοτεχηνολογψ ηασ αλσο µαδε ιτ εχο−
νοµιχαλ το χονϖερτ πλαντ µατεριαλ ιντο
λιθυιδ ορ γασεουσ φυελσ. Φορεστ προδυχτσ,
ενεργψ χροπσ, αγριχυλτυραλ ρεσιδυεσ
ανδ οτηερ ωαστεσ χαν βε γασι⇒εδ ανδ
υσεδ το σψντηεσιζε µετηανολ. Ετηανολ
ισ ρελεασεδ ωηεν συγαρσ, δεριϖεδ φροµ
συγαρχανε ορ ϖαριουσ κινδσ οφ γραιν
c
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
χροπσ ορ φροµ ωοοδ (βψ χονϖερτινγ χελ−
λυλοσε), αρε φερµεντεδ.
Αλχοηολσ αρε νοω βεινγ βλενδεδ ωιτη
γασολινε το ενηανχε τηε ε⇔χιενχψ οφ
χοµβυστιον ιν χαρ ενγινεσ ανδ το ρε−
δυχε ηαρµφυλ ταιλ−πιπε εµισσιονσ. Βυτ
ετηανολ χαν βε αν ε⇑εχτιϖε φυελ ιν ιτσ
οων ριγητ, ασ ρεσεαρχηερσ ιν Βραζιλ ηαϖε
δεµονστρατεδ. Ιτ µαψ βε χοστ−χοµπετι−
τιϖε ωιτη γασολινε βψ 2000. Ιν τηε φυτυρε,
βιοµασσ πλαντατιονσ χουλδ αλλοω συχη
ενεργψ το βε γροων ον δεγραδεδ λανδ
ιν δεϖελοπινγ νατιονσ. Ενεργψ χροπσ
χουλδ αλσο αλλοω φορ βεττερ λανδ µαναγε−
µεντ ανδ ηιγηερ προ⇒τσ. Βυτ µυχη ρε−
σεαρχη ισ νεεδεδ το αχηιεϖε χονσιστεντ−
λψ ηιγη χροπ ψιελδσ ιν διϖερσε χλιµατεσ.
Θυεστιονσ δο ρεµαιν ασ το ηοω υσε−
φυλ βιοµασσ χαν βε, εϖεν ωιτη τεχηνο−
λογιχαλ ιννοϖατιονσ. Πηοτοσψντηεσισ ισ
ινηερεντλψ ινε⇔χιεντ ανδ ρεθυιρεσ λαργε
συππλιεσ οφ ωατερ. Α 1992 στυδψ χοµ−
µισσιονεδ βψ τηε Υνιτεδ Νατιονσ χον−
χλυδεδ τηατ 55 περχεντ οφ τηε ωορλδ∏σ
ενεργψ νεεδσ χουλδ βε µετ βψ βιοµασσ
βψ 2050. Βυτ τηε ρεαλιτψ ωιλλ ηινγε ον
ωηατ οτηερ οπτιονσ αρε αϖαιλαβλε.
Ωινδ Ποωερ
Ρ
ουγηλψ 0.25 περχεντ οφ τηε συν∏σ
ενεργψ ρεαχηινγ τηε λοωερ ατµο−
σπηερε ισ τρανσφορµεδ ιντο ωινδ∇α µι−
νυσχυλε παρτ οφ τηε τοταλ βυτ στιλλ α σιγ−
νι⇒χαντ σουρχε οφ ενεργψ. Βψ ονε εστι−
µατε, 80 περχεντ οφ τηε ελεχτριχαλ χον−
συµπτιον ιν τηε Υ.Σ. χουλδ βε µετ βψ
τηε ωινδ ενεργψ οφ Νορτη ανδ Σουτη
∆ακοτα αλονε. Τηε εαρλψ προβλεµσ συρ−
ρουνδινγ τηε ρελιαβιλιτψ οφ ωινδ φαρµσ
ηαϖε νοω βεεν βψ ανδ λαργε ρεσολϖεδ,
ανδ ιν χερταιν λοχατιονσ τηε ελεχτριχιτψ
προδυχεδ ισ αλρεαδψ χοστ−χοµπετιτιϖε
ωιτη χονϖεντιοναλ γενερατιον.
Ιν αρεασ οφ στρονγ ωινδ∇αν αϖεραγε
οφ µορε τηαν 7.5 µετερσ περ σεχονδ∇
ελεχτριχιτψ φροµ ωινδ φαρµσ χοστσ ασ λιτ−
τλε ασ ∃0.04 περ κιλοωαττ−ηουρ. Τηε χοστ
σηουλδ δροπ το βελοω ∃0.03 περ κιλο−
ωαττ−ηουρ βψ τηε ψεαρ 2000. Ιν Χαλιφορ−
νια ανδ ∆ενµαρκ µορε τηαν 17,000
ωινδ τυρβινεσ ηαϖε βεεν χοµπλετελψ ιν−
τεγρατεδ ιντο τηε υτιλιτψ γριδ. Ωινδ νοω
συππλιεσ αβουτ 1 περχεντ οφ Χαλιφορνια∏σ
ελεχτριχιτψ.
Ονε ρεασον φορ τηε ρεδυχτιον ισ τηατ
∆ΙςΕΡΣΕ ∆ΕςΙΧΕΣ αιδ ιν χαπτυρινγ σολαρ
ενεργψ. Ωινδ τυρβινεσ (α) δραω ουτ τηε
ενεργψ στορεδ ιν τηε ατµοσπηερε τηρουγη
δι⇑ερεντιαλ ηεατινγ βψ τηε συν. Α σολαρ
φυρναχε (β) υσεσ ραδιατιον ρε⇓εχτεδ οντο
α χεντραλ τοωερ το δριϖε αν ενγινε. Σολαρ
πανελσ (χ ανδ βαχκγρουνδ ) εµπλοψ πηο−
τοϖολταιχ χελλσ το χρεατε ελεχτριχιτψ. Ανδ
χροπσ συχη ασ συγαρχανε (δ ) ταπ συν−
λιγητ βψ πηοτοσψντηεσισ. Τηε συγαρ χαν
βε χονϖερτεδ το αλχοηολ, α χλεαν φυελ.
d
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
171
BARRIE ROKEACH; ALEX S. MACLEAN Landslides (insets)
Σολαρ ενεργψ αλσο εξιστσ ιν τηε οχεανσ
ασ ωαϖεσ ανδ γραδιεντσ οφ τεµπερατυρε
ανδ σαλινιτψ, ανδ τηεψ, τοο, αρε ποτεν−
τιαλ ρεσερϖοιρσ το ταπ. Υνφορτυνατελψ, αλ−
τηουγη τηε ενεργψ στορεδ ισ ενορµουσ,
ιτ ισ δι⇑υσε ανδ εξπενσιϖε το εξτραχτ.
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
στρονγερ ανδ λιγητερ µατεριαλσ φορ τηε
βλαδεσ ηαϖε αλλοωεδ ωινδ µαχηινεσ το
βεχοµε συβσταντιαλλψ λαργερ. Τηε τυρ−
βινεσ νοω προϖιδε ασ µυχη ασ 0.5
µεγαωαττ απιεχε. Αδϖανχεσ ιν ϖαριαβλε−
σπεεδ τυρβινεσ ηαϖε ρεδυχεδ στρεσσ
ανδ φατιγυε ιν τηε µοϖινγ παρτσ, τηυσ
ιµπροϖινγ ρελιαβιλιτψ. Οϖερ τηε νεξτ 20
ψεαρσ βεττερ µατεριαλσ φορ αιρ φοιλσ ανδ
τρανσµισσιονσ ανδ σµοοτηερ χοντρολσ
ανδ ελεχτρονιχσ φορ ηανδλινγ ηιγη λεϖελσ
οφ ελεχτριχαλ ποωερ σηουλδ βεχοµε
αϖαιλαβλε.
Ονε εαρλψ υσε οφ ωινδ ενεργψ ωιλλ
µοστ λικελψ βε φορ ισλανδσ ορ οτηερ αρεασ
τηατ αρε φαρ φροµ αν ελεχτριχαλ γριδ. Μανψ
συχη χοµµυνιτιεσ χυρρεντλψ ιµπορτ διε−
σελ φορ γενερατινγ ποωερ, ανδ σοµε αρε
αχτιϖελψ σεεκινγ αλτερνατιϖεσ. Βψ τηε
µιδδλε οφ τηε νεξτ χεντυρψ, ωινδ ποωερ
χουλδ µεετ 10 το 20 περχεντ οφ τηε
ωορλδ∏σ δεµανδ φορ ελεχτριχαλ ενεργψ.
Τηε µαϕορ λιµιτατιον οφ ωινδ ενεργψ
ισ τηατ ιτ ισ ιντερµιττεντ. Ιφ ωινδ ποωερ
χονστιτυτεσ µορε τηαν 25 το 45 περχεντ
οφ τηε τοταλ ποωερ συππλψ, ανψ σηορτφαλλ
χαυσεσ σεϖερε εχονοµιχ πεναλτιεσ. Βετ−
τερ µεανσ οφ ενεργψ στοραγε ωουλδ αλ−
λοω τηε περχενταγε οφ ωινδ ποωερ υσεδ
ιν τηε γριδ το ινχρεασε συβσταντιαλλψ. ( Ι
ωιλλ ρετυρν το τηισ θυεστιον πρεσεντλψ.)
Ηεατ Ενγινεσ
Ο
νε ωαψ οφ γενερατινγ ελεχτριχιτψ ισ
το δριϖε αν ενγινε ωιτη τηε συν∏σ
ραδιαντ ηεατ ανδ λιγητ. Συχη σολαρ−τηερ−
µαλ ελεχτριχ δεϖιχεσ ηαϖε φουρ βασιχ
χοµπονεντσ, ναµελψ, α σψστεµ φορ χολ−
λεχτινγ συνλιγητ, α ρεχειϖερ φορ αβσορβ−
πονδσ ηασ βεεν ωιδελψ ινϖεστιγατεδ ιν
χουντριεσ ωιτη ηοτ, δρψ χλιµατεσ, συχη
ασ ιν Ισραελ.
ινγ ιτ, α τηερµαλ στοραγε δεϖιχε ανδ α
χονϖερτερ φορ χηανγινγ τηε ηεατ το ελεχ−
τριχιτψ. Τηε χολλεχτορσ χοµε ιν τηρεε βα−
σιχ χον⇒γυρατιονσ: α παραβολιχ διση τηατ
φοχυσεσ λιγητ το α ποιντ, α παραβολιχ
τρουγη τηατ φοχυσεσ λιγητ το α λινε ανδ
αν αρραψ οφ ⇓ατ µιρρορσ σπρεαδ οϖερ σεϖ−
εραλ αχρεσ τηατ ρε⇓εχτ λιγητ οντο α σινγλε
χεντραλ τοωερ.
Τηεσε δεϖιχεσ χονϖερτ βετωεεν 10
ανδ 30 περχεντ οφ τηε διρεχτ συνλιγητ το
ελεχτριχιτψ. Βυτ υνχερταιντιεσ ρεµαιν ρε−
γαρδινγ τηειρ λιφε σπαν ανδ ρελιαβιλιτψ. Α
παρτιχυλαρ τεχηνιχαλ χηαλλενγε ισ το δε−
ϖελοπ α Στιρλινγ ενγινε τηατ περφορµσ
ωελλ ατ λοω χοστ. ( Α Στιρλινγ ενγινε ισ
ονε ιν ωηιχη ηεατ ισ αδδεδ χοντινυουσ−
λψ φροµ τηε ουτσιδε το α γασ χονταινεδ
ιν α χλοσεδ σψστεµ.)
Σολαρ πονδσ, ανοτηερ σολαρ−τηερµαλ
σουρχε, χονταιν ηιγηλψ σαλινε ωατερ νεαρ
τηειρ βοττοµ. Τψπιχαλλψ, ηοτ ωατερ ρισεσ
το τηε συρφαχε, ωηερε ιτ χοολσ ο⇑. Βυτ
σαλινιτψ µακεσ τηε ωατερ δενσε, σο τηατ
ηοτ ωατερ χαν σταψ ατ τηε βοττοµ ανδ
τηυσ ρεταιν ιτσ ηεατ. Τηε πονδ τραπσ τηε
συν∏σ ραδιαντ ηεατ, χρεατινγ α ηιγη τεµ−
περατυρε γραδιεντ. Ηοτ, σαλτψ ⇓υιδ ισ
δραων ουτ φροµ τηε βοττοµ οφ τηε πονδ
ανδ αλλοωεδ το εϖαπορατε; τηε ϖαπορ ισ
υσεδ το δριϖε α Ρανκινε−χψχλε ενγινε
σιµιλαρ το τηατ ινσταλλεδ ιν χαρσ. Τηε χοολ
λιθυιδ ατ τηε τοπ οφ τηε πονδ χαν αλσο
βε υσεδ, φορ αιρ−χονδιτιονινγ.
Α βψ−προδυχτ οφ τηισ προχεσσ ισ φρεση−
ωατερ φροµ τηε στεαµ. Σολαρ πονδσ αρε
λιµιτεδ βψ τηε λαργε αµουντσ οφ ωατερ
τηεψ νεεδ ανδ αρε µορε συιτεδ το ρε−
µοτε χοµµυνιτιεσ τηατ ρεθυιρε φρεση−
ωατερ ασ ωελλ ασ ενεργψ. Υσε οφ σολαρ
Σολαρ Χελλσ
Τ
SOURCE
SOLAR
CELLS
SOLAR
THERMAL
BIOMASS
CAREY BALLARD
HYDROPOWER OCEANS WIND
ηε χονϖερσιον οφ λιγητ διρεχτλψ το
ελεχτριχιτψ, βψ τηε πηοτοϖολταιχ εφ−
φεχτ, ωασ ⇒ρστ οβσερϖεδ βψ τηε Φρενχη
πηψσιχιστ Εδµονδ Βεχθυερελ ιν 1839.
Ωηεν πηοτονσ σηινε ον α πηοτοϖολταιχ
δεϖιχε, χοµµονλψ µαδε οφ σιλιχον, τηεψ
εϕεχτ ελεχτρονσ φροµ τηειρ σταβλε ποσι−
τιονσ, αλλοωινγ τηεµ το µοϖε φρεελψ
τηρουγη τηε µατεριαλ. Α ϖολταγε χαν
τηεν βε γενερατεδ υσινγ α σεµιχονδυχ−
τορ ϕυνχτιον. Α µετηοδ οφ προδυχινγ εξ−
τρεµελψ πυρε χρψσταλλινε σιλιχον φορ πηο−
τοϖολταιχ χελλσ ωιτη ηιγη ϖολταγεσ ανδ
ε⇔χιενχιεσ ωασ δεϖελοπεδ ιν τηε 1940σ.
Ιτ προϖεδ το βε α τρεµενδουσ βοοστ φορ
τηε ινδυστρψ. Ιν 1958 πηοτοϖολταιχσ
ωερε ⇒ρστ υσεδ βψ τηε Αµεριχαν σπαχε
προγραµ το ποωερ τηε ραδιο οφ τηε Υ.Σ.
ςανγυαρδ Ι σπαχε σατελλιτε ωιτη λεσσ
τηαν ονε ωαττ οφ ελεχτριχιτψ.
Αλτηουγη σιγνι⇒χαντ αδϖανχεσ ηαϖε
βεεν µαδε ιν τηε παστ 20 ψεαρσ∇τηε
χυρρεντ ρεχορδ φορ πηοτοϖολταιχ ε⇔χιεν−
χψ ισ µορε τηαν 30 περχεντ∇χοστ ρε−
µαινσ α βαρριερ το ωιδεσπρεαδ υσε.
Τηερε αρε τωο αππροαχηεσ το ρεδυχινγ
τηε ηιγη πριχε: προδυχινγ χηεαπ µατερι−
αλσ φορ σο−χαλλεδ ⇓ατ−πλατε σψστεµσ, ανδ
υσινγ λενσεσ ορ ρε⇓εχτορσ το χονχεν−
τρατε συνλιγητ οντο σµαλλερ αρεασ οφ (εξ−
πενσιϖε) σολαρ χελλσ. Χονχεντρατινγ σψσ−
τεµσ µυστ τραχκ τηε συν ανδ δο νοτ υσε
τηε δι⇑υσε λιγητ χαυσεδ βψ χλουδ χοϖερ
ασ ε⇔χιεντλψ ασ ⇓ατ−πλατε σψστεµσ. Τηεψ
δο, ηοωεϖερ, χαπτυρε µορε λιγητ εαρλψ
ανδ λατε ιν τηε δαψ.
ςιρτυαλλψ αλλ πηοτοϖολταιχ δεϖιχεσ οπ−
ερατινγ τοδαψ αρε ⇓ατ−πλατε σψστεµσ.
Σοµε ροτατε το τραχκ τηε συν, βυτ µοστ
ηαϖε νο µοϖινγ παρτσ. Ονε µαψ βε οπ−
τιµιστιχ αβουτ τηε φυτυρε οφ τηεσε δε−
ϖιχεσ βεχαυσε χοµµερχιαλλψ αϖαιλαβλε
ε⇔χιενχιεσ αρε ωελλ βελοω τηεορετιχαλ
λιµιτσ ανδ βεχαυσε µοδερν µανυφαχ−
τυρινγ τεχηνιθυεσ αρε ονλψ νοω βεινγ
αππλιεδ. Πηοτοϖολταιχ ελεχτριχιτψ προ−
δυχεδ βψ ειτηερ µεανσ σηουλδ σοον χοστ
λεσσ τηαν ∃0.10 χεντσ περ κιλοωαττ−ηουρ,
βεχοµινγ χοµπετιτιϖε ωιτη χονϖεντιον−
αλ γενερατιον εαρλψ ιν τηε νεξτ χεντυρψ.
Στορινγ Ενεργψ
Σ
∆ΙΣΤΡΙΒΥΤΙΟΝ οφ ρενεωαβλε σολαρ ενεργψ προϕεχτεδ φορ τηε ψεαρ 2000 σηοωσ τηατ
µανψ δι⇑ερεντ µεανσ οφ ταππινγ τηε ρεσουρχε ωιλλ πλαψ α ρολε.
υνλιγητ, ωινδ ανδ ηψδροποωερ αλλ
ϖαρψ ιντερµιττεντλψ, σεασοναλλψ ανδ
εϖεν δαιλψ. ∆εµανδ φορ ενεργψ ⇓υχτυ−
ατεσ ασ ωελλ; µατχηινγ συππλψ ανδ δε−
µανδ χαν βε αχχοµπλισηεδ ονλψ ωιτη
στοραγε. Α στυδψ βψ τηε ∆επαρτµεντ οφ
172
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
UTILITIES
RESIDENTIAL
AND COMMERCIAL
AGRICULTURAL
AND INDUSTRIAL
TRANSPORTATION
END USE
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Ενεργψ εστιµατεδ τηατ βψ 2030 ιν τηε
Υ.Σ., τηε αϖαιλαβιλιτψ οφ αππροπριατε στορ−
αγε χουλδ ενηανχε τηε χοντριβυτιον οφ
ρενεωαβλε ενεργψ βψ αβουτ 18 θυαδριλ−
λιον Βριτιση τηερµαλ υνιτσ περ ψεαρ.
Ωιτη τηε εξχεπτιον οφ βιοµασσ, τηε
µορε προµισινγ λονγ−τερµ σολαρ σψσ−
τεµσ αρε δεσιγνεδ το προδυχε ονλψ ελεχ−
τριχιτψ. Ελεχτριχιτψ ισ τηε ενεργψ χαρριερ
οφ χηοιχε φορ µοστ στατιοναρψ αππλιχα−
τιονσ, συχη ασ ηεατινγ, χοολινγ, λιγητινγ
ανδ µαχηινερψ. Βυτ ιτ ισ νοτ εασιλψ
στορεδ ιν συιταβλε θυαντιτιεσ. Φορ υσε ιν
τρανσπορτατιον, λιγητωειγητ, ηιγη−χαπαχ−
ιτψ ενεργψ στοραγε ισ νεεδεδ.
Συνλιγητ χαν αλσο βε υσεδ το προδυχε
ηψδρογεν φυελ. Τηε τεχηνολογιεσ ρε−
θυιρεδ το δο σο διρεχτλψ (ωιτηουτ γενερ−
ατινγ ελεχτριχιτψ ⇒ρστ) αρε ιν τηε ϖερψ
εαρλψ σταγεσ οφ δεϖελοπµεντ βυτ ιν τηε
λονγ τερµ µαψ προϖε τηε βεστ. Συνλιγητ
φαλλινγ ον αν ελεχτροδε χαν προδυχε αν
ελεχτριχ χυρρεντ το σπλιτ ωατερ ιντο ηψ−
δρογεν ανδ οξψγεν, βψ α προχεσσ χαλλεδ
πηοτοελεχτρολψσισ. Τηε τερµ πηοτοβιολ−
ογψ ισ υσεδ το δεσχριβε α ωηολε χλασσ
οφ βιολογιχαλ σψστεµσ τηατ προδυχε ηψ−
δρογεν. Εϖεν λονγερ−τερµ ρεσεαρχη µαψ
λεαδ το πηοτοχαταλψστσ τηατ αλλοω συν−
λιγητ το σπλιτ ωατερ διρεχτλψ ιντο ιτσ χοµ−
πονεντ συβστανχεσ.
Ωηεν τηε ρεσυλτινγ ηψδρογεν ισ
βυρνεδ ασ α φυελ ορ ισ υσεδ το προδυχε
ελεχτριχιτψ ιν α φυελ χελλ, τηε ονλψ βψ−προδ−
υχτ ισ ωατερ. Απαρτ φροµ βεινγ ενϖιρον−
µενταλλψ βενιγν, ηψδρογεν προϖιδεσ α
ωαψ το αλλεϖιατε τηε προβλεµ οφ στορινγ
σολαρ ενεργψ. Ιτ χαν βε ηελδ ε⇔χιεντλψ
φορ ασ λονγ ασ ρεθυιρεδ. Οϖερ διστανχεσ
οφ µορε τηαν 1,000 κιλοµετερσ, ιτ χοστσ
λεσσ το τρανσπορτ ηψδρογεν τηαν το τρανσ−
µιτ ελεχτριχιτψ. Ρεσιδεντσ οφ τηε Αλευτιαν
Ισλανδσ ηαϖε δεϖελοπεδ πλανσ το µακε
ελεχτριχιτψ φροµ ωινδ τυρβινεσ, χονϖερτ−
ινγ ιτ το ηψδρογεν φορ στοραγε. Ιν αδδι−
τιον, ιµπροϖεµεντσ ιν φυελ χελλσ ηαϖε
αλλοωεδ α νυµβερ οφ ηιγηλψ ε⇔χιεντ,
νονπολλυτινγ υσεσ οφ ηψδρογεν το βε δε−
ϖελοπεδ, συχη ασ ελεχτριχ ϖεηιχλεσ ποω−
ερεδ βψ ηψδρογεν.
Α ραδιχαλ σηιφτ ιν ουρ ενεργψ εχονο−
Α Νεω Χηανχε φορ Σολαρ Ενεργψ
Σ
olar power is getting cheaper—in fact, the cost of filching the sun’s rays
has fallen more than 65 percent in the past 10 years. It has not become
inexpensive enough, though, to rival fossil fuels, so solar energy remains a
promising, not yet fully mature alternative. Sales run only about $1 billion
annually, as opposed to roughly $800 billion for standard sources, and solar
customers still generally reside in isolated areas, far from power grids.
But a new proposal from an American utility may well make solar power
conventional—or at least more competitive. Enron Corporation, the largest
U.S. supplier of natural gas, recently joined forces with Amoco Corporation,
owner of the photovoltaic cell producer Solarex. The two companies intend
to build a 100-megawatt solar plant in the Nevada desert by the end of 1996.
The facility, which could supply a city of 100,000, will initially sell energy for
5.5 cents a kilowatt-hour—about three cents cheaper on average than the
electricity generated by oil, coal or gas. “If they can pull this off, it can revolutionize the whole industry,” comments Robert H. Williams of Princeton University. “If they fail, it is going to set back the technology 10 years.”
Despite its magnitude, the $150-million plan does not mean that the solar
age has finally dawned: Enron’s low price is predicated on tax exemptions
from the Department of Energy and on guaranteed purchases by the federal
government. Nor does it mark a sudden technological breakthrough: Solarex
manufactures a conventional thin-film, silicon-based photovoltaic cell that is
able to transform into electricity about 8 percent of the sunlight that reaches
it. Rather the significance of Enron’s venture—should the bid be accepted by
the government—is that it paves the way for other companies to make largescale investments in solar power.
Such investments could bring the price of solar-power technology and delivery down even further—for both large, grid-based markets and for the more
dispersed, off-the-grid markets that are the norm in many developing countries. “This marks a shift in approach,” explains Nicholas Lenssen, formerly at
the Worldwatch Institute in Washington, D.C., and now at E Source in Boulder,
Colo. “It allows them to attract lower-risk, long-term capital, not just venture
capital, which is very costly.” Which all means the Nevada desert may soon be
home to a very different, but still very hot, kind of test site.
—The Editors
µψ ωιλλ ρεθυιρε αλτερατιονσ ιν τηε ινφρα−
στρυχτυρε. Ωηεν τηε δεχισιον το χηανγε
ισ µαδε ωιλλ δεπενδ ον τηε ιµπορτανχε
πλαχεδ ον τηε ενϖιρονµεντ, ενεργψ σε−
χυριτψ ορ οτηερ χονσιδερατιονσ. Ιν τηε
Υ.Σ., φεδεραλ προγραµσ φορ ρεσεαρχη ιντο
ρενεωαβλε ενεργψ ηαϖε βεεν ον α ρολλερ−
χοαστερ ριδε. Εϖεν τηε φατε οφ τηε ∆ε−
παρτµεντ οφ Ενεργψ ισ υνχερταιν.
Ατ πρεσεντ, δεϖελοπεδ νατιονσ χον−
συµε ατ λεαστ 10 τιµεσ τηε ενεργψ περ
περσον τηαν ισ υσεδ ιν δεϖελοπινγ χουν−
τριεσ. Βυτ τηε δεµανδ φορ ενεργψ ισ ρισ−
ινγ φαστ εϖερψωηερε. Σολαρ τεχηνολογιεσ
χουλδ εναβλε τηε δεϖελοπινγ ωορλδ το
σκιπ α γενερατιον οφ ινφραστρυχτυρε ανδ
µοϖε διρεχτλψ το α σουρχε οφ ενεργψ τηατ
δοεσ νοτ χοντριβυτε το γλοβαλ ωαρµινγ
ορ οτηερωισε δεγραδε τηε ενϖιρονµεντ.
∆εϖελοπεδ χουντριεσ χουλδ αλσο βενε⇒τ
βψ εξπορτινγ τηεσε τεχηνολογιεσ∇ιφ αδ−
διτιοναλ ινχεντιϖεσ αρε ατ αλλ νεχεσσαρψ
φορ ινϖεστινγ ιν τηε φυτυρε οφ ενεργψ
φροµ τηε συν.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΩΙΛΛΙΑΜ ΗΟΑΓΛΑΝ∆ ρεχειϖεδ αν Μ.Σ. δεγρεε ιν χηεµι−
χαλ ενγινεερινγ φροµ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχη−
νολογψ. Αφτερ ωορκινγ φορ Σψντεξ, Ινχ., ανδ τηε Προχτερ &
Γαµβλε Χοµπανψ, ηε ϕοινεδ τηε Νατιοναλ Ρενεωαβλε Ενερ−
γψ Λαβορατορψ (φορµερλψ τηε Σολαρ Ενεργψ Ρεσεαρχη Ινστι−
τυτε) ιν Γολδεν, Χολο., ωηερε ηε µαναγεδ προγραµσ ιν σολαρ
µατεριαλσ, αλχοηολ φυελσ, βιοφυελσ ανδ ηψδρογεν. Ηοαγλανδ
ισ χυρρεντλψ πρεσιδεντ οφ Ω. Ηοαγλανδ & Ασσοχιατεσ, Ινχ., ιν
Βουλδερ. Τηε εδιτορσ ωουλδ λικε το αχκνοωλεδγε τηε ασσισ−
τανχε οφ Αλλαν Ηο⇑µαν οφ τηε ∆επαρτµεντ οφ Ενεργψ.
ΒΑΣΙΧ ΠΗΟΤΟςΟΛΤΑΙΧ ΠΡΙΝΧΙΠΛΕΣ ΑΝ∆ ΜΕΤΗΟ∆Σ. Κεννετη Ζωειβελ, Παυλ
Ηερσχη ανδ Σολαρ Ενεργψ Ρεσεαρχη Ινστιτυτε. ςαν Νοστρανδ Ρεινηολδ, 1984.
ΣΤΕΕΡΙΝΓ Α ΝΕΩ ΧΟΥΡΣΕ: ΤΡΑΝΣΠΟΡΤΑΤΙΟΝ, ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ.
∆εβοραη Γορδον ανδ Υνιον οφ Χονχερνεδ Σχιεντιστσ. Ισλανδ Πρεσσ, 1991.
ΡΕΝΕΩΑΒΛΕ ΕΝΕΡΓΨ: ΣΟΥΡΧΕΣ ΦΟΡ ΦΥΕΛΣ ΑΝ∆ ΕΛΕΧΤΡΙΧΙΤΨ. Εδιτεδ βψ Τηο−
µασ Β. ϑοηανσσον, Ηενρψ Κελλψ, Αµυλψα Κ. Ν. Ρεδδψ, Ροβερτ Ωιλλιαµσ ανδ
Λαυριε Βυρνηαµ. Ισλανδ Πρεσσ, 1993.
ΠΡΟΓΡΕΣΣ ΙΝ ΣΟΛΑΡ ΕΝΕΡΓΨ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝ∆ ΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝΣ. Ηαρολδ Μ.
Ηυββαρδ, Παυλ Νοταρι, Σατψεν ∆εβ ανδ Σηιµον Αωερβαχη. Αµεριχαν Σολαρ
Ενεργψ Σοχιετψ, ϑανυαρψ 1994.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
173
Φυσιον
Energy derived from fused nuclei
may become widely used
by the middle of the next century
βψ Ηαρολδ Π. Φυρτη
∆
υρινγ τηε 1930σ, ωηεν σχιεν−
τιστσ βεγαν το ρεαλιζε τηατ τηε
συν ανδ οτηερ σταρσ αρε ποω−
ερεδ βψ νυχλεαρ φυσιον, τηειρ τηουγητσ
τυρνεδ τοωαρδ ρε−χρεατινγ τηε προχεσσ,
ατ ⇒ρστ ιν τηε λαβορατορψ ανδ υλτιµατελψ
ον αν ινδυστριαλ σχαλε. Βεχαυσε φυσιον
χαν υσε ατοµσ πρεσεντ ιν ορδιναρψ ωατερ
ασ α φυελ, ηαρνεσσινγ τηε προχεσσ χουλδ
ασσυρε φυτυρε γενερατιονσ οφ αδεθυατε
174
ελεχτριχ ποωερ. Βψ τηε µιδδλε οφ τηε νεξτ
χεντυρψ, ουρ γρανδχηιλδρεν µαψ βε εν−
ϕοψινγ τηε φρυιτσ οφ τηατ ϖισιον.
Τηε συν υσεσ ιτσ στρονγ γραϖιτψ το
χοµπρεσσ νυχλει το ηιγη δενσιτιεσ. Ιν
αδδιτιον, τεµπερατυρεσ ιν τηε συν αρε
εξτρεµελψ ηιγη, σο τηατ τηε ποσιτιϖελψ
χηαργεδ νυχλει ηαϖε ενουγη ενεργψ το
οϖερχοµε τηειρ µυτυαλ ελεχτριχαλ ρεπυλ−
σιον ανδ δραω νεαρ ενουγη το φυσε.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Συχη ρεσουρχεσ αρε νοτ ρεαδιλψ αϖαιλαβλε
ον τηε εαρτη. Τηε παρτιχλεσ τηατ φυσε
µοστ εασιλψ αρε τηε νυχλει οφ δευτεριυµ
( ∆, α ηψδρογεν ισοτοπε χαρρψινγ αν εξ−
τρα νευτρον) ανδ τριτιυµ ( Τ, αν ισοτοπε
ωιτη τωο εξτρα νευτρονσ). Ψετ το φυσε
εϖεν ∆ ανδ Τ, σχιεντιστσ ηαϖε το ηεατ
τηε ηψδρογεν γασεσ ιντενσελψ ανδ αλσο
χον⇒νε τηεµ λονγ ενουγη τηατ τηε παρ−
τιχλε δενσιτψ µυλτιπλιεδ βψ τηε χον⇒νε−
µεντ τιµε εξχεεδσ 1014 σεχονδσ περ
χυβιχ χεντιµετερ. Φυσιον ρεσεαρχη σινχε
τηε 1950σ ηασ φοχυσεδ ον τωο ωαψσ οφ
αχηιεϖινγ τηισ νυµβερ : ινερτιαλ χον⇒νε−
µεντ ανδ µαγνετιχ χον⇒νεµεντ.
Τηε ⇒ρστ στρατεγψ, ινερτιαλ χον⇒νε−
µεντ, ισ το σηινε α σψµµετριχαλ αρραψ οφ
ποωερφυλ λασερ βεαµσ οντο α σπηεριχαλ
χαπσυλε χονταινινγ α ∆−Τ µιξτυρε. Τηε
ραδιατιον ϖαποριζεσ τηε συρφαχε χοατινγ
οφ τηε πελλετ, ωηιχη εξπλοδεσ ουτωαρδ.
Το χονσερϖε µοµεντυµ, τηε ιννερ
σπηερε οφ φυελ σιµυλτανεουσλψ σηοοτσ
ινωαρδ. Αλτηουγη τηε φυελ ισ χοµπρεσσεδ
φορ ονλψ α βριεφ µοµεντ∇λεσσ τηαν 10 ∠10
σεχονδ∇εξτρεµελψ ηιγη δενσιτιεσ οφ αλ−
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
PRINCETON PLASMA PHYSICS LABORATORY
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
µοστ 10 25 παρτιχλεσ περ χυβιχ χεντιµε−
τερ ηαϖε βεεν αχηιεϖεδ ατ τηε Νοϖα λα−
σερ φαχιλιτψ ατ Λαωρενχε Λιϖερµορε Να−
τιοναλ Λαβορατορψ.
Φορ µορε ενεργετιχ λασερσ, τηε χοµ−
πρεσσιον ωιλλ βε ηιγηερ, ανδ µορε φυελ
ωιλλ βυρν. Α φυτυρε µαχηινε, τηε Νατιον−
αλ Ιγνιτιον Φαχιλιτψ, τηε δεσιγν ανδ φυνδ−
ινγ φορ ωηιχη ωιλλ βε συβµιττεδ το τηε
Υ.Σ. Χονγρεσσ φορ ⇒ναλ αππροϖαλ ιν 1996,
ωιλλ φεατυρε α 192−βεαµ λασερ αππλψινγ
1,800 κιλοϕουλεσ οφ ενεργψ ωιτηιν α φεω
βιλλιοντησ οφ α σεχονδ. Ιφ αλλ γοεσ ωελλ,
φυσιον ωιτη τηισ µαχηινε ωιλλ λιβερατε
µορε ενεργψ τηαν ισ υσεδ το ινιτιατε τηε
χαπσυλε∏σ ιµπλοσιον. Φρανχε ισ πλαννινγ
το βυιλδ α λασερ οφ σιµιλαρ χαπαβιλιτιεσ
νεαρ Βορδεαυξ ιν 1996.
Μαγνετιχ Φιελδσ
Τ
PRINCETON PLASMA PHYSICS LABORATORY
ηε µανψ µαγνετιχ φυσιον δεϖιχεσ
εξπλορεδ∇αµονγ τηεµ στελλαρατορσ,
πινχηεσ ανδ τοκαµακσ∇χον⇒νε τηε ηοτ
ιονιζεδ γασ, ορ πλασµα, νοτ βψ µατεριαλ
ωαλλσ βυτ βψ µαγνετιχ ⇒ελδσ. Τηε µοστ
συχχεσσφυλ ανδ ηιγηλψ δεϖελοπεδ οφ
τηεσε δεϖιχεσ ισ τηε τοκαµακ, προποσεδ
ιν τηε εαρλψ 1950σ βψ Ιγορ Ψ. Ταµµ ανδ
Ανδρει ∆. Σακηαροϖ οφ Μοσχοω Υνιϖερ−
σιτψ. Ελεχτριχ χυρρεντ ⇓οωσ ιν χοιλσ τηατ
αρε αρρανγεδ αρουνδ α δουγηνυτ−σηαπεδ
χηαµβερ. Τηισ χυρρεντ αχτσ ιν χονχερτ
ωιτη ανοτηερ ονε δριϖεν τηρουγη τηε
πλασµα το χρεατε α µαγνετιχ ⇒ελδ σπιραλ−
ινγ αρουνδ τηε τορυσ. Τηε χηαργεδ νυ−
χλει ανδ αν αχχοµπανψινγ σωαρµ οφ
ελεχτρονσ φολλοω τηε µαγνετιχ−⇒ελδ λινεσ.
Τηε δεϖιχε χαν χον⇒νε τηε πλασµα ατ
δενσιτιεσ οφ αβουτ 1014 φυελ παρτιχλεσ περ
χυβιχ χεντιµετερ φορ ρουγηλψ α σεχονδ.
Βυτ τηε γασ αλσο νεεδσ το βε ηεατεδ ιφ
ιτ ισ το φυσε. Σοµε ηεατ χοµεσ φροµ τηε
ελεχτριχαλ ρεσιστανχε το τηε χυρρεντ ⇓οω−
ινγ τηρουγη τηε πλασµα. Βυτ µορε ιν−
τενσε ηεατινγ ισ ρεθυιρεδ. Ονε σχηεµε
βεινγ εξπλορεδ ιν τοκαµακσ αρουνδ τηε
ωορλδ υσεσ ραδιο−φρεθυενχψ σψστεµσ
σιµιλαρ το τηοσε ιν µιχροωαϖε οϖενσ.
Ανοτηερ χοµµον ταχκ ισ το ινϕεχτ ενερ−
γετιχ βεαµσ οφ δευτεριυµ ορ τριτιυµ
νυχλει ιντο τηε πλασµα. Τηε βεαµσ ηελπ
το κεεπ τηε νυχλει ηοττερ τηαν τηε ελεχ−
τρονσ. Βεχαυσε ιτ ισ τηε νυχλει τηατ φυσε,
τηε αϖαιλαβλε ηεατ ισ τηερεφορε υσεδ
µορε ε⇔χιεντλψ. ( Τηε στρατεγψ ρεπρε−
σεντσ α δεπαρτυρε φροµ εαρλιερ εξπερι−
µεντσ τηατ τριεδ το ιµιτατε τηε συν ιν
κεεπινγ τηε τεµπερατυρεσ οφ τηε νυχλει
ανδ τηε ελεχτρονσ ρουγηλψ εθυαλ.)
Συχη α ηοτ ιον µοδε ωασ υσεδ ιν
1994 ατ Πρινχετον Υνιϖερσιτψ∏σ Τοκαµακ
Φυσιον Τεστ Ρεαχτορ ( ΤΦΤΡ ) το γενερατε
µορε τηαν 10 µιλλιον ωαττσ οφ φυσιον
ποωερ. Αλτηουγη αχηιεϖεδ φορ ονλψ ηαλφ
α σεχονδ, τηε τεµπερατυρε, πρεσσυρε
ανδ ενεργψ δενσιτιεσ οβταινεδ αρε χοµ−
παραβλε ωιτη τηοσε νεεδεδ φορ α χοµ−
CURRENT COILS
µερχιαλ ελεχτριχαλ πλαντ. Ιν 1996, δυρινγ
τηε νεξτ οπερατιοναλ πηασε οφ τηε ϑοιντ
Ευροπεαν Τορυσ ( ϑΕΤ ) ατ Χυληαµ, Εν−
γλανδ, τηε εξπεριµεντερσ µαψ αππροαχη
βρεακεϖεν, γενερατινγ ασ µυχη ενεργψ
ασ ισ φεδ ιντο τηε πλασµα. Ατ τηε ϑΤ−60Υ
δεϖιχε ατ Νακα, ϑαπαν, σχιεντιστσ αρε δε−
ϖελοπινγ ηιγηερ−ενεργψ ινϕεχτορσ.
Απαρτ φροµ κεεπινγ τηε πλασµα ηοτ,
ονε χηαλλενγε ισ το χλεαν ουτ χοντινυ−
ουσλψ τηε χονταµιναντ ατοµσ τηατ αρε
κνοχκεδ ο⇑ ωηεν νυχλει ηαππεν το
στρικε τηε ωαλλσ. Σεϖεραλ τοκαµακσ ηαϖε
εξτρα µαγνετιχ χοιλσ τηατ αλλοω τηε ουτ−
ερ εδγεσ οφ τηε πλασµα το βε διϖερτεδ
ιντο α χηαµβερ ωηερε τηε ιµπυριτιεσ αρε
εξτραχτεδ αλονγ ωιτη σοµε ηεατ. Τηισ
σψστεµ ωορκσ ωελλ φορ πρεσεντ−δαψ εξ−
περιµεντσ, ιν ωηιχη τηε πλασµα ισ χον−
⇒νεδ φορ ατ µοστ α φεω σεχονδσ. Βυτ ιτ
ωιλλ νοτ συ⇔χε φορ χοµµερχιαλ ποωερ
πλαντσ τηατ ωιλλ γενερατε βιλλιονσ οφ
ωαττσ δυρινγ πυλσεσ τηατ λαστ ηουρσ ορ
δαψσ. Ρεσεαρχηερσ ατ ϑΕΤ ανδ ατ τηε ∆ΙΙΙ−
∆ τοκαµακ ιν Σαν ∆ιεγο αρε ατταχκινγ
τηισ προβλεµ.
Χυρρεντλψ ιτ ισ ωιτηιν ουρ χαπαβιλιτψ το
χονστρυχτ ανδ οπερατε α τοκαµακ τηατ
ωιλλ συσταιν α σταβλε, φυσινγ πλασµα, νοτ
φορ φραχτιονσ οφ α σεχονδ βυτ φορ τηου−
σανδσ οφ σεχονδσ. Τηε Ιντερνατιοναλ
Τηερµονυχλεαρ Εξπεριµενταλ Ρεαχτορ
( ΙΤΕΡ ), α χολλαβορατιϖε ε⇑ορτ οφ τηε Ευ−
ροπεαν Υνιον, ϑαπαν, τηε Ρυσσιαν Φεδ−
ερατιον ανδ τηε Υ.Σ., ασπιρεσ το δο ϕυστ
τηατ. ΙΤΕΡ ισ εξπεχτεδ το βε α λαργε µα−
χηινε, ωιτη α πλασµα αβουτ 16 µετερσ
ιν µαϕορ διαµετερ, φεατυρινγ συπερχον−
δυχτινγ χοιλσ, τριτιυµ−βρεεδινγ φαχιλιτιεσ
ανδ ρεµοτε µαιντενανχε. Τηε πρεσεντ
σχηεδυλε χαλλσ φορ α βλυεπριντ το βε χοµ−
πλετεδ ιν 1998, ωηερευπον τηε παρτιχι−
πατινγ γοϖερνµεντσ ωιλλ δεχιδε ωηετη−
ερ το προχεεδ ωιτη χονστρυχτιον.
Λοοκινγ Αηεαδ
Ω
ηιλε ΙΤΕΡ ρεπρεσεντσ α ϖαλυαβλε οπ−
πορτυνιτψ φορ ιντερνατιοναλ χολλαβ−
ορατιον, τηερε ισ σοµε χηανχε τηατ ιτσ
χονστρυχτιον ωιλλ βε δελαψεδ. Ιν τηε ιν−
τεριµ, εξπεριµεντερσ ατ ΤΦΤΡ ανδ οτη−
LAURIE GRACE
NUCLEUS
MAGNETICFIELD LINE
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
MAGNETICFIELD LINE
ELECTRON
ΤΟΚΑΜΑΚ Φυσιον Τεστ Ρεαχτορ (φαρ λεφτ ),
α µαγνετιχ φυσιον µαχηινε ατ Πρινχετον,
Ν.ϑ., ηασ αχηιεϖεδ τηε ηιγηεστ ενεργιεσ
το δατε. Τηε ηοτ φυελ, χονσιστινγ οφ δευ−
τεριυµ ανδ τριτιυµ νυχλει, ισ χον⇒νεδ
βψ µαγνετιχ−⇒ελδ λινεσ. Τηεσε λινεσ αρε
γενερατεδ βψ ελεχτριχ χυρρεντσ ⇓οωινγ
αρουνδ α δουγηνυτ−σηαπεδ χονταινερ
(λεφτ, βοττοµ ). Τηε ηοτ γασ χαυσεσ τηε ιν−
νερ ωαλλσ, µαδε οφ χαρβον, το γλοω πινκ
(λεφτ, τοπ). Τηε ωηιτε στρεακ ισ φροµ δευ−
τεριυµ βεινγ ινϕεχτεδ ιντο τηε χηαµβερ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
175
ROGER RESSMEYER Starlight
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
ΛΑΣΕΡ ΦΥΣΙΟΝ, ηερε δεµονστρατεδ ατ τηε Οµεγα φαχιλιτψ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ
Ροχηεστερ, ισ αχηιεϖεδ βψ χοµπρεσσινγ α φυελ πελλετ βψ µεανσ οφ σψµµετριχαλλψ αρ−
ρανγεδ λασερσ. Τηε τεχηνολογψ αλσο ηασ αππλιχατιονσ ιν δεφενσε.
ερ λαργε τοκαµακσ αρουνδ τηε ωορλδ ωιλλ
εξπλορε νεω ιδεασ φορ µακινγ ραδιχαλλψ
σµαλλερ ανδ χηεαπερ ρεαχτορσ, ποσσιβλψ
ιν⇓υενχινγ ΙΤΕΡ∏σ δεσιγν. Ονε οφ τηεσε
προποσαλσ υσεσ α χοµπλεξ τωιστινγ οφ
τηε πλασµα το ρεδυχε ηεατ λοσσ γρεατλψ.
Νορµαλλψ τηε µαγνετιχ ⇒ελδ τηατ ωινδσ
αρουνδ τηε τορυσ ηασ α ηιγηερ τωιστ
νεαρ τηε χεντερ οφ τηε πλασµα. Ιφ ινστεαδ
τηε τωιστ δεχρεασεσ ιν ρεγιονσ νεαρ τηε
CAREY BALLARD
10 2
TOKAMAK FUSION
TEST REACTOR
FUSION ENERGY (MEGAJOULES)
1
JOINT EUROPEAN
TORUS
10 – 2
10 – 4
10 – 6
HEAT SOURCE
10 – 8
ELECTRICAL
RESISTANCE
DEUTERIUM
BEAM
10 –10
TRITIUM
BEAM
10 –12
1970
1980
YEAR
1990
2000
ΕΝΕΡΓΨ ΡΕΛΕΑΣΕ φροµ φυσιον ιν τοκα−
µακσ αρουνδ τηε ωορλδ ηασ ινχρεασεδ
στεαδιλψ ιν τηε παστ δεχαδεσ. Μυχη οφ τηε
ιµπροϖεµεντ ηασ χοµε φροµ ηεατινγ τηε
φυελ βψ ινϕεχτιον οφ ενεργετιχ νυχλει.
176
χεντερ, τηε πλασµα σηουλδ βε λεσσ τυρ−
βυλεντ, τηυσ αλλοωινγ ηιγηερ πρεσσυρεσ
το βε συσταινεδ. Εξπεριµεντατιον, αλονγ
ωιτη τηεορετιχαλ αναλψσισ ανδ χοµπυτερ
σιµυλατιονσ, ωιλλ ϖαστλψ ιµπροϖε ουρ αβιλ−
ιτψ το χοντρολ συχη προχεσσεσ.
Ονε µορε ηιντ οφ ηοω φυσιον χουλδ
εϖολϖε ιν τηε νεξτ 25 ψεαρσ ισ ιν τηε υτι−
λιζατιον οφ τηε βψ−προδυχτσ. Ιν α σελφ−
συσταινινγ ρεαχτιον τηε ηεατ λοστ ισ µαδε
υπ βψ ενεργψ γενερατεδ τηρουγη φυσιον.
Ειγητψ περχεντ οφ τηε φυσιον ποωερ ισ
χαρριεδ αωαψ βψ νευτρονσ, ωηιχη, βεινγ
ελεχτριχαλλψ νευτραλ, σλιπ τηρουγη τηε
χον⇒νινγ µαγνετιχ ⇒ελδσ. Τραππεδ ιν
ουτερ ωαλλσ, τηε νευτρονσ γιϖε υπ τηειρ
ενεργψ ασ ηεατ, ωηιχη ισ υσεδ το γενερ−
ατε στεαµ. Τηε ϖαπορ ιν τυρν δριϖεσ αν
ενγινε το χρεατε ελεχτριχιτψ. Τηε ρεµαιν−
ινγ 20 περχεντ οφ τηε ποωερ γοεσ το τηε
οτηερ προδυχτ οφ τηε φυσιον ρεαχτιον,
αν αλπηα παρτιχλε: α παιρ οφ προτονσ ανδ
α παιρ οφ νευτρονσ, βουνδ ιντο α νυχλε−
υσ. Βεινγ ποσιτιϖελψ χηαργεδ, αλπηασ αρε
τραππεδ βψ τηε µαγνετιχ ⇒ελδσ.
Τηε αλπηασ βουνχε αρουνδ ινσιδε τηε
πλασµα, ηεατινγ υπ τηε ελεχτρονσ; τηε
φυελ νυχλει αρε ηεατεδ ινδιρεχτλψ τηρουγη
χολλισιονσ ωιτη ελεχτρονσ. Νατηανιελ ϑ.
Φισχη οφ Πρινχετον ανδ ϑεαν−Μαρχελ Ραξ
οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Παρισ συγγεστεδ ιν
1992 τηατ ρατηερ τηαν ωαστινγ ϖαλυαβλε
ενεργψ ον τηε ελεχτρονσ, τηε αλπηα παρ−
τιχλεσ χουλδ ηελπ αµπλιφψ σπεχιαλ ωαϖεσ
ινϕεχτεδ ιντο τηε πλασµα τηατ χηαννελ
τηε ενεργψ διρεχτλψ το τηε νυχλει. Τηυσ
χονχεντρατινγ τηε ενεργψ ιν τηε φυελ
χουλδ δουβλε τηε δενσιτψ οφ φυσιον ποω−
ερ αχηιεϖεδ.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Τηε παρτιχλεσ προδυχεδ ασ βψ−προδ−
υχτσ οφ φυσιον µαψ βε πυτ το ανοτηερ,
θυιτε δι⇑ερεντ, υσε. Ιν τηισ ρεσπεχτ, τακ−
ινγ α ηιντ φροµ ηιστορψ µιγητ βε βενε−
⇒χιαλ φορ φυσιον∏σ σηορτ−τερµ φυτυρε. Τωο
χεντυριεσ αγο ιν Ενγλανδ, τηε ινδυστριαλ
ρεϖολυτιον χαµε αβουτ βεχαυσε ηορσεσ
ρεφυσεδ το εντερ χοαλ µινεσ: τηε ⇒ρστ εν−
γινεσ ωερε πυτ τογετηερ το ηαυλ ουτ χοαλ,
νοτ το ποωερ χαρσ ορ αιρπλανεσ. ϑοην Μ.
∆αωσον οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια
ατ Λοσ Ανγελεσ ηασ προποσεδ τηατ δυρ−
ινγ τηε νεξτ 20 το 30 ψεαρσ, ωηιλε φυσιον
προγραµσ αρε δεϖελοπινγ α τεχηνολογψ
φορ λαργε−σχαλε ενεργψ προδυχτιον, τηεψ
χουλδ προϖιδε οτηερ βενε⇒τσ. Φορ εξαµ−
πλε, τηε προτονσ φορµεδ ασ βψ−προδυχτσ
οφ σοµε φυσιον ρεαχτιονσ µαψ βε χον−
ϖερτεδ το ποσιτρονσ, παρτιχλεσ τηατ χαν
βε υσεδ ιν µεδιχαλλψ ϖαλυαβλε ποσιτρον
εµισσιον τοµογραπηψ σχανσ.
∆υρινγ τηισ πηασε οφ σπεχιαλ αππλιχα−
τιονσ, αν αβυνδανχε οφ νεω ιδεασ ιν
πλασµα πηψσιχσ ωουλδ βε εξπλορεδ, υλ−
τιµατελψ ψιελδινγ α χλεαρ ϖισιον αβουτ
φυτυρε ρεαχτορ δεσιγν. Φιφτψ ψεαρσ φροµ
νοω ενγινεερσ σηουλδ βε αβλε το χον−
στρυχτ τηε ⇒ρστ ινδυστριαλ πλαντσ φορ φυ−
σιον ενεργψ. Αλτηουγη φαρ ρεµοϖεδ φροµ
ιµµεδιατε πολιτιχαλ ρεαλιτιεσ, τηισ σχηεδ−
υλε µατχηεσ τηε χριτιχαλ τιµεσχαλε οφ 50
το 100 ψεαρσ ιν ωηιχη φοσσιλ−ενεργψ ρε−
σουρχεσ ωιλλ νεεδ το βε ρεπλαχεδ.
Τηε Αυτηορ
ΗΑΡΟΛ∆ Π. ΦΥΡΤΗ, προφεσσορ οφ αστρο−
πηψσιχαλ σχιενχεσ ατ Πρινχετον Υνιϖερσιτψ, δι−
ρεχτεδ τηε Πρινχετον Πλασµα Πηψσιχσ Λαβορα−
τορψ φροµ 1980 το 1990. Αφτερ εαρνινγ α
Πη.∆. ιν ηιγη−ενεργψ πηψσιχσ φροµ Ηαρϖαρδ
Υνιϖερσιτψ ιν 1960, ηε µοϖεδ το Λαωρενχε
Λιϖερµορε Λαβορατορψ ανδ τηεν το Πρινχετον
το ωορκ ον µαγνετιχ φυσιον. Φυρτη ισ α µεµ−
βερ οφ τηε Νατιοναλ Αχαδεµψ οφ Σχιενχεσ
ανδ τηε Αµεριχαν Αχαδεµψ οφ Αρτσ ανδ Σχι−
ενχεσ; ηε ηασ ρεχειϖεδ, αµονγ οτηερ ηονορσ,
τηε Ε. Ο. Λαωρενχε Μεµοριαλ Αωαρδ φροµ τηε
Ατοµιχ Ενεργψ Χοµµισσιον. Ηε αχκνοωλ−
εδγεσ τηε ασσιστανχε οφ Κεϖιν Μ. ΜχΓυιρε,
αλσο ατ τηε Πρινχετον Πλασµα Πηψσιχσ Λαβορα−
τορψ, ιν πρεπαρινγ τηισ µανυσχριπτ.
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΤΗΕ ΕΝΓΙΝΕΕΡΙΝΓ ΟΦ ΜΑΓΝΕΤΙΧ ΦΥΣΙΟΝ ΡΕ−
ΑΧΤΟΡΣ. Ροβερτ Ω. Χονν ιν Σχιεντι⇒χ Αµερ−
ιχαν, ςολ. 249, Νο. 4, παγεσ 60∠71; Οχτοβερ
1983.
ΠΡΟΓΡΕΣΣ ΙΝ ΛΑΣΕΡ ΦΥΣΙΟΝ. Ρ. Στεπηεν Χραξ−
τον, Ροβερτ Λ. ΜχΧρορψ ανδ ϑοην Μ. Σουρεσ
ιν Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν, ςολ. 254, Νο. 2, παγ−
εσ 68∠79; Αυγυστ 1986.
ΦΥΣΙΟΝ: ΤΗΕ ΣΕΑΡΧΗ ΦΟΡ ΕΝ∆ΛΕΣΣ ΕΝΕΡΓΨ.
Ροβιν Ηερµαν. Χαµβριδγε Υνιϖερσιτψ Πρεσσ,
1990.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
∆ισποσινγ οφ Νυχλεαρ Ωαστε
Α
• Permanent subterranean storage. All the countries that have significant amounts of high-level waste are
currently hoping to store it deep underground in geologically stable areas. In the U.S. version of this plan, spent
fuel rods are to be sealed in steel canisters and allowed to
cool aboveground for several years. If the high-level waste
is in liquid form, it will be dried and “vitrified,” or enclosed
in glass logs, before being put in canisters. These containers will later be placed in canisters up to 5.6 meters long,
which will, in turn, be inserted in holes drilled in the rock
floor of warehouselike caverns, hundreds of meters below
the surface. The holes will be covered with plugs designed
to shield the room above from radiation. Federal officials
had hoped to build the U.S. repository beneath Yucca
Mountain in Nevada, but local authorities are fighting to
keep the repository out of the state.
• Entombment under the seabed. Pointed canisters
containing the waste could be dropped from ships to the
floor far below, where they would penetrate and embed
themselves tens of meters down. The advantages stem
from the ability to use seafloor sites that are stable and remote from the continents. In a variation on this idea, the
canisters could be dropped into deep ocean trenches,
where they would be pulled into the earth’s mantle by the
geologic process of subduction.
Considered the most scientifically sound proposals by
some experts, these—as with all schemes involving the
oceans—have been rejected by science policymakers because of concerns over the potentially adverse public reaction and the plan’s possible violation of international
treaties barring the disposal of radioactive waste at sea.
• Nuclear transmutation. The troublesome components of high-level waste are a relatively small number of
materials that are radioactive for tens of thousands of
years. If appropriately bombarded with neutrons, however, the materials can be transmuted into others that are radioactive for only hundreds or possibly just tens of years.
A repository would still be needed. It could hold much
more material, though, because the amount of heat emitted by the waste would be significantly reduced.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ROGER RESSMEYER Starlight
t 3:49 P.M. on December 2, 1942, in a converted
squash court under the football stands at the University of Chicago, a physicist slid back some control rods in
the first nuclear reactor and ushered in a new age. Four
and a half minutes later the world had its first nuclear
waste. Since then, mountains of high-level waste have
joined that original molehill in Chicago: according to the
International Atomic Energy Agency, about 10,000 cubic
meters of high-level waste accumulate each year.
This massive amount of radioactive material has no permanent home. Not a single country has managed to implement a long-term plan for storing it; each relies on interim measures. In the U.S., for example, used fuel rods are
generally kept in pools near a reactor until they are cool
enough for dry storage in steel casks elsewhere at the site.
However large or small a role nuclear fission plays in
meeting future energy needs, safely disposing of intensely radioactive by-products will remain a top priority, if only
because so much material already exists. Among the most
promising technologies are:
ΣΠΕΝΤ ΦΥΕΛ ΡΟ∆Σ αρε χοολεδ ανδ σηιελδεδ ιν ποολσ ατ α
φαχιλιτψ ιν Λα Ηαγυε, Φρανχε. Βλυε γλοω ισ χαυσεδ βψ τηε ιν−
τεραχτιον οφ ραδιατιον φροµ τηε φυελ ωιτη τηε ωατερ.
A very small scale form of transmutation has been carried out for decades in specially designed experimental reactors. Lately scientists at Los Alamos National Laboratory
have proposed using a high-energy accelerator to make
the process more rapid and efficient. According to Wendell
D. Weart, a senior scientist at Sandia National Laboratories, the main challenge would be concentrating the nuclear materials. “No one’s ever tried to do it with the degree
of separation that this would require,” he says. “It’s not
easy to work with intensely radioactive systems, with this
degree of chemical separation. It would be a neat trick.”
Some less highly regarded proposals are:
• Shooting nuclear waste into space or the sun.
This idea has been rejected because of its enormous expense, as well as the possibility that a loaded rocket could
blow up before leaving the earth’s atmosphere.
• Storage under a polar icecap. High-level waste
generates enough heat to melt not only ice but possibly
even rock. Perhaps because of that characteristic, the idea
has not won many converts.
• Dissolving waste in the world’s oceans. Uniformly spread over much of the surface of the earth, the radioactivity would be small compared with the background
level, proponents have insisted.
—The Editors
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
177
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
Τηε Ινδυστριαλ Εχολογψ
οφ τηε 21στ Χεντυρψ
A clean and e¤cient industrial economy
would mimic the natural world’s ability
to recycle materials and minimize waste
βψ Ροβερτ Α. Φροσχη
Τ
ηε ενδ οφ τηε 20τη χεντυρψ ηασ
σεεν α συβτλε χηανγε ιν τηε ωαψ
µανψ ινδυστριεσ αρε χονφροντινγ
ενϖιρονµενταλ χονχερνσ: τηεψ αρε σηιφτ−
ινγ αωαψ φροµ τηε τρεατµεντ ορ δισποσ−
αλ οφ ινδυστριαλ ωαστε ανδ τοωαρδ τηε
ελιµινατιον οφ ιτσ ϖερψ χρεατιον. Τηισ
στρατεγψ αττεµπτσ το γετ αηεαδ οφ τηε
προβλεµ, σο τηατ σοχιετψ ισ νοτ δεστινεδ
το φαχε αν εϖερ γροωινγ µασσ οφ ωαστε
εµανατινγ φροµ τηε ενδ οφ α δισχηαργε
πιπε ορ τηε βριµ οφ α γαρβαγε παιλ. Ιτ
σεεµσ λικελψ τηατ τηε νεξτ χεντυρψ ωιλλ
σεε αν αχχελερατιον οφ τηισ τρενδ, α χλεαρ
δεπαρτυρε φροµ τηε παστ εµπηασισ∇βψ
ινδυστρψ, βψ γοϖερνµεντ ρεγυλατορσ ανδ
εϖεν βψ µοστ ενϖιρονµενταλ οργανιζα−
τιονσ∇ον λατε−σταγε χλεανυπ.
Τηε ολδ αττιτυδε οφτεν ρεσυλτεδ ονλψ
ιν µανυφαχτυρερσ δυµπινγ ωαστε ιντο
τηειρ οων βαχκψαρδσ, τηυσ γενερατινγ
α γοοδ δεαλ οφ ωηατ µιγητ βε χαλλεδ ιν−
δυστριαλ αρχηαεολογψ. Τηατ ηεριταγε χυρ−
ρεντλψ πυτσ µανψ ⇒ρµσ ιντο τηε ενϖι−
ρονµενταλ χλεανυπ βυσινεσσ, ωηετηερ
τηεψ λικε ιτ ορ νοτ. Βυτ ιν τηε 21στ χεντυ−
ρψ, ινδυστρψ µαψ βεηαϖε θυιτε δι⇑ερεντ−
λψ, σο ασ το αϖοιδ χρεατινγ µορε εξπεν−
σιϖε βυριαλ σιτεσ τηατ σοχιετψ ωιλλ ηαϖε το
συ⇑ερ ορ παψ το χλεαν υπ αλλ οϖερ αγαιν.
Ωηατ µοστ πεοπλε ωουλδ λικε το σεε ισ
α ωαψ το υσε ινδυστριαλ ωαστε προδυχ−
τιϖελψ. Ωαστε ισ, αφτερ αλλ, ωαστεφυλ. Ιτ ισ
µονεψ γοινγ ουτ τηε δοορ ιν τηε φορµ
οφ προχεσσεδ µατεριαλ ανδ ιτσ εµβοδιεδ
ενεργψ. Το αϖοιδ τηισ ινε⇔χιενχψ, µανυ−
φαχτυρερσ οφ τηε νεξτ χεντυρψ µυστ χον−
σιδερ ηοω το δεσιγν ανδ προδυχε προδ−
υχτσ ιν συχη α ωαψ ασ το µακε τηε χον−
τρολ οφ ωαστε ανδ πολλυτιον παρτ οφ τηειρ
εντερπρισε, νοτ ϕυστ αν αφτερτηουγητ.
Τηεψ ωιλλ νεεδ το παψ αττεντιον το τηε
εντιρε προδυχτ λιφε χψχλε, ωορρψινγ νοτ
ονλψ αβουτ τηε µατεριαλσ υσεδ ανδ χρε−
ατεδ ιν τηε χουρσε οφ µανυφαχτυρινγ
178
βυτ αλσο αβουτ ωηατ ηαππενσ το α προδ−
υχτ ατ τηε ενδ οφ ιτσ λιφε. Ωιλλ ιτ βεχοµε
α δισποσαλ προβλεµ, ορ χαν ιτ βεχοµε α
σουρχε οφ ρε⇒νεδ µατεριαλ ανδ ενεργψ?
Μανυφαχτυρερσ αρε ϕυστ βεγιννινγ το
σεεκ νεω αππροαχηεσ ιν ωηατ µαψ ωελλ
βεχοµε α χοµπρεηενσιϖε ρεϖολυτιον. Ασ
συχη µοϖεµεντσ οφτεν δο, τηεσε ε⇑ορτσ
αρε προδυχινγ νεω ιδεασ ανδ α νεω σετ
οφ βυζζωορδσ. Ενγινεερσ ηαδ πρεϖιουσ−
λψ σποκεν οφ δεσιγν φορ µανυφαχτυρινγ
ανδ δεσιγν φορ ασσεµβλψ, ανδ νοω ωε
ηαϖε αδδεδ δεσιγν φορ δισασσεµβλψ,
δεσιγν φορ ρεχψχλινγ ανδ δεσιγν φορ
ενϖιρονµεντ το ουρ ϖοχαβυλαρψ. Τηεσε
τερµσ µεαν σιµπλψ τηατ φροµ τηε ϖερψ
σταρτ ωε αρε παψινγ αττεντιον το τηε πο−
τεντιαλ ε⇑εχτσ οφ εξχεσσ ωαστε ανδ πολ−
λυτιον ιν µανυφαχτυρινγ.
Οϖερχοµινγ τηεσε προβλεµσ ισ ιν παρτ
α τεχηνολογιχαλ προβλεµ∇χλεϖερ νεω
τεχηνολογιεσ τηατ χαν ρεδυχε ορ ρεχψχλε
ωαστεσ ωιλλ συρελψ πλαψ α ϖαλυαβλε ρολε.
Βυτ τηε ανσωερ ωιλλ νοτ δεπενδ εντιρελψ
ον ινϖεντινγ βρεακτηρουγη τεχηνολο−
γιεσ. Ρατηερ ιτ µαψ ηινγε ον χοορδινατ−
ινγ ωηατ αρε φαιρλψ χονϖεντιοναλ µετη−
οδσ ιν µορε πρυδεντ ωαψσ ανδ ιν δεϖελ−
οπινγ λεγαλ ανδ µαρκετ στρυχτυρεσ τηατ
ωιλλ αλλοω συιταβλε ιννοϖατιον. Τηεσε εφ−
φορτσ ωιλλ ινϖολϖε χοµπλεξ χονσιδερα−
τιονσ οφ προδυχτ ανδ προχεσσ δεσιγν,
εχονοµιχσ ανδ οπτιµιζατιον, ασ ωελλ ασ
ρεγυλατιον ανδ ηανδλινγ οφ ηαζαρδουσ
µατεριαλσ. Στρανγελψ, τηερε ηασ βεεν ρελ−
ατιϖελψ λιττλε γενεραλ εξαµινατιον οφ
τηεσε ισσυεσ, αλτηουγη τηερε αρε µανψ
ινδιϖιδυαλ χασεσ ιν ωηιχη συχη τηινκινγ
ηασ βεεν εµπλοψεδ.
Φορ εξαµπλε, Κυµαρ Πατελ οφ ΑΤ&Τ
Βελλ Λαβορατοριεσ ηασ δεσχριβεδ αν ιν−
τερεστινγ αππροαχη βεινγ τακεν ιν α σεχ−
τιον οφ ιτσ µιχροελεχτρονιχσ φαβριχατιον
βυσινεσσ. Ενγινεερσ ατ τηατ διϖισιον οφ
Βελλ Λαβσ ωερε χονχερνεδ βεχαυσε σεϖ−
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
εραλ οφ τηε ραω µατεριαλσ, συχη ασ γαλλι−
υµ αρσενιδε, ωερε παρτιχυλαρλψ ναστψ.
Τηεψ δεαλτ ωιτη τηισ δι⇔χυλτψ βψ υσινγ,
ιν ε⇑εχτ, τηε µιλιταρψ τεχηνολογψ οφ βι−
ναρψ χηεµιχαλ ωεαπονσ, ιν ωηιχη τωο
χηεµιχαλσ τηατ αρε νοτ ϖερψ ηαζαρδουσ
ινδιϖιδυαλλψ χοµβινε ωιτηιν α ωεαπον
το µακε ονε τρεµενδουσλψ ηαζαρδουσ
συβστανχε. Βελλ Λαβσ νοω αϖοιδσ ηαϖινγ
το κεεπ αν ινϖεντορψ οφ ονε ηιγηλψ τοξιχ
µατεριαλ τηρουγη α σιµπλε προχεσσ τηατ
βρινγσ τογετηερ ιτσ µυχη λεσσ ηαζαρδ−
ουσ χηεµιχαλ χονστιτυεντσ ριγητ ατ τηε
σποτ ωηερε τηε χοµβινεδ χοµπουνδ ισ
υσεδ. Τηισ ισ εσσεντιαλλψ α ϕυστ−ιν−τιµε
δελιϖερψ σψστεµ τηατ µατχηεσ προδυχ−
τιον το νεεδ ανδ οβϖιατεσ δισποσαλ οφ
εξχεσσ. Βελλ Λαβσ χονχλυδεδ τηατ τηε
χοµπανψ αµορτιζεδ τηε ινϖεστµεντ ιν
νεω εθυιπµεντ ιν λεσσ τηαν α ψεαρ βψ
ελιµινατινγ τηε εξτρα χοστσ οφ στορινγ,
τρανσπορτινγ ανδ οχχασιοναλλψ δισποσ−
ινγ οφ τηε ηαζαρδουσ χοµπουνδ.
Α Λεσσον φροµ Νατυρε
Β
εψονδ σολϖινγ ασ µυχη οφ τηε ωαστε
προβλεµ ασ ποσσιβλε ωιτηιν εαχη
χοµπανψ, ωε ηαϖε το τηινκ αβουτ ιν−
δυστρψ ιν τηε φυτυρε ον α λαργερ σχαλε.
Ωε νεεδ το εξαµινε ηοω τηε τοταλ ιν−
δυστριαλ εχονοµψ γενερατεσ ωαστε ανδ
πολλυταντσ τηατ µιγητ δαµαγε τηε ενϖι−
ρονµεντ. ςιεωινγ ινδυστρψ ασ αν ιντερ−
ωοϖεν σψστεµ οφ προδυχτιον ανδ χον−
συµπτιον, ονε ⇒νδσ τηατ τηε νατυραλ
ωορλδ χαν τεαχη υσ θυιτε α βιτ. Τηε αναλ−
ογψ ωιτη νατυρε συγγεστσ τηε ναµε ιν−
δυστριαλ εχολογψ φορ τηισ ιδεα (αλτηουγη
τηισ τερµ ισ ινχρεασινγλψ χοµινγ ιντο υσε
φορ α διϖερσε σετ οφ πραχτιχεσ τηατ µιγητ
µακε ινδυστρψ πολλυτε λεσσ).
Τηε νατυραλ εχολογιχαλ σψστεµ, ασ αν
ιντεγρατεδ ωηολε, µινιµιζεσ ωαστε.
Νοτηινγ, ορ αλµοστ νοτηινγ, τηατ ισ προ−
δυχεδ βψ ονε οργανισµ ασ ωαστε ισ νοτ
φορ ανοτηερ οργανισµ α σουρχε οφ υσαβλε
µατεριαλ ανδ ενεργψ. ∆εαδ ορ αλιϖε, αλλ
πλαντσ ανδ ανιµαλσ ανδ τηειρ ωαστεσ αρε
φοοδ φορ σοµετηινγ. Μιχροβεσ χονσυµε
ανδ δεχοµποσε ωαστε, ανδ τηεσε µι−
χροοργανισµσ ιν τυρν αρε εατεν βψ οτηερ
χρεατυρεσ ιν τηε φοοδ ωεβ. Ιν τηισ µαρ−
ϖελουσ νατυραλ σψστεµ, µαττερ ανδ εν−
εργψ γο αρουνδ ανδ αρουνδ ιν λαργε χψ−
χλεσ, πασσινγ τηρουγη α σεριεσ οφ ιντερ−
αχτινγ οργανισµσ.
Ωιτη τηισ ινσιγητ φροµ τηε νατυραλ
εχολογιχαλ σψστεµ, ωε αρε βεγιννινγ το
τηινκ αβουτ ωηετηερ τηερε αρε ωαψσ το
χοννεχτ δι⇑ερεντ ινδυστριαλ προχεσσεσ
τηατ προδυχε ωαστε, παρτιχυλαρλψ ηαζαρδ−
ουσ ωαστε. Α φυλλψ δεϖελοπεδ ινδυστριαλ
εχολογψ µιγητ νοτ νεχεσσαριλψ µινιµιζε
τηε ωαστε φροµ ανψ σπεχι⇒χ φαχτορψ ορ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Αντιρεχψχλινγ Λαωσ
Ι
ν αδδιτιον το τηε νεεδ φορ µορε χοµ−
πλετε µαρκετ ινφορµατιον, σοχιετψ ρε−
θυιρεσ α νοϖελ κινδ οφ ρεγυλατιον το
µακε α τρυε ινδυστριαλ εχολογψ ποσσιβλε.
Φρυστρατιονσ ωιτη ρεγυλατιον φρεθυεντλψ
αρισε βεχαυσε ωε ηαϖε φοστερεδ ανδ δε−
ϖελοπεδ ενϖιρονµενταλ λαωσ τηατ ατ−
τεµπτ το δεαλ ωιτη ονε προβλεµ ατ α
ΚΑΛΥΝ∆ΒΟΡΓ, ∆ΕΝΜΑΡΚ, ρεπρεσεντσ α
µοδελ ινδυστριαλ εχοσψστεµ. Αν οιλ ρε−
⇒νερψ (α) εµπλοψσ ωαστε ηεατ φροµ α
ποωερ πλαντ (β) ανδ σελλσ συλφυρ ρεµοϖεδ
φροµ πετρολευµ το α χηεµιχαλ χοµπανψ.
Τηε ρε⇒νερψ ωιλλ αλσο προϖιδε συλφυρ (ασ
χαλχιυµ συλφατε) το α ωαλλβοαρδ προδυχερ
(χ) το ρεπλαχε τηε γψπσυµ τψπιχαλλψ υσεδ.
Εξχεσσ στεαµ φροµ τηε ποωερ πλαντ αλσο
ηεατσ ωατερ φορ αθυαχυλτυρε (δ ), ωηιλε ιτ
ωαρµσ γρεενηουσεσ ανδ ρεσιδενχεσ (ε).
α
β
PHOTOGRAPHS BY RUDDI CHRISTENSEN Gamma Liaison
ινδυστριαλ σεχτορ βυτ σηουλδ αχτ το µιν−
ιµιζε τηε ωαστε προδυχεδ οϖεραλλ.
Τηισ ισ νοτ ρεαλλψ α νεω ορ σταρτλινγ
ιδεα. Τηερε αρε χοµπανιεσ τηατ ηαϖε
σουγητ τηισ µινιµιζατιον φορ α λονγ
τιµε. Τηε χηεµιχαλ ανδ πετροχηεµιχαλ
ινδυστριεσ αρε προβαβλψ αηεαδ οφ µοστ
οτηερσ. Τηεψ χηαραχτεριστιχαλλψ τηινκ ιν
τερµσ οφ τυρνινγ ασ µυχη ασ ποσσιβλε οφ
ωηατ τηεψ προχεσσ ιντο υσεφυλ προδυχτ.
Βυτ ιν τηε φυτυρε, ινδυστριαλ χουντριεσ
ωιλλ ωαντ αλλ προδυχερσ το βε τηινκινγ
αβουτ ηοω τηεψ χαν αλτερ µανυφαχτυρ−
ινγ, προδυχτσ ανδ µατεριαλσ σο τηατ τηε
ενσεµβλε µινιµιζεσ βοτη ωαστε ανδ
χοστ. Συχη ρεθυιρεµεντσ νεεδ νοτ βε
ονερουσ: α χοµπανψ µιγητ εασιλψ χηανγε
το α µορε εξπενσιϖε µανυφαχτυρινγ
προχεσσ ιφ ιτ πρεϖεντσ τηε γενερατιον οφ
ωαστε τηατ τηε ⇒ρµ ηαδ το παψ το ηαϖε
τακεν αωαψ ανδ ιφ ιτ χρεατεσ µατεριαλσ
φορ ωηιχη τηερε αρε χυστοµερσ.
Μανψ ρεθυιρεµεντσ µυστ βε µετ φορ
τηισ ρεδιρεχτιον το βε αχχοµπλισηεδ. Ασ
ινχεντιϖε φορ δεσιγνινγ ανδ προδυχινγ
σοµετηινγ σπεχι⇒χαλλψ σο τηατ ιτ χαν βε
ρευσεδ, χοµπανιεσ ωιλλ νεεδ ρελιαβλε
µαρκετσ. Μανψ εαρλψ αττεµπτσ ατ ρεχψ−
χλινγ φαιλεδ βεχαυσε τηεψ ϕυστ χολλεχτεδ
µατεριαλσ∇α ποιντλεσσ εξερχισε υνλεσσ
σοµεβοδψ αχτυαλλψ ωαντσ το υσε τηεµ. Ιφ
τηερε αρε γοινγ το βε µαρκετσ φορ ωηατ
ωουλδ οτηερωισε βε ωαστε, ινφορµατιον
ωιλλ νεεδ το βε αϖαιλαβλε ον ωηο ηασ
ωηατ, ωηο νεεδσ ωηατ, ωηο υσεσ ωηατ.
Τηισ ινφορµατιον ισ τψπιχαλλψ ιναχχεσσι−
βλε νοω βεχαυσε χοµπανιεσ τενδ το βε
σεχρετιϖε αβουτ τηειρ ωαστε στρεαµσ. ( Ιφ
χοµπετιτορσ κνοω αβουτ τηε βψ−προδ−
υχτσ προδυχεδ, τηεψ µιγητ δεδυχε προ−
τεχτεδ τραδε σεχρετσ.) Ωε ωιλλ ηαϖε το ιν−
ϖεντ ωαψσ το γετ αρουνδ τηισ δι⇔χυλτψ.
χ
ε
δ
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
τιµε. Τηε χυρρεντ ρεγυλατορψ φραµεωορκ
φοχυσεσ ον δισποσινγ οφ ορ τρεατινγ ιν−
δυστριαλ ωαστεσ ωιτηουτ ρεγαρδ φορ τηε
ποσσιβιλιτψ οφ µινιµιζινγ ορ ρευσινγ
τηεµ. Ιν φαχτ, ιτ οφτεν αχτσ το τηωαρτ ρε−
χψχλινγ. Ονχε α συβστανχε ισ χλασσι⇒εδ ασ
ηαζαρδουσ ωαστε, ιτ βεχοµεσ εξτραορδι−
ναριλψ δι⇔χυλτ το δο ανψτηινγ υσεφυλ
ωιτη ιτ, εϖεν ιφ τηε µατεριαλ ισ ιδεντιχαλ
το α ϖιργιν ινδυστριαλ χηεµιχαλ ρεαδι−
λψ βουγητ ανδ σολδ ον τηε οπεν µαρκετ.
Φορ εξαµπλε, ιφ α µανυφαχτυρερ προ−
δυχεσ ωαστε χονταινινγ χψανιδε, α τοξιχ
ηψδροχαρβον ορ α ηεαϖψ µεταλ, τηε χοµ−
πανψ ωιλλ λικελψ βε χοντρολλεδ βψ στριχτ
ενϖιρονµενταλ λαωσ. Υνλεσσ τηε ⇒ρµ χαν
οϖερχοµε εξχρυχιατινγλψ χοµπλεξ βυ−
ρεαυχρατιχ βαρριερσ, ιτ ωιλλ προβαβλψ νοτ
βε αλλοωεδ το προχεσσ τηατ µατεριαλ ιντο
α σαλαβλε προδυχτ ορ εϖεν το τρανσπορτ ιτ
(εξχεπτ το α δισποσαλ σιτε). Ψετ ανψονε
χαν εασιλψ γο το α χηεµιχαλ µανυφαχτυρ−
ερ ανδ βυψ χψανιδε, ηψδροχαρβον σολ−
ϖεντσ ορ ηεαϖψ µεταλ χοµπουνδσ τηατ
ηαϖε βεεν νεωλψ προδυχεδ. (Τηειρ µαν−
υφαχτυρερ γενεραλλψ ηασ α στανδινγ περ−
µιτ φορ παχκαγινγ, τρανσπορτινγ ανδ σελλ−
ινγ τηεσε συβστανχεσ.)
Α παρτιχυλαρλψ ιντερεστινγ εξαµπλε
χοµεσ φροµ τηε αυτοµοτιϖε ινδυστρψ∏σ
τρεατµεντ οφ στεελ. Αντιχορροσιον µεα−
συρεσ προδυχε α ζινχ−ριχη σλυδγε τηατ ιν
τηε παστ ωασ σεντ το α σµελτερ το ρεχοϖ−
ερ τηε ζινχ ανδ πυτ ιτ βαχκ ιντο τηε προ−
χεσσ στρεαµ. Βυτ α δεχαδε αγο ρεγυλα−
τιονσ βεγαν λιστινγ συχη ωαστεωατερ
Τηε Υλτιµατε Ινχινερατορσ
Ω
LOUIS J. CIRCEO Georgia Institute of Technology
institutions to set up pilot furnaces. “The
hile the world waits for industry
whole technology is starting to pick up
to develop processes so efficient
around the world,” notes Louis J. Circeo
they do not produce waste, the probof the Georgia Institute of Technology,
lem of safely disposing of our garbage
where some of the largest furnaces are
persists. The idea of loading toxic or
located. Near Bordeaux, France, a plant
other forms of waste on board a spacedestroys asbestos at the rate of 100
craft and blasting them into the sun
tons a week. The Japanese city of Matseems, at first glance, a nice solution to
suyama has a facility designed to hanthe earth’s trash woes. At 5,500 dedle the 300 tons of incinerator ash that
grees Celsius, the surface of Sol would
comes from the daily burning of 3,000
leave little intact. But considering the
tons of municipal waste. Construction
amount of garbage each human proof a furnace that could torch 12 tons of
duces—three to four pounds per day,
medical waste a day is under way at
on average—launches would simply be
Kaiser Permanente’s San Diego hospital.
too expensive to conduct regularly. Add
Circeo thinks it is even feasible to treat
the possibility of a malfunction during
existing landfills: just lower some plasliftoff, and space shots of waste seem
ma torches down nearby boreholes.
impractical.
Plasma need not be hot; it can also
Instead some researchers are taking
the opposite tack: bringing a bit of the ΠΛΑΣΜΑ ΤΟΡΧΗ χοοκσ χονταµι− exist at room temperature. Cohn and his
sun to the earth. By sending a strong νατεδ σοιλ, χηανγινγ ιτ ιντο ινερτ, colleagues are testing the idea of using
“cold” plasma to destroy toxic vapors.
electric current through a rarefied gas, γλασσψ βλοχκσ.
The physicists create such plasma by
they can create plasma—an intensely
hot gas in which electrons have been separated from firing an electron beam into a gas, a process that severs
atomic nuclei. The plasma, in turn, reaches up to 10,000 electrons from nuclei and thus converts the gas into plasdegrees C. (Conventional incinerators, using fossil fuels, ma. Volatile organic compounds passed through the plasreach no more than 2,000 degrees C.) In the presence of ma are attacked by the free electrons, which break down
this demonic heat, hydrocarbons, PCBs and other toxins the chemicals. Last year the workers tested their trailerthat lace contaminated soil and ash break down, yielding size unit at the Department of Energy’s Hanford Nuclear
molten slag that hardens into inert and harmless glassy Reservation site in Richland, Wash., where up to two milrocks suitable for road gravel. Unlike their smoke-belching lion pounds of industrial solvents have been dumped
conventional counterparts, plasma incinerators burn more since the complex’s founding during the Manhattan Projcleanly, emitting one fifth as much gas. Some designers ect. They vacuumed out some of the carbon tetrachloride
propose capturing this gas, which is combustible, for use in the ground and then pumped it into the chamber of
cold plasma, which transformed the toxin into less harmas fuel.
With so many pluses, it seems that plasma should have ful products that were subsequently broken down into
been cooking waste a long time ago. The hurdle has been carbon dioxide, carbon monoxide, water and salt.
It may be a while before toxic waste is a distant memory
economic: plasma can vaporize nonhazardous waste for
about $65 a ton, whereas landfilling costs less than half or before you can zap your kitchen trash into nothingness
that amount. But as landfill space dwindles and stricter with the flick of a switch, but many researchers are betting
environmental codes are adopted, plasma waste destruc- that plasma waste destruction is becoming a reality. Cirtion is becoming more competitive. For treatment of toxic ceo, for instance, hopes to raise $10 million for a plasma
waste, it may even be cheaper. Daniel R. Cohn of the Mas- plant that can destroy the 20 tons of garbage that revelers
sachusetts Institute of Technology estimates that a full- and others at the 1996 Olympic Games in Atlanta are exscale plant could operate for less than $300 a ton—less pected to generate daily. “In five to 10 years,” he predicts,
than half the current cost of disposing of hazardous waste. “you’re going to see plasma technology springing up all
—The Editors
The more reasonable economics have encouraged many over the place.”
180
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
REFRIGERANT
from air conditioners
is routinely recovered, cleaned and
reused in other cars.
COOLANT is
purified so that
it can be used
once again.
PLASTIC interiors
are the most troubling
parts to recycle, but
innovative methods
are having success.
OIL is replaced
frequently but typically can be recycled
as fuel oil.
BATTERIES are
replaced periodically;
the lead plates, acid
and even plastic
cases are usually
recycled.
BODY PARTS such
as doors are kept as
replacements or recycled for scrap steel.
KARL GUDE
WHEELS are commonly
used as replacements
or can be recycled for
scrap steel.
BUMPERS can be
disassembled and
recycled into new
bumpers.
CATALYTIC CONVERTERS
contain valuable amounts of
platinum and rhodium, although
extracting these elements has
proved difficult.
ΑΥΤΟΜΟΒΙΛΕ ΡΕΧΨΧΛΙΝΓ ισ ονε οφ τηε µοστ συχχεσσφυλ εξ−
αµπλεσ οφ ρευσε οφ α µανυφαχτυρεδ προδυχτ. Αβουτ 75 περ−
χεντ οφ α τψπιχαλ χαρ χαν βε ρεχψχλεδ ιν τηε φορµ οφ ρεφυρ−
βισηεδ παρτσ, υσεφυλ ⇓υιδσ ανδ σχραπ µατεριαλσ. Τηισ προχεσσ
τρεατµεντ σλυδγεσ ασ ηαζαρδουσ. Τηε
υνιντενδεδ χονσεθυενχε ωασ τηατ τηε
σµελτερσ χουλδ νο λονγερ υσε τηε σλυδγε,
βεχαυσε ιτ ηαδ βεχοµε, ιν ναµε, α ηαζ−
αρδουσ µατεριαλ∇τηε ρεγυλατορψ ρεθυιρε−
µεντσ φορ αχχεπτινγ ιτ ωερε τοο σεϖερε.
Τηε ζινχ−ριχη σλυδγε ωασ ρεδιρεχτεδ το
λανδ⇒λλσ, τηερεβψ ινχρεασινγ χοστσ φορ
αυτοµοβιλε µανυφαχτυρερσ ανδ προδυχ−
ινγ α ωαστε δισποσαλ προβλεµ φορ τηε
ρεστ οφ σοχιετψ.
Τηισ σιτυατιον χλεαρλψ ιλλυστρατεδ ωηατ
χαν βε α σεριουσ προβλεµ: ωελλ−µεαντ
ενϖιρονµενταλ ρεγυλατιον χαν ηαϖε τηε
βιζαρρε ε⇑εχτ οφ ινχρεασινγ βοτη τηε
αµουντ οφ ωαστε χρεατεδ ανδ τηε
αµουντ το βε δισποσεδ, βεχαυσε ιτ πυτσ
υπ ηιγη βαρριερσ το ρευσε. Ιτ µιγητ βε
ϖιεωεδ ασ αντιρεχψχλινγ ρεγυλατιον. Τηισ
πεχυλιαριτψ αππεαρσ το ηαϖε οχχυρρεδ
εσσεντιαλλψ βψ ιναδϖερτενχε: ινδυστριαλ
συππλιεσ, ωηετηερ τοξιχ ορ νοτ, αρε χον−
τρολλεδ βψ δι⇑ερεντ στατυτεσ∇ανδ οφτεν
βψ α δι⇑ερεντ παρτ οφ τηε γοϖερνµεντ∇
τηαν αρε µατεριαλσ χονσιδερεδ ωαστε. Α
πριοριτψ φορ τηε φυτυρε ωιλλ βε α χλεανυπ
TRANSMISSIONS and other
mechanical components of
the engine and drivetrain are
often refurbished.
TIRES may be used
for scrap rubber or
can be ground up and
burned as fuel.
χαν, ηοωεϖερ, βε τακεν φυρτηερ. Νεω µετηοδσ το σεπαρατε ανδ
ρεχψχλε πλαστιχ χοµπονεντσ, φορ εξαµπλε, ο⇑ερ τηε ποσσιβιλιτψ
οφ ρεµοϖινγ εϖεν µορε µατεριαλ φροµ τηε ωαστε στρεαµ ανδ
ρετυρνινγ ιτ το τηε µανυφαχτυρινγ χψχλε.
οφ τηατ ασπεχτ οφ τηε νατιον∏σ ρεγυλατο−
ρψ µαχηινερψ.
Ωιτη αδεθυατε ε⇑ορτ τηε νεξτ χεντυρψ
ωιλλ σεε µανψ ιµπροϖεµεντσ ιν ενϖιρον−
µενταλ λαωσ ασ ωελλ ασ ιν σπεχι⇒χ ενϖι−
ρονµενταλ τεχηνολογιεσ. Βυτ τηε µοστ
ιµπορταντ αδϖανχε οφ αλλ µαψ βε τηε
φυνδαµενταλ ρεοργανιζατιον τηατ αλλοωσ
υσεδ µατεριαλσ το ⇓οω φρεελψ βετωεεν
χονσυµερσ ανδ µανυφαχτυρερσ, βετωεεν
ονε ⇒ρµ ανδ τηε νεξτ ανδ βετωεεν ονε
ινδυστρψ ανδ ανοτηερ. Ασ µυχη ασ ωε
νεεδ το εξχαϖατε τηε ινδυστριαλ αρχηαε−
ολογψ λεφτ οϖερ φροµ τηε παστ, ωε αλσο
νεεδ το δραω λεσσονσ φορ τηε φυτυρε φροµ
τηεσε γηαστλψ σιτεσ, χρεατε αν ινδυστριαλ
εχολογιχαλ ϖισιον ανδ φορµυλατε α σψσ−
τεµ οφ λαω ανδ πραχτιχε το εναβλε ιτ.
Τηε Αυτηορ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
ΡΟΒΕΡΤ Α. ΦΡΟΣΧΗ ηασ σερϖεδ ασ
ασσισταντ εξεχυτιϖε διρεχτορ οφ τηε
Υνιτεδ Νατιονσ Ενϖιρονµεντ Προγραµ
ανδ ασ αδµινιστρατορ οφ τηε Νατιοναλ
Αεροναυτιχσ ανδ Σπαχε Αδµινιστρα−
τιον. Ιν 1993 ηε ρετιρεδ ασ ϖιχε πρεσι−
δεντ οφ Γενεραλ Μοτορσ Χορπορατιον,
ωηερε ηε ωασ ιν χηαργε οφ τηε Νορτη
Αµεριχαν Οπερατιονσ Ρεσεαρχη ανδ
∆εϖελοπµεντ Χεντερ. Ηε ισ νοω α σε−
νιορ ρεσεαρχη φελλοω ατ τηε ϑοην Φ.
Κεννεδψ Σχηοολ οφ Γοϖερνµεντ ατ
Ηαρϖαρδ Υνιϖερσιτψ.
ΣΤΡΑΤΕΓΙΕΣ ΦΟΡ ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΙΝΓ. Ροβερτ Α.
Φροσχη ανδ Νιχηολασ Ε. Γαλλοπουλοσ ιν Σχιεντι⇒χ
Αµεριχαν, ςολ. 261, Νο. 3, παγεσ 144∠152; Σεπ−
τεµβερ 1989.
ΤΗΕ ΓΡΕΕΝΙΝΓ ΟΦ ΙΝ∆ΥΣΤΡΙΑΛ ΕΧΟΣΨΣΤΕΜΣ. Εδιτεδ
βψ Βραδεν Ρ. Αλλενβψ ανδ ∆εαννα ϑ. Ριχηαρδσ. Να−
τιοναλ Αχαδεµψ Πρεσσ, 1994.
ΙΝ∆ΥΣΤΡΙΑΛ ΕΧΟΛΟΓΨ: ΜΙΝΙΜΙΖΙΝΓ ΤΗΕ ΙΜΠΑΧΤ ΟΦ
ΙΝ∆ΥΣΤΡΙΑΛ ΩΑΣΤΕ. Ροβερτ Α. Φροσχη ιν Πηψσιχσ Το−
δαψ, ςολ. 47, Νο. 11, παγεσ 63∠68; Νοϖεµβερ 1994.
ΙΝ∆ΥΣΤΡΙΑΛ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜ: ΡΕΣΤΡΥΧΤΥΡΙΝΓ ΦΟΡ ΣΥΣ−
ΤΑΙΝΑΒΛΕ ∆ΕςΕΛΟΠΜΕΝΤ. Εδιτεδ βψ Ρ. Αψρεσ ανδ Υ.
Σιµονισ. Υνιτεδ Νατιονσ Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1994.
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
181
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
Τεχηνολογψ
φορ Συσταιναβλε
Αγριχυλτυρε
The next green revolution needs to be
sophisticated enough to increase yields
while also protecting the environment
βψ ∆οναλδ Λ. Πλυχκνεττ ανδ ∆οναλδ Λ. Ωινκελµανν
Φ
αρµερσ ωιλλ ηαϖε το χονφροντ φορ−
µιδαβλε χηαλλενγεσ ιν λεαρνινγ το
µαναγε εϖερ µορε αδϖανχεδ τεχη−
νολογιεσ ιν ωαψσ τηατ ωιλλ ινχρεασε τηε
προδυχτιϖιτψ οφ τηειρ ρεσουρχεσ ωηιλε
προτεχτινγ τηε ενϖιρονµεντ. Τηατ χοµ−
πλεξ γοαλ σηουλδ βε ωιτηιν ρεαχη οφ ριχη−
ερ χουντριεσ, ωηερε ( ιρονιχαλλψ) φοοδ ισ
αλρεαδψ αβυνδαντ ανδ α⇑ορδαβλε, ποπ−
υλατιον γροωτη ισ σλοω ανδ µεχηανισµσ
εξιστ φορ ρεσολϖινγ ατ λεαστ σοµε ενϖιρον−
µενταλ προβλεµσ ασσοχιατεδ ωιτη αγρι−
χυλτυρε. Βυτ ιτ ωιλλ συρελψ βε α δαυντινγ
τασκ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, ωηερε
αβουτ α βιλλιον πεοπλε αρε βεινγ αδδεδ
εαχη δεχαδε, ωηερε ρουγηλψ τηατ νυµ−
βερ αρε αλρεαδψ µαλνουρισηεδ ανδ ωηερε
σοχιαλ χαπιταλ φορ ενϖιρονµενταλ προτεχ−
τιον ισ σεϖερελψ λιµιτεδ.
Μανψ οφ τηε εαρτη∏σ λεσσ δεϖελοπεδ ρε−
γιονσ αρε ινδεεδ ιν χριτιχαλ χονδιτιον. Ιν
τηε ποορεστ χουντριεσ, αγριχυλτυρε νοω
οχχυπιεσ υπ το 80 περχεντ οφ τηε ωορκ−
φορχε, ανδ αλµοστ ηαλφ οφ αν αϖεραγε
φαµιλψ∏σ βυδγετ ισ σπεντ ον φοοδστυ⇑σ.
Ιν τηοσε νατιονσ, ινχοµεσ χαν γροω ονλψ
ωιτη γρεατερ φαρµ προδυχτιϖιτψ. Αδϖανχ−
εσ ιν αγριχυλτυρε τηυσ βεχοµε α πρερεθ−
υισιτε φορ αχηιεϖινγ νεαρλψ αλλ σοχιαλ
γοαλσ∇ινχλυδινγ σλοωερ ποπυλατιον
γροωτη.
Τεχηνολογψ ηασ βεεν τηε µοστ ρελι−
αβλε φορχε φορ πυσηινγ αγριχυλτυρε το−
ωαρδ ηιγηερ προδυχτιϖιτψ τηρουγηουτ
τηισ χεντυρψ. Τηε µανψ αγριχυλτυραλ τεχη−
νολογιεσ ιν υσε τοδαψ αλλ εµεργεδ φροµ
σχιεντι⇒χ ρεσεαρχη. Σο ιτ ισ ρεασοναβλε
το ασκ ωηατ σχιενχε ωιλλ ο⇑ερ τηε νεξτ
γενερατιον οφ φαρµερσ ανδ χονσυµερσ.
Ηοω, ιν παρτιχυλαρ, µιγητ ρεσεαρχη ιν
182
τηε νεξτ φεω δεχαδεσ ηελπ ιν τηε ποορ−
εστ χουντριεσ, ωηερε ποϖερτψ φρεθυεντλψ
χαυσεσ φαρµερσ το ϕεοπαρδιζε τηε ηεαλτη
οφ τηε ενϖιρονµεντ? Τηε ανσωερ, σιµ−
πλψ πυτ, ισ βψ φοστερινγ τηε πραχτιχε οφ
συσταιναβλε αγριχυλτυρε.
Φορ ουρ πυρποσεσ, ωε δε⇒νε συσταιν−
αβλε αγριχυλτυρε ασ δοεσ Πιερρε Χροσσον
οφ Ρεσουρχεσ φορ τηε Φυτυρε: ιτ ισ φαρµ−
ινγ τηατ µεετσ ρισινγ δεµανδσ οϖερ τηε
ινδε⇒νιτε φυτυρε ατ εχονοµιχ, ενϖιρον−
µενταλ ανδ οτηερ σοχιαλ χοστσ χονσισ−
τεντ ωιτη ρισινγ ινχοµεσ. Συσταιναβλε
αγριχυλτυρε ισ τηυσ θυιτε α βροαδ τοπιχ;
ωε χονχεντρατε ηερε ον ϕυστ α φεω οφ ιτσ
µορε τεχηνολογιχαλ ασπεχτσ.
∆αµαγε Χοντρολ
Ω
ηερεϖερ αγριχυλτυρε ισ πραχτιχεδ,
ινσεχτσ ανδ δισεασεσ λυρκ ανδ
τηρεατεν χροπσ. Εϖερψ χυλτιϖατεδ ⇒ελδ ιν
τηε ωορλδ αλσο ηαρβορσ ωεεδσ, ανδ α
ηυγε αµουντ οφ λαβορ, οφτεν βψ ωοµεν
ανδ χηιλδρεν, ισ ρεθυιρεδ το χοντρολ
τηεµ. Σινχε τηε 1950σ, τηε τρεατµεντ
φορ χροπσ συ⇑ερινγ φροµ συχη πεστσ ηασ
σοµετιµεσ βεεν αν ινδισχριµινατε απ−
πλιχατιον οφ ποτεντ χηεµιχαλσ. Βυτ χον−
χερν φορ ενϖιρονµενταλ στανδαρδσ ιν
ριχηερ χουντριεσ ισ βεγιννινγ το δεχρεασε
τηειρ υσε. Εϖεν σοµε σαφε, χοµµονλψ
υσεδ πεστιχιδεσ ωιλλ σοον βεχοµε υν−
αϖαιλαβλε βεχαυσε, ωηεν τηειρ πατεντσ
ρυν ουτ, τηε χοστ οφ χοµπλψινγ ωιτη εν−
ϖιρονµενταλ ρεγυλατιονσ ιν µαρκετινγ
τηεσε προδυχτσ µαψ εξχεεδ τηε προ⇒τσ
τηατ µιγητ οτηερωισε αχχρυε το τηειρ
µανυφαχτυρερσ. Φορτυνατελψ, τηεσε χηεµ−
ιχαλσ αρε νοτ τηε ονλψ ωεαπονσ αϖαιλαβλε
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
χηεµιχαλ ρεσιδυεσ. Χοµινγ αδϖανχεσ
ωιλλ υνδουβτεδλψ µακε συχη χαρεφυλλψ
ταιλορεδ ινσεχτ−χοντρολ τεχηνιθυεσ µορε
ωιδελψ αϖαιλαβλε το κνοωλεδγεαβλε φαρµ−
ερσ, ωηο χαν τηεν ινχορπορατε τηεµ ασ
στανδαρδ ρουτινεσ.
Ασ σχιεντι⇒χ κνοωλεδγε γροωσ ιν τηε
νεξτ χεντυρψ, ρεσεαρχηερσ ωιλλ χοντινυε
το τυρν ουτ α ηοστ οφ χλεϖερ ινϖεντιονσ
τηατ χαν χηαλλενγε χονϖεντιοναλ πεστι−
χιδεσ. Βυτ τηε συχχεσσ οφ αλτερνατιϖε
µεασυρεσ ωιλλ αλσο ρεθυιρε α χλεαρ υν−
δερστανδινγ οφ φαρµ πραχτιχεσ. Φορ εξ−
αµπλε, ιτ µιγητ βε ποσσιβλε, ιν πρινχιπλε,
το ρεδυχε ινσεχτ, δισεασε ανδ ωεεδ προβ−
λεµσ βψ ινχρεασινγ τιλλαγε ορ ρεµοϖινγ
χροπ ρεσιδυεσ φροµ σοµε ⇒ελδσ. Βυτ
συχη αχτιονσ χαν αλσο ινχρεασε εροσιον.
Ηενχε, ιντεγρατεδ πεστ µαναγεµεντ ωιλλ
ινχρεασινγλψ τεστ τηε σκιλλσ οφ βοτη ρε−
σεαρχηερσ ανδ φαρµερσ το αντιχιπατε
συχη ε⇑εχτσ ανδ το βαλανχε ωηατ αρε
σοµετιµεσ χοµπετινγ γοαλσ. ∆εσπιτε τηε
ινχρεασεδ χαρε ιν µαναγεµεντ τηατ ωιλλ
βε ρεθυιρεδ οφ φαρµερσ, ωε αρε νονετηε−
λεσσ οπτιµιστιχ τηατ φυτυρε ε⇑ορτσ ωιλλ
προϖιδε α σπεχτρυµ οφ πραχτιχαλ στρατε−
γιεσ φορ ε⇑εχτιϖε πεστ χοντρολ.
Ποωερ Πλαντσ
Τ
ηε συχχεσσ οφ συσταιναβλε αγριχυλ−
τυρε δεπενδσ φυνδαµενταλλψ ον
µακινγ πλαντσ µορε ε⇔χιεντ ιν χον−
ϖερτινγ συνλιγητ, νυτριεντσ ανδ ωατερ
ιντο φοοδ ανδ ⇒βερ προδυχτσ. Χονϖεν−
ΠΕΣΤ ΜΑΝΑΓΕΜΕΝΤ φορ µανψ φαρµσ µεανσ αππλιχατιον οφ ποτεντ χηεµιχαλ πεστι−
χιδεσ (λεφτ ), βυτ αλτερνατιϖεσ αρε εµεργινγ. Στραωβερρψ γροωερσ ιν Χαλιφορνια, φορ εξ−
αµπλε, χαν υσε τραχτορ−µουντεδ ϖαχυυµσ (βελοω ) το δισχουραγε σοµε ινσεχτσ.
MIGUEL L. FAIRBANKS
BRUCE HANDS Tony Stone Images
το τηε βαττλε. Α ωιδε αρραψ οφ αλτερνατιϖε
µεασυρεσ χαν βε βρουγητ ιν φορ συππορτ.
Τηε τερµ ιντεγρατεδ πεστ µαναγε−
µεντ χαπτυρεσ τηατ νοτιον. Ιτ ρεφερσ το
τηε χοµβινατιον οφ υσινγ ηαρδψ πλαντσ,
χροπ ροτατιονσ, τιλλαγε πραχτιχεσ, βιολογ−
ιχαλ χοντρολσ ανδ α µινιµαλ αµουντ οφ
πεστιχιδεσ.
Ιντεγρατεδ πεστ µαναγεµεντ δραωσ
ον τηε φυνδαµενταλ κνοωλεδγε οφ πλαντ
ανδ ινσεχτ βιολογψ αµασσεδ βψ βοτα−
νιστσ ανδ εντοµολογιστσ. Ηυνδρεδσ οφ
ινσεχτ αττραχταντσ (πηεροµονεσ) ηαϖε αλ−
ρεαδψ βεεν ιδεντι⇒εδ ανδ σψντηεσιζεδ,
ανδ τηεσε συβστανχεσ χαν βε υσεδ το
ιντερφερε ωιτη τηε νορµαλ ρεπροδυχτιϖε
χψχλε οφ χοµµον πεστσ∇φορ εξαµπλε,
βψ ινδυχινγ τηε ινσεχτσ το µατε τοο
σοον ορ ιναππροπριατελψ. Ρεσεαρχηερσ
αρε αλσο εντηυσιαστιχ αβουτ τηε ποσσιβιλ−
ιτψ οφ υσινγ ινσεχτ ϖιρυσεσ το συππρεσσ
πεστσ ε⇑εχτιϖελψ ωιτηουτ ηαρµινγ τηειρ
νατυραλ πρεδατορσ ορ λεαϖινγ υνωαντεδ
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
Bacillus thuringiensis
TOXIC
PROTEIN
CRYSTAL
TOBACCO
1987
TOMATO
1987 (1998)
POTATO
1989 (1995)
RICE
1993
ROBERTO OSTI
COTTON
1990 (1996)
τιοναλ πλαντ βρεεδινγ νοω
βοοστσ ψιελδσ βψ ρουγηλψ 1
περχεντ αννυαλλψ. Ιν τηε χοµ−
ινγ ψεαρσ, βιοτεχηνολογψ χαν
βε εξπεχτεδ το µακε βρεεδινγ
εϖεν µορε ε⇔χιεντ. Φορ εξαµ−
πλε, ρεσεαρχη ον τηε ∆ΝΑ οφ
διϖερσε οργανισµσ ωιλλ ρεϖεαλ
τηε γενετιχ βασισ οφ µανψ
τραιτσ, ινχλυδινγ δισεασε ανδ
ινσεχτ συσχεπτιβιλιτψ, βιοχηεµ−
ιχαλ χοµποσιτιον ανδ νυτριτιϖε
ϖαλυε. Βρεεδερσ ωιλλ βε αβλε το
υσε γενετιχ τεστσ ανδ µαρκερσ
το ιδεντιφψ συβτλε βυτ δεσιρ−
αβλε τραιτσ ιν τηειρ χροπσ
µορε ρεαδιλψ. Βιοτεχηνολογψ
ισ αλσο οπενινγ τηε δοορ το
χοµπλετελψ νεω ηψβριδσ
βψ µακινγ ιτ ποσσιβλε το
χροσσβρεεδ πλαντσ τηατ
µιγητ νεϖερ βε αβλε το δο
σο νατυραλλψ. Μορεοϖερ,
τηε αππλιχατιον οφ µοδ−
ερν µολεχυλαρ βιολογψ
ωιλλ αλλοω δεσιραβλε τραιτσ
το βε διρεχτλψ ενγινεερεδ
ιντο χροπ λινεσ.
Ωε εξπεχτ τηατ γενετιχ µα−
νιπυλατιον ωιλλ αυγµεντ χον−
ϖεντιοναλ βρεεδινγ βψ αλλοω−
ινγ ατ ⇒ρστ τηε διρεχτ τρανσφερ
οφ σελεχτεδ γενεσ το εξιστινγ
φοοδ χροπσ φροµ τηειρ ωιλδ ρελ−
ατιϖεσ. Τηρουγη τηισ αππροαχη,
τηερε ωιλλ βε χοντινυεδ προ−
γρεσσ ιν βιοενγινεερινγ ϖαρι−
ουσ πλαντσ, φορ ινστανχε, το
ωιτηστανδ δισεασεσ ορ πεστσ
( ιµπροϖινγ ηοστ πλαντ ρεσισ−
τανχε), ασ ωελλ ασ το ρεσιστ
στρεσσ φροµ ηιγη−αχιδιτψ σοιλ,
δρουγητ ορ τοξιχ ελεµεντσ. Ωε
αρε οπτιµιστιχ αβουτ σεεινγ
τηεσε τεχηνιθυεσ ινχρεασε τηε
ψιελδ οφ φοοδ χροπσ; ιν παρτιχ−
υλαρ, τηεψ µαψ ηελπ βοοστ προ−
δυχτιϖιτψ ον σοµε οφ τηε δε−
ϖελοπινγ ωορλδ∏σ µαργιναλ
λανδσ.
Ε⇑ορτσ ιν προµοτινγ ηοστ
πλαντ ρεσιστανχε ωιλλ βενε⇒τ
αλσο φροµ νεω ινσιγητσ ιντο
τηε µολεχυλαρ βιολογψ οφ ϖιρυσ−
εσ. Σχιεντιστσ ηαϖε αλρεαδψ ιν−
σερτεδ γενεσ φροµ πλαντ ϖιρυσ−
εσ ιντο τηε γενετιχ µακευπ οφ σελεχτεδ
χροπσ, χρεατινγ ινηερεντ ρεσιστανχε το
τηεσε ϖιραλ δισεασεσ ιν τηε αλτερεδ
πλαντσ. ∆υρινγ τηε νεξτ χεντυρψ, συχη
τεχηνιθυεσ∇ονεσ τηατ βρινγ εξοτιχ
γενεσ ιντο χοµµον χροπσ∇ωιλλ βε εξ−
τενσιϖελψ δεϖελοπεδ.
Α φορερυννερ οφ τηε βιοτεχηνιχαλ µαρ−
ϖελσ τηατ τηε φυτυρε ηολδσ ισ τηε ινχορ−
πορατιον οφ α γενε φροµ τηε βαχτεριυµ
Βαχιλλυσ τηυρινγιενσισ ιντο α ϖαριετψ οφ
χροπσ. Τηε φορειγν γενε χοδεσ φορ α τοξ−
ιν τηατ γιϖεσ πλαντσ ρεσιστανχε το σοµε
λεαφ−φεεδινγ χατερπιλλαρσ. Τηε τρανσφερ οφ
τραιτσ αχροσσ σπεχιεσ λινεσ ισ α πρεµιερ
εξαµπλε οφ τηε ωαψ τεχηνολογψ χαν ιµ−
προϖε τηε ψιελδ οφ ϖαριουσ χροπσ ωιτη−
ουτ αδϖερσελψ αλτερινγ ορ δεγραδινγ τηε
γροωινγ ενϖιρονµεντ.
Ωε εξπεχτ τηατ δυρινγ τηε νεξτ φεω
δεχαδεσ γενετιχ ενγινεερινγ ωιλλ βε−
χοµε α ποωερφυλ αδδιτιον το προϖεδ
πλαντ−βρεεδινγ στρατεγιεσ. Βυτ ιφ τηε ρε−
σεαρχηερσ οφ τηε νεξτ χεντυρψ αρε γοινγ
το βε αβλε το µιξ ανδ µατχη γενεσ το
προδυχε βεττερ χροπσ, τηεψ αρε γοινγ το
νεεδ α ωιδε ϖαριετψ οφ νατυραλ µατεριαλ
το ωορκ ωιτη.
Αππλιεδ Βιοδιϖερσιτψ
Τ
ηε χονσερϖατιον οφ βιοδιϖερσιτψ ισ ρε−
χειϖινγ εϖερ µορε αττεντιον, ιν παρτ
βεχαυσε ιτ α⇑εχτσ αγριχυλτυρε σο διρεχτ−
λψ. Φορ µοστ εχονοµιχαλλψ ιµπορταντ
χροπσ, ρεσεαρχηερσ ηαϖε χαρεφυλλψ µαιν−
ταινεδ χολλεχτιονσ οφ γενετιχ µατεριαλ
φροµ δοµεστιχατεδ ανδ ωιλδ σπεχιεσ ιν
γερµ πλασµ βανκσ. Τηεσε ρεποσιτοριεσ
προϖιδε γοοδ ινσυρανχε τηατ τηε αππρο−
πριατε γενεσ χαν βε φουνδ ανδ ιντρο−
δυχεδ ιντο χυλτιϖατεδ πλαντσ ωηεν νεω
χηαλλενγεσ αρισε.
Αλτηουγη α µαϕοριτψ οφ τηε χροπσ οφ
εχονοµιχ ϖαλυε χαν βε χονσερϖεδ βψ
κεεπινγ τηειρ δρψ σεεδσ ρεφριγερατεδ ατ
αβουτ ∠10 δεγρεεσ Χελσιυσ, αβουτ 10 περ−
χεντ οφ τηε πλαντσ νοω υσεδ φορ αγριχυλ−
τυρε, αλονγ ωιτη α γοοδ προπορτιον οφ
τηε ωιλδ ρελατιϖεσ οφ συχη χροπσ, χαννοτ
ωιτηστανδ τηεσε στοραγε χονδιτιονσ.
Πρεσερϖατιον οφ τηοσε ϖαριετιεσ δεµανδσ
τηατ τηε εντιρε πλαντ βε µαινταινεδ ιν
σοµετηινγ λικε ιτσ νατυραλ ενϖιρονµεντ.
Συχη ιν σιτυ χονσερϖατιον µαψ αλσο βε
ρεθυιρεδ ωηερε τηε νυµβερ οφ σπεχιεσ
CORN
1992 (1996)
SUNFLOWER
(UNDER
DEVELOPMENT)
184
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ΒΑΧΙΛΛΥΣ ΤΗΥΡΙΝΓΙΕΝΣΙΣ, α ροδ−σηαπεδ βαχτεριυµ, προδυχεσ α προτειν
τηατ ισ τοξιχ το λεαφ−εατινγ χατερπιλλαρσ ανδ σο ηασ βεεν υσεδ φορ δεχαδεσ
βψ οργανιχ φαρµερσ ασ α νατυραλ ινσεχτιχιδε. Τηε γενε τηατ χοδεσ φορ τηε
τοξιν ηασ βεεν γενετιχαλλψ ενγινεερεδ ιντο σεϖεραλ χροπσ οϖερ τηε παστ
δεχαδε ανδ ωιλλ υνδουβτεδλψ βε υσεδ ιν µανψ µορε ιν τηε φυτυρε. ( ∆ατεσ
οφ εξπεριµενταλ δεµονστρατιον αρε σηοων βεσιδε προϕεχτεδ δατεσ φορ
χοµµερχιαλιζατιον, ωηιχη αρε γιϖεν ιν παρεντηεσεσ.)
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
Τηε Νεξτ Ωαϖε: Αθυαχυλτυρε
Γ
PATRICK AVENTURIER Gamma Liaison
lobal consumption of fish is at its
highest recorded level and is still
growing. All forms of water dwellers, from
fin fish to crustaceans, are in great demand. At the same time, however, scientists and fisheries experts are noticing a
slow but worrisome decline in piscine populations: it appears the oceans are in danger of depletion because of poor management practices established decades ago
and technologies that permit gargantuan
catches.
Aquaculture—the cultivation of certain
aquatic animals and plants in farms on land
and at sea—may offer, at the very least, a
partial solution to the problem of shrinking
supply. The Worldwatch Institute in Washington, D.C., reports that farms are currently the fastest-growing source of fish. In
1993 aquaculture supplied about 22 percent of the 86 million metric tons caught,
ΑΘΥΑΧΥΛΤΥΡΕ ΦΑΡΜΣ χαν βε φουνδ αλλ οϖερ τηε ωορλδ. Ηερε, ο⇑ τηε
χοαστ οφ Μοναχο, φαρµερσ αρε ραισινγ µαρινε σπεχιεσ ιν ⇓οατινγ πενσ.
according to a recent study by the World
Bank. More than 25 percent of the salmon
and shrimp that are consumed come from farms. These out an entire farm. Further, if water supplies are not clean,
successes have already made aquaculture a $26-billion in- the harvest can suffer. For instance, according to Robert
dustry. The World Bank estimates that aquaculture could Rosenberry of Shrimp News International, shrimp producmeet some 40 percent of the demand for fish within 15 tion in China has fallen about 70 percent because of inyears if the proper investments in research and technolo- dustrial pollution and poor water management (a loss of
gy are made by governments today.
about $1 billion). Marine farms can also pollute if there is
Aquaculture’s potential is not news to many outside the not enough circulation: fish feces and food can accumuU.S., Canada and Europe. Fish farming, particularly for late on the bottom and wipe out the benthic communities
tilapia (a freshwater cichlid fish) and shrimp, is common needed to filter the water.
in many countries. Among the top producers are China,
Pollution emanating from these sites and the movement
Japan, Norway, Israel, India, Ecuador, Thailand and Taiwan. of diseases across ecosystems have turned some environMany of these countries “are reflecting about 20 years of mentalists off aquaculture. In their view, contamination is
research and development and investment,” notes Michael not the only problem. Marine aquaculture has contributed
C. Rubino, a partner at a shrimp farm, Palmetto Aquacul- to the destruction of coastal wetlands, and many are conture in South Carolina, and a consultant at the Internation- cerned that carefully bred farm fish may escape and mate
al Finance Corporation. “Species take about 20 years to with wild stocks—raising the possibility that they could
get from the wild into the barnyard, so to speak.” (Ameri- threaten biodiversity by limiting the gene pool.
can efforts have centered on catfish, largely in the South,
Nevertheless, these woes may be addressed by the growas well as oysters and salmon.)
ing recognition that aquaculture, like any form of agriculThose practicing aquaculture have to contend with ture, must become sustainable. The environmental conmany of the same problems that any farmer faces: dis- cerns are also seemingly outweighed by the potential of
ease, pollution and space. When thousands of animals— aquaculture to alleviate the demand for ocean fish and the
be they fish or fowl—cohabit in proximity, they become diminishing wild stock. In fact, Rosenberry says, in terms
highly susceptible to bacteria and viruses, which can wipe of shrimp, it has already taken pressure off. — The Editors
οφ ιντερεστ ισ λαργε∇φορ εξαµπλε, ιν πρε−
σερϖινγ τηε πλαντσ τηατ ινηαβιτ γρασσ−
λανδσ ορ τροπιχαλ φορεστσ. Τηισ στρατεγψ
αλσο µαινταινσ σπεχιεσ τηατ πλαψ σψµβι−
οτιχ ορ ασσοχιατιϖε ρολεσ∇ιντεραχτιονσ
τηατ µαψ προϖε εχονοµιχαλλψ ιµπορταντ
ασ ωελλ.
Φαρµερσ ιν τηε νεξτ χεντυρψ, περηαπσ
αβοϖε αλλ οτηερσ, ωιλλ ωελχοµε βιοδιϖερ−
σιτψ βεχαυσε ιτσ πραχτιχαλ αππλιχατιονσ
µαψ βε ασ χλοσε ασ τηε νεξτ γροωινγ
σεασον. Βυτ ιφ τηεψ αρε το υτιλιζε νεωλψ
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
χρεατεδ ϖαριετιεσ το τηειρ φυλλεστ εξτεντ,
τηεψ µυστ αλσο γυαρδ τηε ηεαλτη οφ τηε
ενϖιρονµεντ ιν ωηιχη φοοδ χροπσ γροω.
Α Γοοδ Ωορκινγ Ενϖιρονµεντ
Ι
ν τηε παστ, ηαλφ τηε δραµατιχ ιµπροϖε−
µεντσ ιν ψιελδ ηαϖε χοµε τηρουγη
τηε υσε οφ µορε φερτιλιζερσ, µορε πεστι−
χιδεσ ανδ µορε ιρριγατιον. Βυτ φυρτηερ
ινχρεασινγ τηε αµουντσ οφ συχη αδδι−
τιονσ ισ νοτ α φορµυλα το φολλοω ινδε⇒−
νιτελψ. Φαρµερσ ιν τηε 21στ χεντυρψ ωιλλ
ηαϖε το αχθυιρε α νεω µινδ−σετ το µαν−
αγε τηειρ λανδ ασ ωελλ ασ τηε νυτριεντσ
ανδ οργανιχ µαττερ ιτ χονταινσ. Τηισ
πρεχεπτ ισ εσπεχιαλλψ τρυε φορ φαρµερσ ιν
δεϖελοπινγ χουντριεσ, φορ ωηοµ ιµµε−
διαχψ νορµαλλψ ρυλεσ µοστ δεχισιονσ.
Ιν δεϖελοπεδ χουντριεσ ωιτη τεµπερ−
ατε χλιµατεσ, µανψ αγριχυλτυραλ ρεσεαρχη−
ερσ αρε χαυτιουσλψ οπτιµιστιχ τηατ φαρµ−
ερσ χαν ρεδυχε τηειρ υσε οφ χηεµιχαλσ
ανδ λοωερ χοστσ βψ βεττερ µαναγινγ τηε
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
185
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
MILLIONS OF HECTARES
MARIA SUTTON
70
αχτιονσ. Σεϖεραλ συχη δεχι−
σοιλ∏σ φαυνα ανδ ⇓ορα. Ωιτη
σιον συππορτ σψστεµσ αρε
προπερ ινφορµατιον ανδ χαρε,
νοω υνδερ δεϖελοπµεντ το
τηεψ χαν ηαστεν τηε αχχυµυ−
60
αιδ φαρµερσ ωιτη σοιλ µαν−
λατιον οφ οργανιχ µαττερ ανδ,
αγεµεντ. Μοστ αδϖανχεδ αρε
περηαπσ, βεττερ χοορδινατε νυ−
50
σψστεµσ φορ ηανδλινγ πηοσ−
τριεντ χψχλεσ ωιτη τηειρ χροπσ∏
πηορυσ δε⇒χιενχψ ανδ ηιγη
νεεδσ. Βυτ φαρµερσ ιν δεϖελ−
40
αχιδιτψ, βυτ οτηερσ αρε ιν τηε
οπινγ χουντριεσ ωιτη τροπιχαλ
ο⇔νγ. Τηεσε χοµπυτερ αππλι−
χλιµατεσ φαχε µορε αχυτε
30
χατιονσ νοτ ονλψ πρεσεντ αν
προβλεµσ ιν µαναγινγ τηειρ
SPARED
εξπερτ αναλψσισ οφ ωηατ ισ
νατυραλ ρεσουρχεσ. Τηισ χηαλ−
20
κνοων ανδ τηε ε⇑εχτ α χερταιν
λενγε εµεργεσ βεχαυσε ποϖ−
µαναγεµεντ αππροαχη µιγητ
ερτψ ιτσελφ λιµιτσ φαρµερσ∏ χον−
προδυχε, βυτ τηεψ αλσο χαν
χερν φορ λονγ−τερµ χονσε−
10
USED
ιδεντιφψ κεψ γαπσ ιν κνοωλ−
θυενχεσ ανδ αλσο βεχαυσε
εδγε τηατ µιγητ βε αδδρεσσεδ
ωαρµ τεµπερατυρεσ ανδ ηιγη
0
βψ φυρτηερ δατα χολλεχτιον.
ραινφαλλ µακε ιτ ινηερεντλψ
1986
1982
1961–66 1970
1974
1990
1978
Τηε στρενγτη οφ εξπερτ σψσ−
δι⇔χυλτ το προτεχτ λανδ ανδ
YEAR
τεµσ ισ τηατ τηεψ χαν χοµβινε
ωατερ. Συχη χλιµατεσ τενδ το
φοστερ δισεασεσ ανδ πεστσ τηατ ΛΑΝ∆ ΣΠΑΡΕ∆ ιν Ινδια ινχρεασεσ ωιτη ιµπροϖεµεντ ιν τηε σχιεντι⇒χ πρινχιπλεσ ωιτη ιν−
ηαϖε τραδιτιοναλλψ βεεν δι⇔− ψιελδ οφ ωηεατ ϖαριετιεσ. Τηε υππερ λινε (ορανγε) ρεπρεσεντσ διγενουσ φαρµινγ κνοωλεδγε.
χυλτ το χοντρολ ωιτηουτ βροαδ− τηε γροωινγ αρεα τηατ ωουλδ ηαϖε ηαδ το βε δεδιχατεδ το Α ωεακνεσσ ισ τηατ τηεψ µαψ
λψ αχτιϖε χηεµιχαλσ∇αγεντσ φαρµινγ, ασσυµινγ ψιελδσ ρεµαινεδ ατ 1960σ∏ λεϖελσ. Αχτυαλ νοτ προϖιδε ρελιαβλε ανσωερσ
φορ σιτυατιονσ τηατ εϖολϖε
τηατ µαψ υλτιµατελψ χοµπρο− υσαγε οϖερ τηρεε δεχαδεσ ισ σηοων ιν γρεεν.
ραπιδλψ. Ανοτηερ αππροαχη,
µισε τηε ενϖιρονµεντ.
Ρεσεαρχη χαν ηελπ βψ βρινγινγ α βετ− προπριατε ανδ ε⇑εχτιϖε φαρµ µαναγε− ινϖολϖινγ νυµεριχαλ σιµυλατιονσ, χαν
τερ υνδερστανδινγ οφ τηε βιολογψ ανδ µεντ πραχτιχεσ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ βεττερ δεαλ ωιτη χοντινυουσλψ χηανγινγ
ε⇑εχτσ συχη ασ ωεατηερ. Τηε αιµ νοω ισ
εχολογψ ον τροπιχαλ φαρµσ∇τηε σοιλ βιο− αρε στιλλ ιµµενσε.
το ιντεγρατε εξπερτ σψστεµσ ανδ σιµυλα−
τα, πλαντ νυτριεντ ρεθυιρεµεντσ, ιντερ−
τιον µοδελσ. Ασ τηισ γοαλ ισ αχχοµ−
Νεω Φαρµ Ιµπλεµεντσ
αχτιονσ ωιτη ινσεχτσ ανδ πατηογενσ∇
πλισηεδ, φαρµερσ ωιλλ ινχρεασινγλψ υσε
ανδ τηεσε ρεσυλτσ σηουλδ συγγεστ µορε
γριχυλτυρε οφ τηε 21στ χεντυρψ ωιλλ χοµπυτερ−βασεδ τοολσ το ηελπ χοντρολ
συσταιναβλε πραχτιχεσ. Ιν τιµε, τηε ρανγε
σεε α ρανγε οφ νοϖελ διαγνοστιχ πεστσ, ρεδυχε ωατερ χονσυµπτιον ανδ
οφ αδϖανχεµεντ ποσσιβλε τηρουγη βετ−
τερ σχιενχε χουλδ βε ενορµουσ. Ιν µανψ τοολσ τηατ χαρρψ τηε ποωερ οφ µοδερν µαναγε µανψ δι⇑ερεντ κινδσ οφ χροπσ.
Βψ φασηιονινγ νεω τοολσ φορ φαρµερσ,
χασεσ, ηοωεϖερ, τηε πεοπλε φαρµινγ τηε σχιενχε το αλλ λεϖελσ οφ δεχισιον µακινγ.
λανδ µαψ βε τοο ποορ το αχχεπτ ανψ Βιολογιχαλ τεστ κιτσ σηουλδ βεχοµε αϖαιλ− σχιενχε ωιλλ ηαϖε µυχη το σαψ αβουτ
αβλε φορ ιδεντιφψινγ ϖιρυσεσ ανδ οτηερ ηοω συσταιναβλε αγριχυλτυρε ωιλλ βε πραχ−
νεω µετηοδ ϖερψ ρεαδιλψ.
Σοχιετιεσ χονχερνεδ ωιτη προτεχτινγ δισεασεσ ον τηε σποτ, βρινγινγ σοπηιστι− τιχεδ οϖερ τηε νεξτ σεϖεραλ δεχαδεσ. Ιν
τηε ενϖιρονµεντ νεεδ το ⇒νδ ωαψσ το χατεδ βιοτεχηνολογψ ριγητ ιντο φαρµερσ∏ δεϖελοπεδ χουντριεσ, σχιεντι⇒χ αδϖανχ−
ραισε τηε ινχεντιϖεσ φορ φαρµερσ το τυρν ⇒ελδσ. Αλτηουγη συχη ιννοϖατιονσ ωιλλ εσ ωιλλ βρινγ γρεατερ προδυχτιϖιτψ ανδ
το µεασυρεσ τηατ µιγητ χονσερϖε ρε− ⇒ρστ αππεαρ ιν ηιγη−ινχοµε χουντριεσ, λοωερ χοστσ, ωιλλ ηελπ προτεχτ λανδ ανδ
σουρχεσ. Βεττερ ⇒νανχιαλ ανδ βυρεαυ− ωε σεε εξπανδινγ οππορτυνιτιεσ φορ ωατερ ανδ τηυσ ωιλλ ενσυρε αδεθυατε
χρατιχ συππορτ, φορ ινστανχε, µιγητ γιϖε τηειρ αππλιχατιον ιν ποορερ νατιονσ ασ στοχκσ οφ φοοδ ανδ ⇒βερ φορ τηε νεξτ
φαρµερσ τηε ιµπετυσ τηεψ νεεδ το αδοπτ ωελλ, βοτη ιν γυιδινγ ρεσεαρχη ανδ, υλτι− χεντυρψ. Ιν ποορερ χουντριεσ, σχιενχε−
συσταιναβλε µετηοδσ. Συχη χηανγεσ µατελψ, ιν ηελπινγ φαρµερσ µαναγε τηειρ βασεδ τεχηνολογιεσ ωιλλ υνδουβτεδλψ βε
ηαρδερ το ιντροδυχε. Υλτιµατελψ, ηοωεϖ−
ωουλδ γρεατλψ ιµπροϖε τηε ουτλοοκ φορ χροπσ.
Α νοτεωορτηψ αδϖανχε ιν αγριχυλτυραλ ερ, τηεψ ωιλλ βε εϖεν µορε χρυχιαλ ιν
αγριχυλτυρε ιν δεϖελοπινγ νατιονσ. Βυτ
σοχιαλ ινϖεστµεντσ τηερε νεεδ αλσο το βε τεχηνολογψ ωιλλ βε εξπερτ χοµπυτερ σψσ− χοπινγ ωιτη µαργιναλ φαρµ προδυχτιϖιτψ
χουπλεδ ωιτη χοντινυεδ ρεσεαρχη: τηε τεµσ τηατ χοµβινε κνοωλεδγε φροµ ανδ ενϖιρονµενταλ δεστρυχτιον∇ανδ
χηαλλενγεσ φορ σχιενχε ιν δεϖισινγ απ− µανψ δισχιπλινεσ το ηελπ γυιδε φαρµερσ∏ ωιτη ποϖερτψ ιτσελφ.
Α
Τηε Αυτηορσ
Φυρτηερ Ρεαδινγ
∆ΟΝΑΛ∆ Λ. ΠΛΥΧΚΝΕΤΤ ανδ ∆ΟΝΑΛ∆ Λ. ΩΙΝΚΕΛΜΑΝΝ ηαϖε δεϖοτεδ
τηειρ χαρεερσ το αδϖανχινγ αγριχυλτυρε αρουνδ τηε ωορλδ. Βετωεεν 1960 ανδ
1980 Πλυχκνεττ ωασ προφεσσορ οφ αγρονοµψ ανδ σοιλ σχιενχε ατ τηε Υνιϖερσιτψ
οφ Ηαωαιι, ωηερε ηε στυδιεδ προβλεµσ οφ τροπιχαλ αγριχυλτυρε. Ηε ηασ ωορκεδ
φορ τηε Υ.Σ. Αγενχψ φορ Ιντερνατιοναλ ∆εϖελοπµεντ ανδ φορ τηε Ωορλδ Βανκ
ανδ ισ νοω πρεσιδεντ οφ Αγριχυλτυραλ Ρεσεαρχη ανδ ∆εϖελοπµεντ, α χονσυλτ−
ινγ ⇒ρµ. Ωινκελµανν ωασ προφεσσορ οφ εχονοµιχσ ατ Ιοωα Στατε Υνιϖερσιτψ
βεφορε ϕοινινγ τηε Ιντερνατιοναλ Μαιζε ανδ Ωηεατ Ιµπροϖεµεντ Χεντερ ιν
1971. Ηε ωασ διρεχτορ γενεραλ οφ τηε χεντερ φροµ 1985 υντιλ 1994 ανδ νοω
σερϖεσ ασ χηαιρµαν οφ τηε Τεχηνιχαλ Αδϖισορψ Χοµµιττεε οφ τηε Χονσυλτα−
τιϖε Γρουπ ον Ιντερνατιοναλ Αγριχυλτυραλ Ρεσεαρχη.
ΕΞ ΣΙΤΥ ΧΟΝΣΕΡςΑΤΙΟΝ ΟΦ ΠΛΑΝΤ ΓΕΝΕΤΙΧ ΡΕΣΟΥΡΧΕΣ: ΓΛΟΒ−
ΑΛ ∆ΕςΕΛΟΠΜΕΝΤ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤΑΛ ΧΟΝΧΕΡΝΣ. ϑοελ Ι.
Χοηεν, ϑ. Τρεϖορ Ωιλλιαµσ, ∆οναλδ Λ. Πλυχκνεττ ανδ Ηενρψ
Σηανδσ ιν Σχιενχε, ςολ. 253, παγεσ 866∠872; Αυγυστ 23, 1991.
ΤΡΑΝΣΓΕΝΙΧ ΧΡΟΠΣ. Χηαρλεσ Σ. Γασσερ ανδ Ροβερτ Τ. Φραλεψ ιν
Σχιεντι⇒χ Αµεριχαν, ςολ. 266, Νο. 6, παγεσ 62∠69; ϑυνε 1992.
ΤΗΕ ∆ΙςΕΡΣΙΤΨ ΟΦ ΛΙΦΕ. Εδωαρδ Ο. Ωιλσον. Ω. Ω. Νορτον,
1993.
ΗΟΩ ΜΥΧΗ ΛΑΝ∆ ΧΑΝ ΤΕΝ ΒΙΛΛΙΟΝ ΠΕΟΠΛΕ ΣΠΑΡΕ ΦΟΡ ΝΑ−
ΤΥΡΕ? Παυλ Ε. Ωαγγονερ. Χουνχιλ φορ Αγριχυλτυραλ Σχιενχε
ανδ Τεχηνολογψ Ρεπορτ, Νο. 121; Φεβρυαρψ 1994.
186
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΕΝΕΡΓΨ ΑΝ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ
Commentary
Ουτλινε φορ αν
Εχολογιχαλ Εχονοµψ
Countries can indeed prosper while
protecting their environment
βψ Ηεινριχη ϖον Λερσνερ
Χ
ηαργεδ ωιτη λοοκινγ
αφτερ τηε ηεαλτη οφ Γερ−
µανψ∏σ λανδ, αιρ ανδ
ωατερ, Ι ηαϖε δισχοϖερεδ ωηατ
ανψονε ινϖολϖεδ ωιτη τηε εν−
ϖιρονµεντ κνοωσ: ιτ ισ δι⇔−
χυλτ το πρεδιχτ τηε φυτυρε.
Νεϖερτηελεσσ, ιτ σεεµσ σαφε το
φορεχαστ τηατ αδϖανχεµεντσ
ιν τεχηνολογψ ωιλλ προϖε χρυ−
χιαλ φορ προτεχτινγ τηε πλανετ
δυρινγ τηε 21στ χεντυρψ. Ανδ,
µοστ προβαβλψ, Γερµανψ ωιλλ ρεµαιν αµονγ τηοσε χουντριεσ
λεαδινγ τηε µοϖεµεντ το ⇒νδ ανδ αππλψ συχη σολυτιονσ.
Περηαπσ φορεµοστ ιν αιδινγ τηε ενϖιρονµεντ ωιλλ βε ιµ−
προϖεµεντσ ιν τηε γενερατιον ανδ χονϖερσιον οφ ενεργψ. Ηερε
τηε στατε οφ τηε αρτ ηασ βεεν αδϖανχινγ ραπιδλψ. Φορ ινστανχε,
ονε νοω ⇒νδσ∇εϖεν ιν χεντραλ Ευροπε∇ηουσεσ τηατ χαν δε−
ριϖε τηειρ ενεργψ εξχλυσιϖελψ φροµ τηε συν, ανδ ιτ ωουλδ σεεµ
λικελψ τηατ τηε τρενδ τοωαρδ σελφ−συ⇔χιεντ δωελλινγσ ωιλλ χον−
τινυε. Αλονγσιδε τηατ προγρεσσ, ιµπροϖεµεντσ ιν τρανσπορτα−
τιον σηουλδ δραστιχαλλψ ρεδυχε τηε νυµβερ οφ ινδιϖιδυαλλψ
οωνεδ µοτορ ϖεηιχλεσ ον τηε ροαδσ οφ δεϖελοπεδ νατιονσ.
Τηατ χηανγε ωιλλ φυρτηερ δεχρεασε οϖεραλλ ενεργψ χονσυµπτιον.
Λικε πετρολευµ συππλιεσ τοδαψ, φρεσηωατερ ωιλλ βεχοµε α
ηιγηλψ χηερισηεδ χοµµοδιτψ. Τηυσ, νεω µετηοδσ ωιλλ βε χραφτ−
εδ σο τηατ ινδυστρψ χαν µακε δο ωιτη α σµαλλερ αµουντ οφ
ωατερ βψ χονταµινατινγ ιτ λεσσ ανδ ρεχψχλινγ ιτ µορε. Τεξτιλε
µανυφαχτυρερσ ιν Γερµανψ ηαϖε, φορ εξαµπλε, αδοπτεδ εθυιπ−
µεντ το ⇒λτερ χηεµιχαλ αδδιτιϖεσ φροµ ωαστεωατερ. Βεχαυσε
τηε ⇒λτρατε ανδ ωατερ αρε βοτη ρευσεδ, τηε ε⇑ορτ νοτ ονλψ
ηελπεδ τηε ενϖιρονµεντ, ιτ αλσο προϖεδ εχονοµιχαλ ενουγη
το παψ φορ τηε πολλυτιον−χοντρολ εθυιπµεντ ιν 18 µοντησ.
Βυτ τηε ρεαλ χηαλλενγε ιν τηε νεξτ χεντυρψ ωιλλ νοτ βε σο
µυχη ωιτη ινδυστρψ ασ ωιτη αγριχυλτυρε. Βεττερ δεϖιχεσ το δε−
σαλινιζε ωατερ, τρανσπορτ ιτ λονγ διστανχεσ ανδ ιρριγατε ωιτη ιτ
ωηιλε αϖοιδινγ ωαστεφυλ εϖαπορατιον ωιλλ βε παρτιχυλαρλψ χριτ−
ιχαλ φορ πεοπλε λιϖινγ ιν αριδ ρεγιονσ. Ινδεεδ, συχη τεχηνιχαλ
αδϖανχεσ ιν ωατερ µαναγεµεντ µαψ ηελπ ρεχοϖερ ανδ προ−
τεχτ αραβλε λανδ τηρουγηουτ τηε ωορλδ.
ϑυστ ασ ωιτη τηε εαρτη∏σ λανδ ανδ ωατερ, τηε ατµοσπηερε
νεεδσ το βε σχρυπυλουσλψ γυαρδεδ. Ε⇑ορτσ ιν τηατ διρεχτιον
αρε ιν τηειρ φορµατιϖε σταγεσ. Φορ εξαµπλε, τηε σιγνατοριεσ οφ
τηε Ριο Χονϖεντιον αχχορδσ λιµιτινγ γρεενηουσε γασ εµισ−
σιονσ το τηε ατµοσπηερε µετ ιν τηε σπρινγ οφ 1995 ιν Βερλιν το
µοϖε τηε τρεατψ φορωαρδ. Αλτηουγη τηε γρουπ διδ νοτ φοργε
188
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
σατισφαχτορψ ιντερνατιοναλ λαω, τηοσε δισχυσσιονσ γαϖε ιν−
χρεασεδ ιµπετυσ το ⇒νδινγ µεανσ τηατ µιγητ σταβιλιζε χαρβον
διοξιδε ουτπυτ ιν τηε δεϖελοπεδ ωορλδ ανδ πρεϖεντ ιτσ ραπιδ
γροωτη ιν λεσσ ινδυστριαλιζεδ χουντριεσ.
Τεχηνιχαλ ιµπροϖεµεντσ σηουλδ ινδεεδ ηελπ προτεχτ τηε
ενϖιρονµεντ φροµ χοντινυεδ ασσαυλτ, βυτ τηεψ µυστ αλσο σερϖε
το ρεµεδψ παστ νεγλεχτ. Ιν Γερµανψ, ασ ιν µανψ οτηερ δεϖελ−
οπεδ χουντριεσ, σοχιετψ ηασ ινηεριτεδ συβσταντιαλ βυρδενσ:
δανγερουσ ωαστεσ ωερε οφτεν ηανδλεδ ιµπροπερλψ. Μυχη οφ
ουρ λανδ ισ α⇐ιχτεδ ωιτη χηεµιχαλσ τηατ ιτ χαννοτ βρεακ δοων,
ανδ τηεσε συβστανχεσ αρε νοω πολλυτινγ ουρ φοοδ ανδ ωατερ.
Ιν τηε παστ φεω ψεαρσ τηε Γερµαν γοϖερνµεντ ηασ τριεδ το αδ−
δρεσσ τηισ λεγαχψ βψ δεϖελοπινγ α νυµβερ οφ τεχηνιθυεσ φορ
χλεανινγ χονταµινατεδ σοιλ, ινχλυδινγ βιολογιχαλ ανδ τηερµαλ
µετηοδσ το δεγραδε τοξινσ.
Αλτηουγη συχχεσσφυλ ιν µανψ ρεσπεχτσ, ε⇑ορτσ το χλεαν υπ
ωαστε σιτεσ φρεθυεντλψ προϖε το βε σλοω ανδ εξπενσιϖε. Ουρ
στρατεγψ φορ τηε νεξτ µιλλεννιυµ ωιλλ τηερεφορε βε το αϖοιδ
χρεατινγ συχη δι⇔χυλτιεσ ωηερεϖερ ποσσιβλε. Συβστανχεσ δεσ−
τινεδ φορ δισποσαλ ιν τηε 21στ χεντυρψ ωιλλ ηαϖε το µεετ στριχτ
χριτερια σο τηατ τηεψ δο νοτ ποσε α δανγερ το φυτυρε γενερα−
τιονσ. Τηισ χονχερν µαψ ρεθυιρε τηατ ωαστε ⇒ρστ βε τρεατεδ∇
φορ εξαµπλε, βψ τηερµαλ προχεσσεσ τηατ χοµβινε χαρβονιζα−
τιον ατ λοω τεµπερατυρεσ ανδ ινχινερατιον ατ ηιγη τεµπερα−
τυρεσ. Συχη αδϖανχεδ τηερµαλ µετηοδσ αρε σοον το βε αππλιεδ
ιν Γερµανψ.
Β
υτ βεττερ δισποσαλ σχηεµεσ αλονε ωιλλ νοτ συ⇔χε το σολϖε
τηε φυνδαµενταλ προβλεµ οφ ωαστε. Μανυφαχτυρερσ ωιλλ
ηαϖε το προδυχε ιτεµσ τηατ ενσυρε, φροµ σταρτ το ⇒νιση, αν
ενϖιρονµενταλλψ χοµπατιβλε χψχλε. Αδϖανχεδ µετηοδσ, συχη
ασ νεαρ νετ σηαπε µανυφαχτυρινγ, ωιλλ χυτ ωαστε βψ λιµιτινγ
τηε αµουντ οφ µαχηινινγ νεεδεδ φορ σπεχιαλιζεδ παρτσ. Χοµ−
πλεξ ιτεµσ ωιλλ βε βυιλτ το βε σεπαρατεδ νεατλψ ανδ εασιλψ ιντο
τηειρ χοµπονεντσ ωηεν τηε προδυχτ ισ ρετιρεδ φροµ υσε, ανδ
τηοσε πιεχεσ ωιλλ βε µαρκεδ σο τηατ τηεψ χαν βε ιδεντι⇒εδ
ελεχτρονιχαλλψ το φαχιλιτατε τηειρ ρεχψχλινγ. Τηε τεχηνολογψ φορ
τηε σεπαρατιον οφ µιξεδ µατεριαλσ ωιλλ δεϖελοπ φυρτηερ, ανδ
φαχτορψ προδυχτιον ωιλλ βεχοµε µορε ανδ µορε ε⇔χιεντ ιν
ιτσ υσε οφ ρεχψχλεδ µατεριαλσ. Ονε χαν εξπεχτ το σεε τηισ εϖο−
λυτιον τοωαρδ α χλοσεδ−χψχλε εχονοµψ αχχελερατε ασ µανυ−
φαχτυρερσ αρε ηελδ λεγαλλψ ανδ ⇒νανχιαλλψ ρεσπονσιβλε φορ τηε
υλτιµατε δισποσαβιλιτψ οφ τηειρ προδυχτσ∇α ρεϖολυτιοναρψ
χονχεπτ τηατ ισ νοω βεγιννινγ το βε ιµπλεµεντεδ ιν ουρ
χουντρψ.
Τηε σιτυατιον ιν Γερµανψ σερϖεσ το δεµονστρατε τηατ τηε
µοστ εχονοµιχαλλψ ανδ εχολογιχαλλψ συχχεσσφυλ νατιονσ τοδαψ
αρε τηοσε ωιτη λιβεραλ, µαρκετ−οριεντεδ εχονοµιεσ. Βυτ τηεσε
πλαχεσ ωιλλ χοντινυε το προσπερ ονλψ ιφ ινδυστριαλιστσ, µερ−
χηαντσ ανδ χονσυµερσ αλλ µακε ιτ α πριοριτψ το αχτ ιν αν εχο−
λογιχαλλψ ρεσπονσιβλε µαννερ. Ινδεεδ, αδϖανχεδ χουντριεσ τηατ
χαν µαινταιν χοντινυεδ εχονοµιχ γροωτη αλονγ ωιτη χαρεφυλ
ενϖιρονµενταλ στεωαρδσηιπ ιν τηε 21στ χεντυρψ ωιλλ σερϖε ασ
χοµπελλινγ εξαµπλεσ φορ τηε ρεµαινδερ οφ τηε ωορλδ.
Ωιτη τηε ινχρεασινγ ηυµαν ποπυλατιον ανδ ιτσ δεµανδ φορ
ρεσουρχεσ, ενϖιρονµενταλ προτεχτιον ωιλλ φαχε α ηοστ οφ χηαλ−
λενγεσ. Βυτ, το βορροω α σεντιµεντ φροµ Ρυσσελλ Τραιν, φορµερ
αδµινιστρατορ οφ τηε Υ.Σ. Ενϖιρονµενταλ Προτεχτιον Αγενχψ,
τηε γρεατεστ δεµανδ ιν τηε φυτυρε ωιλλ νοτ βε φορ χοαλ, οιλ ορ
νατυραλ γασ; ιτ ωιλλ βε φορ τηε τιµε ωε νεεδ το αδαπτ ουρ λαωσ,
βεηαϖιορσ ανδ τεχηνολογιεσ το τηε νεω ρεθυιρεµεντσ.
ΗΕΙΝΡΙΧΗ ςΟΝ ΛΕΡΣΝΕΡ ισ πρεσιδεντ οφ Υµωελτβυνδε−
σαµτ ιν Βερλιν, τηε Γερµαν γοϖερνµεντ εθυιϖαλεντ οφ τηε Υ.Σ.
Ενϖιρονµενταλ Προτεχτιον Αγενχψ.
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
LIVING WITH NEW TE
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
CHNOLOGIES
Technology will not
solve all our problems.
It may even create some.
But, despite its shortcomings, it continues
to o›er us ever more
ways to work, play, and
order our lives.
ΧΟΜΜΕΝΤΑΡΙΕΣ
Χοντεντσ
Technology Infrastructure
192
Designing the Future
194
Digital Literacy
198
The Information Economy
200
The Emperor’s New Workplace
202
What Technology
Alone Cannot Do
204
Digital composition by Tom Draper
Copyright 1995 Scientific American, Inc.
ΛΙςΙΝΓ ΩΙΤΗ ΝΕΩ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΙΕΣ/Χοµµενταριεσ
Τεχηνολογψ
Ινφραστρυχτυρε
Industrial advances will depend
on setting new standards
βψ Αρατι Πραβηακαρ
Τ
ηε διχτιοναρψ δε⇒νεσ
ινφραστρυχτυρε ασ αν
υνδερλψινγ φουνδατιον.
Ιν σοχιετψ, τηατ µεανσ συχη
βασιχ ινσταλλατιονσ ασ ροαδσ,
ποωερ γριδσ ανδ χοµµυνιχα−
τιονσ σψστεµσ. Ιτ ισ τηε στυ⇑
ωε τακε φορ γραντεδ, ατ λεαστ
ωηεν ιτ ωορκσ. Βεχαυσε τηισ
συππορτ ισ οφτεν ουτ οφ σιγητ,
ιτσ εσσεντιαλ ρολε τενδσ το βε
ουτ οφ µινδ. Φορ τηε µοστ
παρτ, ιτ σηουλδ βε. Ασ τεχηνολογψ αδϖανχεσ, ηοωεϖερ, τηε ιν−
φραστρυχτυρε µυστ εϖολϖε ασ ωελλ. Τηυσ, νοω ισ τηε τιµε το
τηινκ αβουτ τηε εναβλινγ τοολσ ανδ υνδερπιννινγ τεχηνολο−
γιεσ τηατ ωιλλ βε νεεδεδ ιν τηε νεξτ χεντυρψ.
Τηε ινφορµατιον ρεϖολυτιον ανδ γλοβαλ µαρκετπλαχε αρε δε−
µανδινγ αν ινχρεασινγλψ διϖερσε αρραψ οφ ινφραστρυχτυραλ τεχη−
νολογιεσ. Ωηεν τηε Νατιοναλ Βυρεαυ οφ Στανδαρδσ∇νοω τηε
Νατιοναλ Ινστιτυτε οφ Στανδαρδσ ανδ Τεχηνολογψ (ΝΙΣΤ)∇ωασ
φουνδεδ ιν τηε Υ.Σ. ατ τηε τυρν οφ τηε χεντυρψ, ιτσ µισσιον ωασ
το χρεατε µεασυρεµεντ στανδαρδσ σο τηατ ιτεµσ συχη ασ αυτο−
µοβιλεσ χουλδ βε µασσ−προδυχεδ µοστ ε⇔χιεντλψ. Φορ τηε αυ−
τοµοτιϖε ινδυστρψ τοδαψ, συχη γυιδελινεσ περταιν το φαρ µορε
τηαν τηε σιζεσ οφ ιντερχηανγεαβλε παρτσ. Το αναλψζε προπερλψ
τηε χηεµιχαλ χοµποσιτιον οφ α χαρ∏σ εξηαυστ, στανδαρδιζεδ
σαµπλεσ οφ χαρβον µονοξιδε ανδ νιτρουσ οξιδεσ, αµονγ οτη−
ερ γασεσ, αρε νεεδεδ. Σο, τοο, τηερµοχουπλεσ, ωηιχη φεεδ τεµ−
περατυρε ρεαδινγσ ιντο α χαρ∏σ µιχροπροχεσσορ−βασεδ ενγινε
χοντρολλερ, µυστ βε µαδε αχχορδινγ το στριχτ σπεχι⇒χατιονσ
σο τηατ τηειρ σιγναλσ αρε αχχυρατε.
Ιν α δεχαδε τηε αυτοµοτιϖε ινφραστρυχτυρε ωιλλ ηαϖε εξπανδ−
εδ εϖεν µορε. Χαρσ ωιλλ ϖερψ λικελψ βε δεσιγνεδ ανδ µανυφαχ−
τυρεδ υσινγ στανδαρδιζεδ προδυχτ δατα εξχηανγε σπεχι⇒χα−
τιονσ ( Π∆ΕΣ ). Οϖερ χοµπυτερ νετωορκσ, τηεσε διγιταλ βλυε−
πριντσ ωιλλ πασσ λικε ρελαψ βατονσ βετωεεν δεσιγνερσ ανδ
ενγινεερσ, µακινγ ιτ εασιερ το σιµυλατε τηε περφορµανχε οφ
συνδρψ αυτο παρτσ βεφορε τηεψ αρε µαδε. Στανδαρδιζεδ φορ−
µατσ φορ τηεσε σπεχι⇒χατιονσ σηουλδ αλσο αλλοω φορ µορε αγ−
ιλε µανυφαχτυρινγ πραχτιχεσ, µακινγ ιτ εχονοµιχαλλψ φεασιβλε
το προδυχε µορε χυστοµ−ταιλορεδ µοδελσ.
Ιν αδδιτιον, φυτυρε χαρσ µαψ χονταιν µορε παρτσ µαδε φροµ
χοµποσιτε µατεριαλσ, ινχλυδινγ µιξεσ οφ πολψµερσ ανδ χεραµ−
ιχ ρεινφορχεµεντσ. Τηεσε συβστιτυτεσ αρε ασ στρονγ ασ στεελ
ψετ µυχη λιγητερ. Ηενχε, τηεψ χουλδ ψιελδ ηιγηλψ φυελ−ε⇔χιεντ,
χλεαν ϖεηιχλεσ. Συχη µατεριαλσ ωερε οριγιναλλψ δεϖισεδ φορ δε−
φενσε αππλιχατιονσ; ατ τηε µοµεντ, τηεψ αρε τοο εξπενσιϖε το
υσε ιν λαργε αµουντσ ιν αυτοµοτιϖε µανυφαχτυρινγ. Βυτ τηε
Αδϖανχεδ Τεχηνολογψ Προγραµ (ΑΤΠ )∇υνφολδινγ ατ µανψ
192
ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Σεπτεµβερ 1995
ηιγη−τεχη χοµπανιεσ ιν παρτνερσηιπ ωιτη ΝΙΣΤ∇αιµσ το δε−
ϖελοπ α⇑ορδαβλε, ηιγη−περφορµανχε ϖαριετιεσ οφ χοµποσιτεσ.
Χοµπανιεσ τηατ αρε αρχη ριϖαλσ ουτσιδε τηε ΑΤΠ φραµεωορκ
αρε νοω χολλαβορατινγ τοωαρδ τηισ ενδ. ΑΤΠ ισ εναβλινγ τηε
ινδυστρψ ασ α ωηολε το πυρσυε τηισ προµισινγ τεχηνολογψ,
ωηιχη ισ τοο ρισκψ φορ ανψ ονε χοµπανψ το τακε ον.
Λοοκινγ εϖεν φυρτηερ αηεαδ, α ϖαριετψ οφ ποωερφυλ σενσορσ,
χοµπυτερσ ανδ χοµµυνιχατιονσ δεϖιχεσ µαψ ιννερϖατε χαρσ,
ροαδσ, βριδγεσ ανδ τρα⇔χ µαναγεµεντ σψστεµσ. Σοµε οφ
τηεσε αδδιτιονσ µαψ ρεσυλτ φροµ νεω χηιπ δεσιγνσ τηατ ωιλλ
τηεµσελϖεσ ρεθυιρε νεω ινφραστρυχτυραλ τεχηνολογιεσ. Μιχρο−
προχεσσορ χηιπσ, φορ εξαµπλε, ωιλλ σοον ηαϖε παρτσ ονλψ αβουτ
0.25 µιχρον ιν σιζε, πυττινγ τηεµ ιν τηε ρεαλµ οφ λαργε ϖιρυσεσ.
Ιννοϖατιονσ ιν µιχρολιτηογραπηψ ανδ οτηερ µιχροφαβριχατιον
τεχηνιθυεσ σηουλδ σοον λοωερ τηατ σχαλε το 0.1 µιχρον ορ
λεσσ∇ατ ωηιχη ποιντ νεω µεασυρινγ δεϖιχεσ ωιλλ βε νεεδεδ.
ΝΙΣΤ ηασ αλρεαδψ βεγυν τεστινγ ονε συχη δεϖιχε, τηε Μολεχ−
υλαρ Μεασυρινγ Μαχηινε, ορ Μ 3. Τηισ ινστρυµεντ χαν µαπ
ουτ συβατοµιχ δεταιλ οϖερ αν αρεα τηε σιζε οφ α χρεδιτ χαρδ.
Εθυιππεδ ωιτη τηε Μ 3, σεµιχονδυχτορ µανυφαχτυρερσ ωιλλ βε
αβλε το τραχε τηειρ µεασυρεµεντσ το ρεφερενχεσ τηατ αρε αχχυ−
ρατε το ωιτηιν λεσσ τηαν 2.5 νανοµετερσ (ορ τηε ωιδτη οφ αβουτ
ειγητ ωατερ µολεχυλεσ ιν α ροω ). Συχη πρεχισιον ωιλλ ασσιστ ιν
χοντινυινγ ε⇑ορτσ το σηρινκ τηε σιζε οφ ιντεγρατεδ χιρχυιτσ
ανδ το ινχρεασε τηε ποωερ οφ δεϖιχεσ τηατ χονταιν τηεµ.
Α τεαµ ατ ΝΙΣΤ ηασ ωορκεδ ον τηε ηαρδωαρε ανδ σοφτωαρε
φορ τηε Μ 3 σινχε 1987. Το µινιµιζε ερρορσ χαυσεδ βψ ϖιβρα−
τιονσ ορ τεµπερατυρε χηανγεσ, τηε τινψ προβε ατ τηε ηεαρτ οφ
τηε ινστρυµεντ∇α σοπηιστιχατεδ σχαννινγ τυννελινγ µιχρο−
σχοπε∇ισ ηουσεδ ωιτηιν α βασκετβαλλ−σιζε χοππερ σπηερε; τηισ
σπηερε ισ τηεν νεστεδ ωιτηιν α σεριεσ οφ συχχεσσιϖελψ λαργερ
σηελλσ. Α χοµπυτερ σψστεµ υσεσ λασερ ιντερφεροµετερσ, α µε−
τιχυλουσλψ µαχηινεδ σλιδινγ χαρριαγε ανδ πιεζοελεχτριχ ⇓εξ−
ινγ ελεµεντσ το προδυχε χοντρολλαβλε δισπλαχεµεντσ ασ σµαλλ
ασ 0.075 νανοµετερ (ορ λεσσ τηαν τηε διαµετερ οφ α ηψδρογεν
ατοµ). Το ϖαλιδατε τηε µαχηινε∏σ περφορµανχε φορ τηεσε µι−
νυτε µοτιονσ, τηε τεαµ ωιλλ τυρν το α νανορυλερ : αν ατοµι−
χαλλψ σµοοτη συρφαχε οφ α χρψσταλ συχη ασ τυνγστεν δισελεν−
ιδε. Τηε αχχυρατελψ µεασυρεδ διστανχε βετωεεν σινγλε ατοµσ
ιν τηισ χρψσταλ χαν σερϖε ασ τηε ρυλερ∏σ γραδατιονσ. Αλσο, βε−
χαυσε τηε χρψσταλ ισ ⇓ατ οϖερ αν υνχοµµονλψ λαργε αρεα, ιτ
χαν σερϖε ασ αν υλτραηιγη−αχχυραχψ γεοµετρψ ρεφερενχε φορ
Μ 3, µυχη ασ α σθυαρε δοεσ φορ α µαχηινιστ.
Ο
ν λονγ ροαδ τριπσ, ψουρ χηιλδρεν µιγητ βε εντερταινεδ βψ
ελεχτρονιχ ανδ χοµµυνιχατιονσ δεϖιχεσ µανυφαχτυρεδ
ωιτη τηε ηελπ οφ Μ 3. Το τηατ ενδ, τηε ινφραστρυχτυρε οφ τηε
χοµινγ χεντυρψ ωιλλ προβαβλψ ινχλυδε διγιταλ ϖιδεο στανδαρδσ
σο τηατ ιντεραχτιϖε προγραµσ χαν βε βροαδχαστ οϖερ χοµπλεξ
ινφορµατιον νετωορκσ. Ανοτηερ φοχυσεδ προγραµ ωιτηιν τηε
ΑΤΠ ισ βρινγινγ τογετηερ τηε µανψ δι⇑ερεντ πλαψερσ ωηο
ηοπε το µακε τηισ σχεναριο ρεαλ.
Τηε λιστ γοεσ ον. Ωορκερσ αρε τρψινγ το δεϖισε ⇒νγερπριντ−
ορ φαχε−ρεχογνιτιον σψστεµσ τηατ χουλδ αλλοω ψου το εντερ
ψουρ χαρ θυιχκλψ ανδ εασιλψ ωιτηουτ α κεψ. Συχη σψστεµσ ωιλλ
χαλλ φορ σοπηιστιχατεδ σοφτωαρε αλγοριτηµσ, ηοωεϖερ : τηεψ ωιλλ
νεεδ το ρεχογνιζε τηε σαµε ⇒νγερπριντ, φορ εξαµπλε, εϖεν
ωηεν ιτσ αππεαρανχε ϖαριεσ σλιγητλψ φροµ ονε πρεσσ το τηε
νεξτ. ςενδορσ ανδ βυψερσ ωιλλ νεεδ στανδαρδ βενχηµαρκσ το
χοµπαρε τηε περφορµανχε οφ τηεσε φυτυρε σοφτωαρε προγραµσ.
Βενχηµαρκσ ωιλλ αλσο βε νεεδεδ το ϕυδγε τηε θυαλιτψ οφ λαβο−
ρατοριεσ δοινγ γενετιχ τεστινγ ανδ οτηερ βιοτεχηνολογψ−βασεδ
αναλψσεσ. Συχη προχεδυρεσ ωιλλ προβαβλψ βε φαρ µορε χοµ−
µονπλαχε ιν 21στ−χεντυρψ χλινιχαλ σεττινγσ τηαν τηεψ αρε νοω.
Αδαµ Σµιτη