特表 2023-547771 機構における非接触力の管理

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-14

(54)【発明の名称】機構における非接触力の管理

(51)【国際特許分類】

   G06C 15/00 20060101AFI20231107BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20231107BHJP

   B82Y 10/00 20110101ALI20231107BHJP

【ＦＩ】

G06C15/00

B81B3/00

B82Y10/00

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023518998

(86)(22)【出願日】2021-09-22

(85)【翻訳文提出日】2023-03-31

(86)【国際出願番号】 US2021051411

(87)【国際公開番号】W WO2022066681

(87)【国際公開日】2022-03-31

(31)【優先権主張番号】63/083,265

(32)【優先日】2020-09-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/083,276

(32)【優先日】2020-09-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519063358

【氏名又は名称】シービーエヌ ナノ テクノロジーズ インク．

【氏名又は名称原語表記】ＣＢＮ ＮＡＮＯ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】ライリー， ジェイムズ， エフ．， ザ・サード

(72)【発明者】

【氏名】ジョブズ， マーク， エヌ．

(72)【発明者】

【氏名】マッカーサー， ジェイムズ

(72)【発明者】

【氏名】センプレボン， ジェフリー， イー．

【テーマコード（参考）】

3C081

【Ｆターム（参考）】

3C081AA02

3C081BA21

3C081BA29

3C081DA03

3C081DA05

3C081EA14

3C081EA45

(57)【要約】

機構は、エネルギー消費量を削減するため及び／又は部品間の相互作用を制御するために、非接触力を管理するように設計されることが可能である。非接触力を管理することは、機構の部分間におけるファンデルワールス引力が機構の動作にとって顕著であり得るマイクロスケール及びナノスケールの機構において、特に有用である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

機構であって、
第１部品と、
第２部品と、を備え、
前記第２部品は、規定した動作範囲において前記第１部品に対して可動であり、前記第１部品に対して、引力性の非接触力を有し、
前記第１部品と前記第２部品は、部品間の前記非接触力が前記規定した動作範囲に亘って実質的に変化しないように、互いに関連して構成され、
前記機構は、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式入力の形態でデータを受け入れ、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式出力の形態でデータを出力するように構成され、
前記機構は、前記入力の少なくとも１つに論理演算を行うことによって少なくとも１つの出力の前記位置が決定されるように構成され、前記論理演算が、組み合わせ論理演算、順序論理演算及びブール論理演算からなる群のなかの少なくとも１つの演算を含む、機構。

【請求項2】

請求項１に記載の機構であって、
前記第１部品が、少なくとも非活性位置と活性位置との間で動くことができ、
前記非活性位置では、前記第２部品が部品間の前記引力を実質的に変化させずに前記第１部品に関連して相対的に可動であり、
前記活性位置では、前記第１部品に関連する前記第２部品の動きは、前記引力の著しい変化に打ち勝つことを必要とする、機構。

【請求項3】

請求項２に記載の機構であって、
前記第１部品は、前記第１部品がその活性位置にある場合に、少なくとも１つの方向において前記第２部品の動きを阻止する、機構。

【請求項4】

請求項１に記載の機構であって、
前記第１部品及び前記第２部品は、少なくとも前記機構の活性動作状態において、前記第１部品の動きが、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の対応する動きを必要とするように、互いに関して構成される、機構。

【請求項5】

請求項４に記載の機構であって、
前記機構は、非活性動作状態に設定可能であり、
前記非活性動作状態において、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の動きを必要とせずに前記第１部品の動きを収容可能である、機構。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の機構であって、
被駆動要素を備え、
前記入力（複数可）の前記位置（複数可）が、前記被駆動要素の変位が複数の前記出力のうち選択された１つに伝達されることなく収容可能であるか否かを決定するための前記機構内の許容動作範囲を決定する、機構。

【請求項7】

機構であって、
可動である第１部品と、
可動である第２部品と、を備え、
前記第２部品は、前記第１部品に対して可動であり、前記第１部品と前記第２部品との間に非接触力を生成するように前記第１部品と相互作用し、
前記第１部品と前記第２部品とが、部品間の前記非接触力が前記第１部品に対する前記第２部品の許容動作範囲を規定するように互いに関して構成され、そのような許容動作は前記部品の間の前記非接触力を実質的に変化させない、機構。

【請求項8】

請求項７に記載の機構であって、
前記第１部品に少なくとも１つの有効エッジが形成され、
更に、前記第２部品の前記動作範囲は、前記第１部品と前記第２部品との間の非接触力に実質的な変化が引き起こされるように前記有効エッジ（複数可）に関連して前記第２部品を動かすことのない動作範囲として規定される、機構。

【請求項9】

請求項８に記載の機構であって、前記有効エッジは、前記有効エッジを越えて続く表面の下に存在する構造によって提供される、機構。

【請求項10】

機構であって、
可動である第１部品と、
可動である第２部品と、
少なくとも１つの活性面と、
少なくとも１つの係合要素と、を備え、
前記少なくとも１つの活性面は、前記第１部品及び前記第２部品のうち一方に設けられ、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、
前記少なくとも１つの係合要素は、前記第１部品及び前記第２部品のうち他方にあり、前記係合要素（複数可）は、前記活性面（複数可）の少なくとも１つと相互作用してその間に非接触力を生成し、且つ前記活性面（複数可）に対して可動であり、
前記第１部品及び前記第２部品は、前記第２部品の動きが前記第１部品の動きにより制御されるように構成され、前記第２部品は、前記係合要素（複数可）が前記有効エッジ（複数可）に関連して動くことに起因する前記非接触力の変化を最小化するように動く、機構。

【請求項11】

機構であって、
可動である第１部品と、
可動である第２部品と、
少なくとも１つの活性面と、
少なくとも１つの係合要素と、
被駆動要素と、を備え、
前記少なくとも１つの活性面は、前記第１部品及び前記第２部品のうち一方に設けられ、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、
前記少なくとも１つの係合要素は、前記第１部品及び前記第２部品のうち他方にあり、前記係合要素（複数可）は、前記活性面の少なくとも１つと相互作用してその間に非接触力を生成し、且つ前記活性面（複数可）に対して可動であり、
前記被駆動要素は、前記第２部品を動かすように作用し、
前記第１部品及び前記第２部品は、前記被駆動要素の動きの結果として生ずる前記第２部品の動きが前記第１部品の位置により制御されるように構成され、前記第２部品は、前記係合要素（複数可）が前記有効エッジ（複数可）に関連して動くことに起因する前記非接触力の変化を最小化するように動く、機構。

【請求項12】

請求項１０又は請求項１１に記載の機構であって、前記第２部品は、前記第１部品と前記第２部品との間の前記非接触力の実質的な変化を回避するように動く、機構。

【請求項13】

請求項１０又は請求項１１に記載の機構であって、前記第２部品は、前記第２部品が動かない場合よりも前記第２部品と前記第１部品との間の前記非接触力の固さの変化がより小さくなるように動く、機構。

【請求項14】

請求項１０又は請求項１１に記載の機構であって、
前記機構は、活性動作状態と非活性動作状態とに選択的に構成されることが可能であり、
前記活性動作状態では、前記有効エッジ（複数可）に関連する前記係合要素（複数可）の動きに応答して前記第２部品が動き、
前記非活性動作状態では、前記第２部品が動くことを必要とするであろう部品間の非接触力の実質的変化を生じさせることなく、前記係合要素（複数可）の動きを収容可能である、機構。

【請求項15】

請求項１０から請求項１４のいずれか１つに記載の機構であって、
前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方は、少なくとも１つの入力によって位置決めされる、機構。

【請求項16】

請求項１５に記載の機構であって、
前記有効エッジ（複数可）に関連する前記係合要素（複数可）の動きに応答する前記第２部品の動きは、１つ以上の入力の位置に対して行われるブール関数で決定される、機構。

【請求項17】

請求項１６に記載の機構であって、
前記機構は、ＮＯＲゲート、ＮＡＮＤゲート及びＸＯＲゲートからなる群から選択した論理ゲートの機能を提供する、機構。

【請求項18】

請求項１５に記載の機構であって、
前記機構は、機械式のクロック信号により駆動され、前記クロック信号のサイクル間に前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方の位置が記憶されるように構成される、機構。

【請求項19】

請求項１から請求項１８のいずれか１つに記載の機構であって、
前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方は、カーボンナノチューブで構成される、機構。

【請求項20】

請求項１０から請求項１９のいずれか１つに記載の機構であって、
前記機構は、前記第２部品を動かすために、１μＮを超えない力を要する、機構。

【請求項21】

機構であって、
機械式の第１入力と、
機械式の第２入力と、
少なくとも１つの、機械式の出力と、を備え、
前記機構は、前記入力の位置により前記出力（複数可）の結果位置が決まるように構成され、
前記結果位置では、前記入力の位置の何れかの変更に応答した前記機構の構成要素の間における非接触力の変化に対する抵抗が最小となる、機構。

【請求項22】

請求項２１に記載の機構であって、前記第１入力の位置決めは、前記第２入力の位置決めよりも先に行われる、機構。

【請求項23】

請求項２２に記載の機構であって、
前記機構は、少なくとも１つの制御要素を備え、
前記制御要素は、非接触力を介して前記第２入力の動きを前記出力（複数可）に選択的に伝達し、
前記制御要素（複数可）が前記第２入力の動きを伝達するか否かを前記第１入力の位置によって少なくとも部分的に決定するように、前記機構が構成される、機構。

【請求項24】

請求項２３に記載の機構であって、
少なくとも１つの前記制御要素（複数可）は、非接触力により前記第２入力に引き寄せられ、
前記第１入力の前記位置が、少なくとも部分的に、前記第２入力により前記制御要素（複数可）を動かすように作用する前記非接触力がそのような動きに抵抗する非接触力よりも固いか否かを、決定する、機構。

【請求項25】

請求項２４に記載の機構であって、
機械式の第３入力を、更に備え、
前記第３入力が、前記第１入力との組み合わせにおいて、前記第２入力により前記制御要素（複数可）の少なくとも１つを動かすように作用する前記非接触力がそのような動きに抵抗する非接触力よりも固いか否かを、決定可能である、機構。

【請求項26】

請求項２３に記載の機構であって、
前記入力の前記位置が、非接触力の変化を最小化するために前記出力（複数可）を動かさずに前記第２入力の動きを収容可能であるか否かを、決定する、機構。

【請求項27】

請求項２１から請求項２６のいずれか１つに記載の機構であって、
前記入力は、カーボンナノチューブで構成される、機構。

【請求項28】

請求項２１から請求項２６のいずれか１つに記載の機構であって、
前記機構は、前記出力を動かすために、１μＮを超えない力を要する、機構。

【請求項29】

請求項２１から請求項２６のいずれか１つに記載の機構であって、前記機構の体積は０．００１ｍｍ^３を超えない、機構。

【請求項30】

機構であって、
第１部品と、
第２部品と、を備え、
前記第２部品は、規定した動作範囲を通じて前記第１部品に対して可動であり、且つ前記第１部品に対して引力性の非接触力を持ち、
前記第１部品及び前記第２部品は、それらの間の前記非接触力が前記規定した動作範囲に亘って実質的に変化しないように互いに関連して構成され、
前記機構の体積は０．００１ｍｍ^３を超えない、機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、非接触力を受ける作動部品に関し、そのような非接触力に打ち勝つことに関連する問題を回避し及び／又は部品間の動きの調整にそのような非接触力を採用するように構築された機構に関する。

【背景技術】

【0002】

ファンデルワールス力、及び静電気力や電磁力などの接触に依存しない同様の力は、非結合の力又は「非接触力」として特徴付けることができ、ここでは「ＮＣＦ」と略記する。静電気力は、ロンドン分散力、双極子－双極子力（以下、まとめてファンデルワールス力又は「ＶＤＷ」と呼ぶ）を含み、短い距離（オングストロームオーダー）で作用する。機構内のマクロな部品では、これらの力は機構の動作に影響を与えないのが一般的であり、何故なら重力、慣性、摩擦その他の力が支配的だからである。しかし、短い距離で隔てられた小さな部品においては、ＶＤＷが顕著となり得る。例えば、根元で固定された平行な２本のカーボンナノチューブが数オングストローム離れていると、ＶＤＷによって互いに曲がって付着し一体化する。ＶＤＷは小さな部品を曲げられるほど強いだけでなく、ＶＤＷが２つの表面を引っ張り合うことで作動部品の抗力に寄与し得る。ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの分野では、これを"スティクション"と呼び（"ｓｔｉｃｋｉｎｇ"と"ｆｒｉｃｔｉｏｎ"の合成語）、マイクロスケールのデバイスで問題になることがある。

【発明の概要】

【0003】

以下の概要は、添付の特許請求の範囲に記載された新規かつ発明的な特徴の理解を助けるために提供され、発明的な特徴の完全な説明を提供することを意図していない。したがって、特許請求の範囲を適切に解釈するために、本開示全体を考慮すべきであることが理解されるべきである。

【0004】

開示される様々な機構は、適切に機能するための非接触力（ＮＣＦ）の管理に依存している。そのようなＮＣＦは、ファンデルワールス引力、磁気引力、及び静電引力を含むことができるが、これらに限定されるものではない。特定の機構の機能は、その意図された使用に依存し、典型的には、当該機構の１つ以上の構成要素の動きを制御及び／又は制限するためのＮＣＦの管理に依存する。

【0005】

機構は、第１部品と第２部品とを有しこれらの間で引力性のＮＣＦを前記第２部品が有してもよく、前記第２部品は、規定した動作範囲において前記第１部品に対して可動であり、これらの部品は、それらの間の前記ＮＣＦが前記規定した動作範囲に亘って実質的に変化しないように互いに関連して構成されている。このような機構は、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式入力の形態でデータを受け入れ、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式出力の形態でデータを出力し、前記入力の少なくとも１つに論理演算を行うことによって少なくとも１つの出力の前記位置が決定されるように機構が構成されてもよく、論理演算は組み合わせ論理演算、順序論理演算及びブール論理演算からなる群のなかの少なくとも１つの演算を含む。幾つかのそのような機構では、前記第１部品が、少なくとも非活性位置と活性位置との間で動くことができ、前記非活性位置では、前記第２部品がそれらの間の引力を実質的に変化させずに前記第１部品に関連して相対的に可動であり、前記活性位置では、前記第１部品に関連する前記第２部品の動きは、前記引力の著しい変化に打ち勝つことを必要とする。前記第１部品は、前記第１部品がその活性位置にある場合に、少なくとも１つの方向において前記第２部品の動きを阻止してもよい。幾つかの機構では、前記第１部品及び前記第２部品は、（少なくとも前記機構の活性動作状態において）前記第１部品の動きが、前記第１、２部品間の引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の対応する動きを必要とするように、互いに関して構成される。幾つかのそのような機構は非活性動作状態に設定可能であり、前記非活性動作状態において、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の動きを必要とせずに前記第１部品の動きを収容可能である。機構は被駆動要素（これはと他の"入力"として考慮され得る）を備えてもよく、前記（データ）入力（複数可）の前記位置（複数可）が前記機構内の許容動作範囲を決定してこれにより前記被駆動要素の変位が複数の前記出力のうち選択された１つに伝達されることなく収容可能か否かが決定されるように機構が構成されてもよい。規定した動作範囲に亘ってそれらの間のＮＣＦが実質的に変化しないように互いに関連して構成された第１部品と第２部品を有する機構は、一辺１００μｍの立方体の体積に収まってもよい。

【0006】

機構は、第１及び第２部品を備えてもよく、前記第１及び第２部品は互いに関して可動であり、それらの間にＮＣＦを生成するように相互作用し、これらの部品は、部品間のＮＣＦが前記第１部品に対する前記第２部品の許容動作範囲を規定するように互いに関して構成され、そのような許容動作は部品間のＮＣＦを実質的に変化させない。幾つかのそのような機構では、前記第１部品に少なくとも１つの有効エッジが形成され、更に、前記第２部品の前記動作範囲は、前記第１部品と前記第２部品との間のＮＣＦに実質的な変化が引き起こされるように前記有効エッジ（複数可）に関連して前記第２部品を動かすことのない動作範囲として規定される。そのような有効エッジは、前記有効エッジを越えて続く表面の下に存在する構造によって提供可能である。

【0007】

機構は、可動である第１及び第２部品を備え、少なくとも１つの活性面と少なくとも１つの係合要素とを伴い、前記少なくとも１つの活性面は、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、これらの前記部品のうち一方に設けられ、前記少なくとも１つの係合要素は、前記部品のうち他方に設けられ、前記係合要素（複数可）は、前記活性面の少なくとも１つと相互作用してその間にＮＣＦを生成する。そのような機構において、前記第１及び第２部品は前記第２部品の動きが前記第１部品の動きにより制御されるように構成可能であり、前記第２部品は、前記係合要素（複数可）が前記有効エッジ（複数可）に関連して動くことに起因する前記ＮＣＦの変化を最小化するように動く。代替的に、そのような機構は、被駆動要素を具備可能であり、前記被駆動要素は前記第２部品を動かすように作用し、前記第１部品及び前記第２部品は、前記被駆動要素の動きの結果として生ずる前記第２部品の動きが前記第１部品の位置により制御されるように構成され、前記第２部品は、前記係合要素（複数可）が前記有効エッジ（複数可）に関連して動くことに起因する前記ＮＣＦの変化を最小化するように動く。そのような機構の何れにおいても、機構は、前記第２部品が前記第１部品と前記第２部品との間の前記非接触力の実質的な変化を回避するように動くように構成されてもよく、又は、前記第２部品が動かない場合よりも前記第２部品と前記第１部品との間の前記非接触力の固さの変化がより小さくなるように前記第２部品が動くように構成されてもよい。幾つかの機構では、前記機構は、活性動作状態と非活性動作状態とに選択的に構成されることが可能であり、前記活性動作状態では、前記有効エッジ（複数可）に関連する前記係合要素（複数可）の動きに応答して前記第２部品が動き、前記非活性動作状態では、前記第２部品の動きを必要とするそれらの間の非接触力に実質的な変化を生じさせることなく前記係合要素（複数可）の動きを収容可能である。機構は、前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方は、少なくとも１つの入力によって位置決めされてもよく、そのような場合、前記有効エッジ（複数可）に関連する前記係合要素（複数可）の動きに応答する前記第２部品の動きは、１つ以上の入力の位置に対して行われるブール関数で決定され得るであろうし、そのような機構は、ＮＯＲゲート、ＮＡＮＤゲート及びＸＯＲゲートからなる群から選択した論理ゲートの機能を提供し得るであろう。前記機構が機械式のクロック信号により駆動される場合、前記クロック信号のサイクル間に前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方の位置が記憶されるように構成されてもよい。

【0008】

機構は、第１及び第２入力と、少なくとも１つの出力と、を備え、前記入力の位置により前記出力（複数可）の結果位置が決まるように構成され、前記結果位置では、前記入力の位置の何れかの変更に応答した前記機構の構成要素の間におけるＮＣＦの変化に対する抵抗が最小となる。幾つかのそのような機構では、前記第１入力は、前記第２入力の位置決めよりも先に位置決めされ、そのような機構は、制御要素（或いは複数の制御要素）を備えてもよく、前記制御要素は、ＮＣＦを介して前記第２入力の動きを前記出力要素（複数可）に選択的に伝達し、前記制御要素（複数可）が前記第２入力の動きを伝達するか否かを前記第１入力の位置によって少なくとも部分的に決定するように、前記機構が構成される。そのような機構は、前記制御要素（複数可）がＮＣＦにより前記第２入力に引き寄せられることが可能に構成されてもよく、前記第１入力の前記位置が、少なくとも部分的に、前記第２入力により前記制御要素を動かすように作用する前記ＮＣＦがそのような動きに抵抗するＮＣＦよりも固いか否かを決定可能に構成されてもよい。そのような機構は、第３入力を備えてもよく、前記第３入力が、前記第１入力との組み合わせにおいて、前記第２入力と共に前記制御要素（複数可）の少なくとも１つを動かすように作用する前記ＮＣＦが、そのような動きに抵抗するＮＣＦよりも固いか否かを決定可能である。幾つかの機構では、前記入力（複数可）の前記位置（複数可）が、ＮＣＦの変化を最小化するために前記出力（複数可）を動かさずに前記第２入力の動きを収容可能か否かを決定する。

【0009】

ＮＣＦを使用することで、機械的な接続がなくても部品の相互作用が可能になるので、比較的少ない部品で機構を構成できることが多い。その結果、マイクロスケールで製作される機構は、０．００１ｍｍ^３（一辺が１００μｍの立方体の体積）を超えない体積に収まるはずであり、幾つかのそのようなデバイスが要する作動力が１μＮを超えないことも期待される。１０μｍや１μｍの立方体の体積に収まるような小型の機構を作れば、１００ｎＮや１０ｎＮのような低い作動力で済むであろう。さらに小さなデバイスは、ナノスケールの製造技術によって作製可能であろうし、一辺１００ｎｍの立方体の体積内に収まり得るであろうし、いくつかのナノスケールの論理機構は、５０ｎｍ立方体、２５ｎｍ立方体、あるいは１０ｎｍ立方体と同じくらい小さく作ることが可能であろう。本明細書で議論される多くの機構について、言及された第１及び第２部品、入力、及び出力などの構成要素は、カーボンナノチューブ又はダイヤモンド、ロンズデーライト、又はダイヤモンドイド材料の構造から構成され得る。ナノスケールの機構では、作動力は１ｎＮ又はそれ以下である可能性があり、分子力学シミュレーションは、構成要素の動きを調整するためにＮＣＦを採用する論理ゲートなどのいくつかの機構が、１００ｐＮ未満、又は１０ｐＮ未満の作動力で機能すべきことを示す。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A-D】図１Ａ及び図１Ｂは先行技術のヒンジを示し、これは、ナノ又はマイクロスケールの機構で実装される場合、部品が動くときにＮＣＦの変化を受ける可能性がある。図１Ｃ及び図１Ｄは円形の延長パッドを採用したヒンジを示し、ヒンジにジョイント付近の回転対称性が付与され、それによって部品が動く際のＶＤＷの大きな変化を回避できる。

【図1E-J】図１Ｅ～図１Ｊは、スライドする物体の図であり、並進運動により引力が変化する場合と、並進運動により引力が変化しない場合とを図示している。

【図2A-B】図２Ａ及び図２Ｂは機構を図示しており、当該機構では、トラック要素が力伝達要素に係合するための連続的な表面を提供する役割を果たし、その要素が残りの要素との整列状態に入る又はそこから離脱する際にＮＣＦを克服する必要性を回避する。

【図3A-D】図３Ａ～図３Ｃは滑らかな表面を例示する図であり、下層構造の不連続性により、部品が表面上を移動するとＮＣＦが変化し、有効エッジが提供される。図３Ｄは、異なる材料が有効エッジを提供する、別の滑らかな表面を示す図である。

【図4A-G】図４Ａ～図４Ｆはロック機構を例示し、当該ロック機構では、或る位置では入力が作用することで、動くために部品間の引力に打ち勝つことを必要とすることで被駆動要素の前進を妨げるとともに、他の位置においては入力がインピーダンスなしに動きを許容するものである。図４Ｇは、当該原理を、２系統の可動テープを用いる機構に採用したものである。

【図5A-D】図５Ａ～図５Ｄは、エッジのインピーダンスが、被駆動要素に応答する出力の動きを選択的に抑制する役割を果たす機構を示し、これらの例に示すように、２つの入力が設けられる場合、ＮＯＲ論理関数が提供される。

【図6A-F】図６Ａ～図６Ｆは、２つの入力に基づいて選択的に並進運動を阻止又は許容するための同心回転要素を採用する機構の、２つのバリエーションを示す図である。図６Ａ～図６Ｃは、ナノスケールの製造に適した機構を示し、ファンデルワールス引力がＮＣＦとして機能し、このＮＣＦは入力の何れかが角度変位される場合に中央要素の並進運動を阻止する。図６Ｄ～図６Ｆは、より大規模な類似の論理機構を図示し、磁石によりＮＣＦを提供する。

【図7A-L】図７Ａ～図７Ｌは各入力が制御要素（成形板として形成される）の位置を決定する機構を図示し、制御要素は、被駆動要素の動きを収容するか又はそれと共に動かされるかの何れかであり、被駆動要素と共に動かされると出力を動かす。図７Ａ及び図７Ｂは、動きを収容するか又は伝達するトランスミッションゲートを示し、図７Ｃは、このようなゲートを使用して形成可能な３入力のＮＯＲゲートを示している。図７Ｄ～図７Ｆは、ＮＡＮＤゲートとＸＯＲゲートを示す図である。図７Ｇ～図７Ｉは採用され得る代替のトランスミッションゲート構成を図示し、板がピボット運動可能に入力に取り付けられる。図７Ｊは拡大した足部を示す図であり、この拡大した足部は、ピンとエッジによって囲まれた表面との間の相互作用によって伝達され得る力の大きさを増加させるために採用され得る。図７Ｋ及び図７Ｌはスイッチゲートを図示し、スイッチゲートは２つの対向するトランスミッションゲートを採用し、スイッチゲートは、入力位置に応じて、変位信号を２つの出力の何れかに向ける役割を果たす。

【図8A-C】図８Ａ及び図８Ｂはトランスミッションゲートの２つの例を示す図であり、図７Ｈ及び図７Ｉに示されるゲートと同様の機能を提供し、分子集合によるナノスケール製造によく適するように設計される。図８Ａ及び図８Ｂに示されるゲートは、成形ＣＮＴを使用して作製可能であり、この成形ＣＮＴは、ダイアモンドブロックに固定されたＣＮＴから形成されたチューブ内でスライドする。図８Ｃは代替トランスミッションゲートを示す図であり、被駆動要素の動きに関連する出力の動きに機械的利得を提供する。

【図9A-D】図９Ａ～図９Ｄは、被駆動要素及び出力に取り付けられた成形板を有する機構を示し、板と係合するコネクタが１つ以上の入力により位置決めされる。

【図10A-D】図１０Ａ～図１０Ｄは、ヒンジと、ＮＣＦを介してピンで係合される成形板とを組み合わせたトランスミッションゲートを示し、板のエッジがヒンジの作用を制限することができる。

【図11A-H】図１１Ａ～図１１Ｈは、ＮＣＦエネルギー障壁の乗り越えを避けるために、１つの部品の動きが他の部品の動きを強制する機構の例を示している。図１１Ａ及び図１１Ｂはカム状連結を図示し、第１部品は板を有し、板は第１部品が動かされるときに第２部品の動きを強制し、そのような動きは第１部品に関連する第２部品の最低エネルギー位置に機構を維持する。図１１Ｃは、部品間で類似方向の動きを提供するために、ピンとスロットを採用する従来の機構を示す図である。図１１Ｄ～図１１Ｇは、機械式データストレージ及び読取機構を示す図である。データリボンがビットを符号化し、垂直リーダがそのビットを読み取る。ビットの読み取りは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示される部品の動きと同様の動きを引き起こし、ビットリーダが作動された後のデータリボンの位置が、そのリーダに関連付けられたビットの値を決定する。図１１Ｈは、各リーダに対して２つのビット値を提供するための２つのデータリボンを有する類似の機構を示す。

【図12A-F】図１２Ａ～１２Ｄは、値を記憶するために採用することができる機械式ラッチを示している。このラッチはコピー要素を成形板と共に採用し、成形板は入力の値を表す位置にコピー要素を動かすことが可能であり、その後、コピー要素は、入力がリセットされる間、値を保持する位置にロック可能である。図１２Ｅは、フリップフロップを形成するために一緒に接続された２つのラッチを示す図である。図１２Ｆはグリッドメモリアレイの一部を示す図であり、ラッチとトランスミッションゲートアレイとから形成されこれらはメモリアドレスを選択するために接続されており、そのメモリアドレスにおいて値を書き込むか取り出すことができる。

【図13A-E】図１３Ａ～図１３Ｅは、回転運動を生成又は伝達するためにＮＣＦを採用する機構の例を示す。図１３Ａは、被駆動部品の並進運動に応答して螺旋状のねじ山を有する部品を回転させるためのカム方式を採用する回転モーターを示す。図１３Ｂ～図１３Ｄは、単一の入力から複数の出力のうちの１つに回転運動を伝達する機構の２つの例を示す図である。図１３Ｅはベルト駆動装置の一例を示す図であり、一方のプーリーから他方のプーリーへ回転運動を伝達するために、プーリー上の対応エッジとベルトとを採用する。

【図14A-D】図１４Ａ～図１４Ｄは、成形板と１つ以上の引力要素との間の相互作用が、部品の動きを導くのに寄与する機構を示す図である。相対的な運動は、部品間の引力に打ち勝つ必要がないように、エッジによって制限される経路に沿って方向付けられる。

【図15A-C】図１５Ａ～図１５Ｃは、内側部品と外側部品との間の自由な動きを制限するためにＮＣＦを採用するガイドを示す図である。図１５Ａ及び図１５Ｂでは、部品が互いに関して自由に回転することを可能にしながら、部品間の軸方向運動が制限される。図１５Ｃは、回転が妨げられ、並進運動が許容されるガイドを示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本願は、参照による取り込みが適切な法域において、Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｌｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（Ｄｏｃｋｅｔ ｎｏｓ ＣＯＭＰ－００２－ＰＣＴ ａｎｄ ＣＯＭＰ－００３－ＰＣＴ）と題する、本出願人が並行して提出した出願の開示を参照により取り込む。

【0012】

非結合又は非接触の力（この用語は互換的に使用される）には、ファンデルワールス（ＶＤＷ）、ロンドン分散力、静電気力、電磁気力、及びカシミール効果によって生じる力などの力が含まれる。このような力はナノスケール及びより小さなマイクロスケールの機構において特に懸念されるものであり、ＶＤＷのような力は同等の大規模な機構では看取されない効果を生み出す可能性があり、部品を所望の方法で動かすためのエネルギー要件の増加などの悪影響を避けるために考慮されなければならない。同様に、ナノスケール及びより小さなマイクロスケールの機構では、ＮＣＦの活用により、単純な構造を使用して部品の相互作用を制御することができ、ＮＣＦの相互作用が、ある部品と別の部品の相対的な動きを制御する障壁や連結などの機械的構造に取って代わる。機械式デバイスでは、要素間のＮＣＦを採用して、１つ以上の入力位置（被駆動要素を採用する場合、それを含む）に関連する出力位置を定義するように要素を相互作用させることができる。ナノスケールの機構に特別な利点を有する一方で、磁気引力又は静電引力など、より大きなスケールで動作するＮＣＦを採用することができ、教育、研究、開発及び分析の目的でナノスケールの機構の動作をモデル化する際に特別な利点を有し得る。同様に、磁力や静電気もナノスケールデバイスで使用可能であり得るが、しかし、多くの場合、機構の適切な機能を保証するために、ＶＤＷの引力を考慮する必要がある。特定の原理及び／又は例に関して本明細書で使用されるＮＣＦ及びＶＤＷは、ほとんどの場合、交換可能であると考えるべきである。

【0013】

なお、「非接触」は部品同士の接触がないことを意味するものではない。そのような接触が、ある場合もあれば無い場合もある。むしろ、「非接触」は、機構の所望の挙動を実現するために使用される力を指す。例えば、２つの部品が互いに接触し、互いにスライドしていても、その形状や動作経路により、ＶＤＷや磁界などのＮＣＦによって、機構が所望の動作を実現可能となる。いずれか１つの例の部品が接触していても、機構が所望の動作をすることを可能にする力は、依然として非接触又は非結合力である。

【0014】

本明細書で教示されるいくつかの機構では、互いに関連して動く部品は、非接触力（ＮＣＦ）の変化を著しく低減又は消滅させて所望の動きを収容するように設計される。低減された変化は、頻繁な動きに晒される機構において特に価値があり、部品間のＮＣＦを増加及び減少させることは、そのような機構を採用するコンピュータシステムなどのデバイスを操作するのに必要なエネルギーを、大幅に増加させる可能性がある。

【0015】

幾つかの場合には、ＮＣＦ変化の低減は、予想される運動範囲と同等の範囲に構成される表面を有する部品を設計することで達成可能である。典型的には、これは、ある部品の運動が、それが引き付けられる隣接部品の有効エッジ（エッジを使うことが便利である理由については本明細書の議論に従うが、必ずしも必須ではない）に近接したり、それを超えたりすることがないように保証する。例えば、第１部品が第２部品に近接する大きな平坦面を有する場合、それらの相対運動が第２部品を第１部品の表面の有効エッジを越えて動かさない限り、ＮＣＦに実質的変化はない筈である。幾つかの場合には、回転軸に関する対称性を利用可能である。例えば、接触又は近接する２つの部品が互いに回転する場合、少なくとも一方の部品の近接部分が回転軸に関して対称である限り、部品間のＮＣＦは部品の回転に伴って大きく変化することはないであろう。

【0016】

有効エッジは、物理的なエッジであるかどうかにかかわらず、典型的に、部品間のＮＣＦの影響によって変化が生じる場所であることに留意すべきである。例えば、ＶＤＷの影響を受ける小さな部品の場合、ＶＤＷは一般的にエッジに近づくにつれて減少するので、有効エッジは実際には物理エッジの数オングストローム内側に存在し得る。ファンデルワールス引力が懸念される主要ＮＣＦである多くの場合、エッジは物理エッジから約１ｎｍ又はそれ以下の距離を含むと考えることができる。ＶＤＷは距離の増加とともに急速に先細りになるため、部品が近ければＶＤＷが変化するような可動部品は、少なくとも約２～３ｎｍは離しておく必要がある。有意とみなされる特定の距離は特定の状況に依存して決まり、当該特定の状況は、ＶＤＷ引力に対して部品を動かすための作業という形でどれだけのエネルギー消費を許容できるかを含む。別の例では、部品は、表面の下にある下部構造にエッジを有してもよく、当該表面はそのようなエッジを超えて伸張し、下にあるエッジを有する当該面の上又は近傍にある部品のＮＣＦが、たとえ当該面が有効エッジを超えて続いていても、当該面に有効エッジを作り出す。典型的には、有効エッジは、ある部品の上の位置であって、そのような位置を越えて他の部品を動かすと、部品間の既存のＮＣＦの程度を乗り越えるための仕事を必要とするであろう場所のことである。エッジはまた、異種材料の領域の間でそれらの引力が著しく異なる場合に発生し得る。

【0017】

幾つかの場合には、１つ以上のスペーサ要素を隣接する部品の間に介在させて、本明細書に記載の技術の１つを実施するための伸張面を提供することが可能である。例えば、２つの部品が互いに関して回転する必要があり、それらが回転軸の周りで対称でない場合、１つ以上の対称的なスペーサ要素が部品間に介在され得る（例えば、シャフト上のワッシャーに似ているが、分子スケールである）。同様に、並進要素の場合、並進軸に伸張するスペーサを採用し得るであろう。このような場合、スペーサの有効性は、それが可動部品間のＮＣＦを分離するのに十分な厚さであることに依存する。幾つかの場合には、部品の動きに伴うＮＣＦの変化を著しく減少させるが効果的に除去することはできないスペーサでも、有益であり得る。

【0018】

いくつかの場合には、流体（気体や液体を含む）を使用して、ＶＤＷを相殺することができる。例えば、２つの部品が互いに近接する場合、真空中では部品間に引力が発生するはずである。しかし、この機構に流体を加えると、流体もＶＤＷによって部品に引き寄せられることになる。流体が部品同士の引力よりも強く引き寄せられれば、流体は部品間の空間に引き込まれ、流体圧がＶＤＷを相殺することになる。幾つかの場合には、流体圧が部品間のＶＤＷを上回り、実際に部品を互いに遠ざけることになる（Ｐｉｔａｅｖｓｋｉｉ， Ｌ． （２０１０）． "Ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｄｉａ．" ＵＲＬ： ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１０１１．５５９１．ｐｄｆ）。これにより、実際にはＶＤＷは常に引力であるにもかかわらず、マイナスのＮＣＦ又は反発性のＮＣＦという効果がもたらされ得る。

【0019】

上述の技術は、部品が互いに関連して動く際に部品のＮＣＦに打ち勝つために必要な仕事を減らすためのものであり、これらは適切な場合に組み合わせ可能である。例えば、機構は、有効エッジを越えて部品を押すことを避けるために、少なくとも可動範囲と同程度のひろがりを持つ表面を有する部品及び／又はＮＣＦに関して対称な部品を組み合わせたり、部品を分離するスペーサを組合せたり、及び／又は流体を使用して部品間のＶＤＷ引力を相殺するか又は部品を互いから遠ざけたりしてもよい。

【0020】

前述の例では、ＮＣＦが存在しないわけではなく、また、必ずしも減少するわけでもないことに留意されたい。実際、部品は接触していることがあり、そこではＶＤＷ引力を原因としてＮＣＦが最も強く働く。接触している部品は、ＶＤＷエネルギー井戸の底にある。しかし、両者の相対運動がそれらをＶＤＷエネルギー井戸から持ち上げようとしない限り、ＶＤＷに対して仕事は行われない。このように、機構の動作中にＶＤＷが変化しないことを、ここでは「ＶＤＷニュートラル」と呼び、同じコンセプトが他のＮＣＦにも当てはまる。抗力はまだ存在する可能性があるが、ＮＣＦに対して行われる仕事を無くすことで、実質的なエネルギー節約が可能となる。多くの場合、ＮＣＦの変化に要する仕事が機構の適切な動作にとって実質的ではない程度に小さくなるように、部品を設計することが目的である。そのような実質性は、機構の意図する目的や、どの程度のエネルギー損失を許容できるかといった設計基準に応じて決まるであろう。多くの場合、必要な仕事が"非実質的"というのは、機構の意図した動作を著しく損なわない程度の仕事として定義される。一般的なガイドラインの一例として、部品を動かすために必要なＮＣＦエネルギーが、（摩擦や抗力などによる）その動きの全エネルギー散逸の約５０％未満である場合は、「実質的ではない」とみなしてもよい。エネルギー損失が特に懸念されるような幾つかの場合、ＮＣＦの「実質的」変化は、機構の構成要素が動くことによるエネルギー散逸の２０％を超えないか、１０％を超えないか、又は５％を超えないとみなされ得る。場合によっては、「非実質的な」仕事は力によって定義されてもよく、ナノスケールの機構では、ＮＣＦに対して部品を動かすために加えられる「非実質的な」力は、１ｎＮ未満、１００ｐＮ未満、又は１０ｐＮ未満であってもよい。

【0021】

ある部品を隣接する部品の有効エッジに近接させるか又はそれを越えるように強制することで生じる作動抵抗（部品間のＮＣＦに打ち勝つためのエネルギーが必要）を、ある部品の別の部品に対する動きを制御するために採用可能である。

【0022】

本明細書で教示されるいくつかの機構では、１つの部品の位置がＮＣＦを介して別の部品の動きを制御可能又は制限可能であり、且つそれらの間のＮＣＦに変化を生じさせないよう、これらの部品を設計可能である（他の機構では、結果的に生ずる部品の動きは、部品間のＮＣＦの変化に対する最小固さ抵抗によって決まる場合があることに留意されたい）。これは、ＶＤＷニュートラル設計のもう一つの側面と考えることができる。例えば回転軸を中心とした対称性に起因して動きがＮＣＦの変化を引き起こさない機構とは対照的に、制御を採用する機構は、そのようなＶＤＷニュートラル設計の特徴を特に回避することができる。部品形状によってＶＤＷニュートラルになるよりもむしろ、ＶＤＷ相互作用が部品の制御と論理に使用される場合に、ＶＤＷニュートラル性を維持するために部品を強制的に動かすことが可能（又は動きを阻止可能）である。つまり、設計は依然としてＶＤＷニュートラルに行われる可能性はあるが、ＶＤＷニュートラル性を達成する方法は、部品の形状というよりもむしろ、１つ以上の他の部品に反応する１つ以上の部品の動き（これは一般的に、部品をエネルギー井戸の底に維持する）によるものであり得る。

【0023】

例えば、第１部品は、有効エッジで囲まれた活性面（即ち、ＮＣＦ引力の対象となる表面）を有するように形成可能である。このとき、活性面に引き付けられる係合要素を有する第２部品は、その可動範囲が第１部品のエッジによって制限されるが、なぜなら、エッジを越えて係合要素を動かすには、ＶＤＷ力の少なくとも一部に打ち勝つ必要があるからである（前述のように、「エッジ」とは、しばしば実際の境界に近い領域を指し、エッジが存在すると部品の間のＶＤＷに大きな影響を及ぼす）。このように、第１部品の位置が、第２部品の位置を制御したりその可動範囲を制限したりすることが可能である（このような力は双方向に働くため、逆もまた成り立つ）。

【0024】

例えば幾つかの場合、第１部品のエッジは、第２部品の動きを阻止するように配置され得る。幾つかの場合、第１部品のエッジは、第２部品の動きを引き起こすように配置され、効果的に第２部品は、ＶＤＷ引力を通して第１部品と一緒に引っ張られるように配置される。幾つかの場合、第１部品のエッジは、第２部品の自由な動きを制限するように配置され得る。幾つかのそのような場合、別の機構（即ち、クロック信号又は入力信号、典型的には「被駆動要素」の運動を介して加えられる）を介して第２部品に力が加えられると、第２部品は、それが自由に動ける場合には動く。しかし、第１部品が第２部品の動きを制限するように配置され、第１部品と第２部品の間で乗り越えなければならないＮＣＦが、例えばクロック信号や入力信号によって加えられる力よりも固い場合、第２部品は動かないことになる。このようにして、スイッチや論理回路を作製できる。多くの場合、第１部品は、非活性位置（第２部品の動きに影響を与えない）又は活性位置（第２部品の動きに影響を与える）のいずれかに選択的に配置可能である。同様に、多くの機構は、部品間のＮＣＦ相互作用により別の部品の動きに応じて１つの部品の動きが生じる活性動作状態と、別の部品の動きなしに１つの要素の動きが収容される非活性動作状態とに選択的に設定可能である。このような機構は、１つ以上の要素の自由な動きの制約を決定するために考慮することもでき、このような制約は、１つの要素の動きが、その動きが別の部品に伝達されることなく収容されることができるかどうかを決定する。部品の動きが被駆動要素の動きに応答するものである場合、そのような被駆動要素は、機構を構築するために以前に動かされた他の１つの入力に加えて、入力として考慮され得る。

【0025】

選択的に動きを伝達又は非伝達するこのような仕組みを用いる機構は、論理ゲート、メモリ構造、及び機械式又は電気機械式コンピューティングシステムの追加コンポーネントを提供するようにアレンジされることができ、そこでは１つ以上の出力値が１つ以上の入力値によって定義される。加算器、シフトレジスタなどの高次構造は、（電子論理ゲートを組み合わせて高次構造を形成する方法に類似した方法で）論理ゲートから形成可能であるか、又は、他の部品の位置に基づいて部品の動きを管理するためのＮＣＦ相互作用を使用して、１つ以上の入力値に基づいて１つ以上の出力値を得るための本明細書に教示されるパラダイムを用いてより直接に形成可能である。

【0026】

幾つかの場合、動くか動かないかではなくむしろ、何れにしても部品は動くが、他の部品とのＮＣＦ相互作用に応じて異なる動き方をする。例えば、上皿秤に似た機構は、２本のクロスバーの交点にロータリージョイントがあるだけの"Ｔ"形状をしていることがある。Ｔ字の縦棒を押し上げ、横棒の片側を固定化すると、縦棒の上昇に伴ってもう片側も上昇する。このようなバランス機構の片側又はもう片側を固定化することは、ＮＣＦ相互作用によって行うことができる。左側をＮＣＦで固定すると「Ｔ」が押し上げられると右側が上昇し、逆も成り立つ。この単純なメカニズムは、機械式ロジックやデータルーティングを含むデバイスの基礎として機能することができる。このような「ロック＆バランス」方式（ただし、部品間のＮＣＦ相互作用を介してよりもむしろ、機械式リンク及び／又はケーブルを介して実装される）を使用する論理及びコンピューティング機構の例は、米国特許１０，４８１，８６６、１０，６６４，２３３、１０，９４９，１６６、及び米国公開２０２１／０１４９６３０に教示されており、そのように組み込むことが適切な法域では、すべてが参照により本明細書に組み込まれている。上述したような動きあり／動きなしの場合と同様の方法で、このような動き制御は、論理ゲート、メモリセル、加算器、シフトレジスタなどの論理構造を構築するために採用され得るであろうし、そこでは１つ以上の出力値が１つ以上の入力値によって定義される。

【0027】

部品間のＶＤＷの強さについて述べる場合、ＮＣＦ曲線の形状にかかわらず、ＮＣＦの大きさ（文脈に応じて、距離で平均化され得る）を指すことに留意されたい。仕事＝力×距離であるため、仕事を計算する上で強さは重要である。一方、「固さ」は、距離に対するＶＤＷの大きさの変化を指す。言い換えると、ＮＣＦ曲線の傾きである。短い距離でＶＤＷの変化が大きければ、固い力ということである。同じＶＤＷの変化でも距離が長いものであれば、同じ量の仕事を要するが、それほど固くはない。これは重要な区別であり、なぜなら、２つの力が互いに対向する場合、最も強い力ではなく、むしろ最も固い力が優先されるからである。多くの機構では、機構の部品間でのＮＣＦの変化を最小にするための部品の動きは、ＮＣＦの固さの変化が最も小さくなるような動きである。

【0028】

エネルギー井戸の底（又は少なくとも井戸の下側）から始動した部品が、エネルギー井戸の上方に部分的に移動した場合、部品を井戸の下方に引き戻すように作用する復元力が生まれる。この挙動は、不要な仕事をする機構を避けるために本明細書では使用されないことが多いが、バネとして利用することも可能である。例えば、カーボンナノチューブが入れ子になっている場合、ＮＣＦはナノチューブを最大に重なる位置に引き寄せようとする。重なりがより少ない位置へとナノチューブの１つが引き寄せられると、ＮＣＦの引力により復元力が生じる。このようなバネは、機構の部品にバイアスを与えたり、柔軟な部品（グラフェンのリボンやテープなど）に張力を与えたり、同様の機能を持たせるために使用可能である。入れ子にしたＣＮＴは、一定力のバネを提供する方法の一例である。しかし、部品がエネルギー井戸を上るように強制される他の機構も、バネ効果を提供するために採用可能であろう。本明細書で教示する機構の多くでは、１つ以上の部品に対し利用可能な動きに制限を加えると、別の部品を押してＮＣＦエネルギー井戸に押し付けることになる。

【0029】

本明細書で述べる設計は、マイクロ及びナノスケールの機構においてファンデルワールスに起因する問題を回避するために特に有用なものであり、ＶＤＷはしばしば例示的な力として使用されるものの、同じ原理が組み込まれるが例えば電磁力又は静電力を採用する、より大規模な機構もまた有用であり得る。

【0030】

より大規模の機構は、少なくとも設計、訓練及び教育目的のために有用なものであり、そのような力がマイクロスケール及びナノスケールの機構においてどのように有利に扱われ得るかをより完全に理解することを容易にする。静電気や磁力などの力を用いるこのような大規模の機構は、従来の技術で容易に作製でき、複雑な観察装置を採用しなくても試験や分析が可能な機構を用いて、ＮＣＦの効果や使用方法を研究するのに有益である。ＶＤＷが言及される場合、そのような力が所定の機構に適切であろう場合、本明細書で既に言及されたような他の力もカバーするものと想定される。

【0031】

ここで提示する例では、部品表面のエッジについて話すことが多い。これは、教訓的に、隣接する部品の運動限界を示す明確な方法であるためである。しかし、ＮＣＦは典型的には固体材料を伝搬するため、平面の下にある構造が均一でない場合、均一な平面の中央でも力が変化する可能性がある。例えば、中央に穴の開いたダイヤモンドイド立方体を作り、その片面に立方体の面と同じ大きさのグラフェンシートを敷いたものと仮定すると、その面はグラフェンの張り板によって均一な立体に見える。しかし、近くの部品に対しては、均一な固体のようには作用しない。グラフェンは、ダイヤモンドと重なっている部分ではＮＣＦが高くなり、穴と重なっている部分では力が弱くなる。これは、部品がグラフェンを含まないモノリシックなダイヤモンドであったとしても同じことが言えるだろう。例えば、立方体の穴が表面まで伸張せず、表面から１単位セル離れたところで止まっている場合を考えてみる。表面は均一に見える。しかし、表面における幾つかの部位の下側にはダイヤモンドが多く存在し、表面における別の部位の下側には空洞が存在する。それに応じて、ＶＤＷも異なる。このような概念は、磁場を使って簡単に説明できる。例として、紙、木、プラスチックなどの下に磁石を置き、その上に磁性部品を置くと、明らかに、少なくとも材料の厚みに対して十分な強度を持つ磁石では、磁性部品は磁界の影響を受けることがわかる。実際、磁石が十分に強力であれば、介在するシートや層は鉄系金属であることさえある。したがって、部品表面にある物理的なエッジは、典型的には境界として機能する必要はない。むしろ、多くの場合、重要なのは、力が所望のとおりに変化することであり、エッジはこれを達成する便利な方法であるが、所望の機能を提供するためにＮＣＦを管理するための他の技術が本明細書の教示から構築可能である。

【0032】

本明細書ではＮＣＦ引力に着目しているが、その原理は反発力にも拡張されることが明らかであり、そのような反発力は、電磁力又は静電気力によって達成されるようなものであり、且つ大きなＶＤＷを受けるのに十分に小さな機構において気体又は液体の適切な組み合わせで模倣されるようなものである。真空以外で部品が分離された場合、ＶＤＷが部品間の反発力をもたらす能力は確立されている。Ｐｉｔａｅｖｓｋｉｉ， Ｌ． （２０１０）． "Ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｄｉａ．"（ＵＲＬ： ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１０１１．５５９１．ｐｄｆ）を参照されたい。

【0033】

図１Ａ～図１Ｄは、部品が動く際にＮＣＦが大きく変化するのを回避するように部品を構成する方法の一例を示す。この場合、図１Ａ及び図１Ｂに示す先行技術のヒンジ１００は第１部品１０２及び第２部品１０４を有し、これらはピボットジョイント１０６で共に接続されてピボット運動可能である。各部品（１０２、１０４）は、ピボットジョイント１０６を囲むベース部分１０８と、ピボットジョイント１０６から間隔を隔てた遠位部分１１０を有する。このような部品（１０２、１０４）は、低エネルギー計算能力を提供するための米国特許１０，４８１，８６６号及び関連登録特許／関連特許出願に教示されているような、機械式リンクロジック機構の構成要素であり得る。部品（１０２、１０４）が互いに関してピボット運動すると、遠位部分１１０の間の間隔Ｓが変化する。部品（１０２、１０４）が十分に小さい場合、ファンデルワールス引力は十分な大きさを有し、その十分な大きさは部品（１０２、１０４）の動きに対する抵抗を生じ得る大きさであり、その抵抗はヒンジ１００を図１Ａに示す位置から図１Ｂに示す位置に戻すために遠位部分１１０を一緒に引っ張るようなものである。部品（１０２、１０４）を関連させて動かすときにそのような抵抗に打ち勝つのに要する消費エネルギーは、省エネルギー消費で計算能力を提供するためにリンク及びピボットジョイントを使用する幾つかの利点を無効にし得る。

【0034】

ＮＣＦのそのような変化を著しく低減するために、図１Ｃ及び図１Ｄは、再び、ピボットジョイント１２６でピボット運動可能に接続された第１部品１２２及び第２部品１２４を有するヒンジ１２０を図示する。しかしヒンジ１２０では、部品１２２のベース部分１２８が伸張した円形パッド１２８として形成されており、その結果、部品（１２２、１２４）の遠位部分１３０は、ファンデルワールスの変化がデバイス操作に重要でない程の量に減少するように、ピボットジョイント１２６から十分に遠くに離間される。図１Ｄに示すように、部品が互いに対して最小角度にピボット運動される場合でさえ、遠位領域１３０間の最小間隔Ｓは、ＶＤＷ引力が僅かとなる程度に十分に大きい。パッド１２８はピボットジョイント１２６の近傍で部品１２４に対称面を提供するので、距離変化はピボットジョイント１２６から離れて、ＮＣＦ引力が大幅に減少するのに十分な大きさの分離がある位置へと効果的に移動させられる。

【0035】

図１Ｅ～図１Ｊは、ＮＣＦの変化を生じさせることなく互いに関連して可動である部品の例を示している。図１Ｅにおいて、第１部品１３０は、第２部品１３２に対して動く。図示の第１部品１３０は長方形であり、したがって、Ｘ軸１３４又はＹ軸１３６のいずれかに沿って連続したプロファイルを有する。しかし、第２部品１３２は台形である。第１部品１３０がＹ軸１３６に沿って動く場合、第２部品１３２に重なる領域１３８（第２部品１３２に接触又は近接）は形状を変えず（この動き方向は、一定のプロファイルを有する第１部品１３０の軸に沿っているので）、部品（１３０、１３２）間の力は（第１部品１３０の端が第２部品１３２に近接するほど遠くまで第１部品１３０が動かない限りは）変化しない。しかし、第１部品１３０がＸ軸１３４に沿って動かされる場合、第２部品１３２の形状が一定ではない軸に沿った動きであるため、重複領域１３８が変化する。第１部品１３０がマイナスＸ方向に後退して左側に移動するにつれて重複領域は小さくなり、プラスＸ方向に前進して右側に移動するにつれて大きくなる。この場合、部品（１３０、１３２）間のＮＣＦは重複領域１３８の変化に伴って変化するので、その変化する力に打ち勝つための仕事が必要となる。行われる仕事が負になることもあるが、これは、部品が位置エネルギーの変化を保存して戻すシステムに結合されていない限り、例えば往復運動システムにおけるエネルギーの浪費の問題を解決しない。このようなシステムは、カウンターバランス（反力やバネを含む）のように確かに実現可能であるが、機構の複雑さが増す。

【0036】

これに対して、図１Ｆ及び図１Ｇは、外形が長方形の第２部品１４０を採用する場合を示している。図１Ｆでは、部品（１３０、１４０）は直交配置され、Ｘ軸１３４又はＹ軸１３６のいずれかに沿った動きは、部品形状が一定である軸上で一方の部品（１３０、１４０）を他方の部品と関連させて単に動かすので、重なり領域１４２には変化が生じない。図１Ｇは同様のケースを示すが、部品（１３０、１４０）が互いに関して、また軸（１３４、１３６）に対して傾いている場合である。しかしながら、軸（１３４、１３６）に沿った動きが部品（１３０、１４０）とは整列していないにもかかわらず、部品（１３０、１４０）のプロファイル変化は大きさではなく位置のみが変化し、重複領域１４４は部品が移動すると再び一定となり、部品が軸（１３４、１３６）に沿って並進すると再びＮＣＦは一定となる。

【0037】

図１Ｈは、第１部品１４６が第２部品１４０に沿って転がりながら移動する場合を示しており、転がり部品がその回転軸の周りに対称であると仮定すると、並進運動に加えて、動きを引き起こす回転運動（並進運動滑りの有無にかかわらずあり得る）も力の実質的変化なしに行うことができることを説明するものである。

【0038】

図１Ｉは、より実用的な用途を模式的に示しており、互いに平行に伸張する脚部（１５４、１５６）を有する第１部品１５０と第２部品１５２である。このような平行部品は、機構に対する入力又は出力として使用され得るであろう。第１部品脚１５４は第２部品脚１５６よりかなり長く、脚（１５４、１５６）の方向へと互いに関連させて部品を並進運動させても、横断する距離が十分に短くて第２部品脚１５６が第１部品脚１５４の端に接近しない場合には、ＮＣＦは実質的に変化しない。図１Ｊは、異なるアプローチを示しており、部品１７０及び１７２は、長さが等しい脚部（１７４、１７６）を有し、何れかの部品（１７０、１７２）が他方の部品と関連してする動きは、重なりが減少する位置へと脚部（１７４、１７６）を動かす。真空中（一例であり、同様の効果は多くの流体環境でも起こり得る）では、このような重なりの減少は、部品（１７０、１７２）を最大重なり位置まで引き寄せるＮＣＦ引力に抗してそれらの部品を動かすことが必要となるだろう。しかしながら、この場合、その部品（１７０、１７２）は流体１８０で満たされた密閉環境１７８に存在しており、流体１８０は部品（１７０、１７２）が互いに有するものよりも大きな引力を有し、脚（１７４、１７６）の間の流体圧力が重なりの変化を相殺する。流体１７０は、脚部（１７４、１７６）の重なりの変化に起因するＮＣＦの変化を低減するが、流体内で部品（１７０、１７２）を動かすことによって生じる摩擦／抗力を犠牲にしてそうなっている可能性があることに、留意しなければならない。しかし、流体の使用は他の利点を提供し得るものであり、例えば真空中で機構を動作させるのに比べて機構からの熱伝達を容易にするなどの利点である。

【0039】

図２Ａ及び図２Ｂは機構２００を示し、機構の部品が互いに関連して動く際にＮＣＦの実質的変化を回避するための伸張接触面の使用の一例を示す。機構２００は、被駆動要素２０４と出力２０６との間に介在する位置（入力値（０，０）について図２Ａ参照）から離すように力伝達要素２０２を変位させるためにＮＣＦに打ち勝つ必要性を回避しながら、被駆動要素２０４から出力２０６に動きを伝達するように、ＮＯＲロジック関数を提供可能である。力伝達要素２０２は、それが被駆動要素２０４の運動伝達のために介在しない多数の位置に変位可能である（入力値（０、１）について図２Ｂ参照；これらは、出力２０６を動かすことなく被駆動要素２０４の運動を収容することができるので、運動収容位置とみなし得る）。力伝達要素２０２の位置は、２つの入力２０８によって決定され、各入力は、力伝達要素２０２が取り付けられているヒンジ２１０の一方の側を動かすように作用する。力伝達要素２０２がその運動伝達位置へと動いたりそこから離脱したりする際にＮＣＦが変化するのを避けるために、被駆動要素２０４及び出力２０６にはトラック要素２１２が設けられている。ガイド２１４内での被駆動要素２０４及び出力２０６の回転により、入力２０８の一方又は両方が変位したときに、入力（複数可）２０８の何れが動かされたかにかかわらず、可動体２０２の動作経路に沿ってトラック要素２１２が差し向けられる。トラック要素２１２は力伝達要素２０２の運動経路に沿ってのびるので、力伝達要素２０２とトラック要素２１２との間のＮＣＦは一定に保たれる。これにより、被駆動要素２０４及び出力２０６から力伝達要素２０２を引き離すためにＮＣＦの力に打ち勝たなければならない、という状況を回避できる。

【0040】

本開示の図面は、例示のために要素の物理的エッジを示しているが、ＮＣＦは、有効エッジを提供する基礎構造がある場合、実際のエッジではなく、表面の有効エッジに反応し得る。例として、図３Ａ～図３Ｃはリンク体３００を例示しており、第１部品３０２及び第２部品３０４が相互作用し、第１部品３０２が連続表面３０６で形成されるが、図３Ａの部分分解図に示すように、表面３０６のわずかに下に位置する不連続部３０８を有する。不連続部３０８はエッジ３１０によって境界付けられており、エッジ３１０は、上に重なった表面３０６が連続的であるにもかかわらず、第１部品３０２の周辺領域と比較して減少したＮＣＦをもたらし、有効なエッジを提供する。第２部品３０４は係合要素として機能するピン３１２を有し、この構成では、図３Ｂに示すように、ＮＣＦを変えることなく不連続部３０８のエッジ３１０に平行に移動可能であるが、図３Ｃに示すようにエッジ３１０に対して動くと、幾らかのＮＣＦに打ち勝つ必要があり、したがって、かかる抵抗の固さが、ピン３１２をエッジ３１０に対抗して又はこれを越えて押し出そうとする動力よりも大きい場合には、その動きが阻止され得る。図３Ｂ及び図３Ｃは、動きに対するエッジの効果を論じる場合に、動きの方向に関連するエッジの位置がエッジの効果を決定することを示す。

【0041】

図３Ｄは、有効なエッジを提供するための１つの代替アプローチを採用するリンク体３５０を示す。リンク体３５０は第１部品３５２を備え、第１部品３５２は第１材料３５４で構成され第２材料３５６の挿入領域が設けられる。これらの材料（３５４、３５６）は、著しく異なる原子分極率を有するように選択され、したがって、ＶＤＷ引力の程度も異なる。例として、第１材料３５４はシリコンのブロック（原子分極率３７．３±７）とし得るであろうし、第２材料３５６は炭素のブロック（ダイヤモンド又はロンズデーライト）（原子分極率１１．３±２）とし得るであろう。第２材料３５６は、著しく低い原子分極率を有し、ピン３１２に対してはるかに弱いＶＤＷ引力を及ぼし、したがって、材料（３５４、３５６）間の境界によって形成された有効エッジ３５８を越えてピン３１２を押すことは、ピン３１２を引力が減少する位置へと動かす必要があるので、ピン３１２をエネルギー井戸の上側に動かすことが必要となる。

【0042】

幾つかの状況では、ある位置ではＮＣＦを大きく変化させることなく第２部品の動きを収容できるが異なる位置ではそのような動きを阻止又は方向転換するように、第２部品に関連して位置決めされることが可能な第１部品を採用することが有益な場合がある。このような機構は、典型的には１つ以上の入力に応答して、機構の利用可能な自由運動に制約を設けると考えることができ、このような制約は、効果（ＮＣＦエネルギー井戸を乗り越える必要があり、したがって動きを潜在的に阻止するか或いは動きを１つ以上の追加の要素に伝えるなど）を引き起こすことなく要素の運動を収容可能かどうかを決定する。このような条件付き動作の１つの応用例として、機械式コンピューティング用途のロックがあり、第１部品は、第２部品の動きを阻止するか又は阻止しないように配置される。このようなロックは、Ｄｒｅｘｌｅｒによって教示されたロッドロジック及び米国特許第１０，４８１，８６６号、第１０，６６４，２３３号、第１０，９４９，１６６号、及び米国公開第２０２１／０１４９６３０号に示されたケーブルロジックに見られるが、しかしながらナノスケールのアプリケーションで実装する場合、そのようなロックは、阻止要素を引き離すべくＶＤＷ引力に打ち勝つために大きなエネルギーを要することがある。

【0043】

図４Ａ及び図４ＢはＮＣＦロックとして機能する機構４００の一例を示しており、ＮＣＦロックは要素を接触状態に保持するものであり、動きの阻止を解除するために要素を引き離す必要がないので摩耗及びエネルギー散逸が低減される。図示の機構４００は、第１部品４０２と第２部品４０４の間で作動する。第１部品４０２は、切り抜き４０８（これが有効エッジを有する有効面を提供する）を有する板４０６を備えており、第２部品４０４は、係合要素として機能する引力要素４１０を備えている（板と引力要素との位置を逆にし、板を第２部品にして引力要素を第１部品にすることができることを理解されたい）。より大規模なデバイスの場合、板４０６を強磁性材料で形成可能であり、引力要素４１０を磁石により提供可能である。ロックが分子スケールのものである場合、板４０６及び引力要素４１０は、磁気、静電気力、ＶＤＷ、又は本明細書で議論するような他の適切なＮＣＦを介して機能し得る。相対的な力によっては、引力要素４１０は、板４０６と接触し得るであろうし、或いは単に板４０６に対して間隔を置いて近接し得るであろう。図４Ａに示すように第１部品４０２がアンロック位置にあるとき、板４０６が第２部品４０４に対して位置決めされて、板４０６において切り抜き４０８を有しない部位に並ぶように引力要素４１０が配置される。そのような位置では、（機械式クロック信号に応答するような形で）第２部品４０４を動かすと、単に引力要素４１０が板に沿って動きし、それらの間のＮＣＦは一定のままなので、（板４０６と引力要素４１０とが接触している場合には）第２部品４０４の動きに対する唯一の抵抗は摩擦によって生じる。これは、第１部品４０２の「非活性位置」、又は機構４００の「非活性動作状態」若しくは「動作収容形態」と考えることができる。対照的に、第１部品４０２がそのロック位置にあるとき（図４Ｂ参照）、第２部品４０４の動きが切り抜き４０８で形成されたエッジに隣接して引力要素４１０を動かすように、板４０６を位置決めする。切り抜き４０８には引力がないので、第２部品４０４のそのような動きは、引力要素がエッジに接触し且つエッジを越えるように動かすために引力要素４１０と板４０６との間のＮＣＦに打ち勝つ仕事を必要とし、したがって、この位置にある第１部品４０２は第２部品４０４の動きに対して抵抗力を生じさせる。第２部品４０４に加えられる駆動力が、抵抗力よりもより低い固さである場合、第２部品４０４は、動かないように効果的に阻止される。これは、第１部品４０２の「活性位置」、又は機構４００の「活性動作状態」若しくは「動作阻止形態」と考えることができる。板４０６は、第１部品４０２の位置（これはデータ入力と考えられ得る）に基づいて、第２部品４０４の許容運動を決定する制御素子と考えられ得る。部品（４０２、４０４）の機能は逆にもなり得ることに留意する必要がある。第１部品４０２が図４Ａに示す下方位置にあるときに第２部品４０４を右方向に動かすと、第１部品４０２の上方への動きを阻止する位置に引力要素４１０が置かれることとなり、このような動きは、切り抜き４０８を引力要素４０４に抗して動かすことになるだろう。切り抜き４０８の有するエッジが、被駆動要素４０４の動きの経路に垂直であることも注目される（Ｘ軸４１２によって表される）。図４Ｂに示されるように、第１部品４０２が持ち上げられると、被駆動要素４０４を動かそうとして加えられる力は、切り抜き４０８のエッジに垂直に向けられ、第１部品４０２を動かすように作用するであろう力の垂直成分（Ｙ軸４１４に沿って並進）を一切生じない。これとは対照的に、もし仮に切り抜き４０８のエッジが傾斜していた場合、そのような傾斜は、第１部品４０２において垂直方向の力を発生させるランプ又はカムとして作用する傾向があるだろう（傾斜エッジから生じるそのようなランプ又はカム作用の例は、図１１Ａ～１２Ｆで後述する）。

【0044】

ロック機構４００は平面板４０２を採用しているが、代替の構成も採用可能である。特に有用な形状の１つは、例えば、ＣＮＴ、ダイヤモンドロッド又は類似の円筒形要素を採用することができるナノスケールの機構に対して、円筒形要素を採用することである。多くの場合、平面要素を有する機構は、軸を中心に転がして円筒を形成する１つ以上の類似の要素を採用するように変形可能であり、円筒要素を有する機構は、平面要素を提供するために１つ以上の円筒要素を平坦化することで変形可能である。また、球形、プリズム形などの他の形状も、特定の用途に合うように採用することができる。そのような変形の一例として、図４Ｃは、機構４００と機能的に類似しているが、第１部品４０２'が切り抜き４０８'を有するシリンダ４０６'で形成されている機構４００'を示している。その機能は機構４００と本質的に同様であるが、ただし、第１部品４０２'が、切り抜き４０８'を第２部品４０４に関連して動かすために並進運動するのではなく、Ｘ軸４１２を中心に回転することが異なる。図４Ｄは機構４００''を示し、第１部品４０２''が再び切り抜き４０８''を有するシリンダ４０６''を有する。しかし、この場合、シリンダ４０６''はＸ軸４１２ではなくＹ軸４１４に関して対称であり、第１部品４０２''の動きはＹ軸４１４を中心とする回転である（第２部品４０４が動かされるときに引力要素４１０とシリンダ４０６''の間の距離を変える影響を低減するために、シリンダを図示よりも大きな直径で作製し得ることに留意されたい）。この場合、第２部品４０４を動かすために加えられる力は、シリンダ４０６''の接線方向に加えられ、したがって、第１部品４０２''の回転運動と同じ方向に作用する。この場合、第２部品４０４の動きに対する効果的な阻止機能を第１部品４０２''が提供可能となるために、第１部品４０２''に何らかの力が加わっていなければならず、第２部品４０４を後方に動かすように作用するそのような力を防ぐために、第１部品４０２''及び／又は第２部品４０４の動きを制限する追加の構造が必要であり得る。このような「後退」力は、複数の機構を採用するシステムにおいて蓄積される可能性があり、したがって、このような力を回避するように、及び／又は複数の機構にわたるその伝播を阻止するように機構を設計することが頻繁に望まれる。阻止要素の利用可能な動きとそれらが阻止している動きとが垂直になるように阻止要素を配置することは、そのような力を回避するための１つの一般的なアプローチである。

【0045】

図４Ｅは、ロック機構４００と同様に動作するロック機構４３０を示すが、第１部品４３２が、その上に取り付けられた板４３４の位置を変えるために、並進運動するのではなく回転し、再び第２部品４０４の後退力に晒され得る。板４３４は切り抜き４３６を有しており、切り抜き４３６は、引力要素４１０の運動経路に入らないか（仮想線参照）又は当該運動経路に入る（図参照）ように配置される。しかしながら、第２部品４０４が動く方向は第１部品４３２の回転に対して接線方向であるため、第２部品４０４の動きを阻止するために第１部品４３２に加えられる何らかの反力が必要となり、そのような力は第２部品４０４に印加される後退力をもたらすことがある。示された特定のタイプの機構においてそのような後退力を防止するための１つのアプローチは、第２部品４０４の動きがもはや接線方向を向かないように、構成部品を再配置することである。図４Ｆは機構４３０'を示し、ここでは、第２部品４０４の動きが第１部品４３０'の回転する軸４３８を通じて導かれるように、板４３４'を有する第１部品４３２'が第２部品４０４と関連して位置決めされるようになっている。引力要素４１０により第１部品４３２'に加わる力が、第１部品４３２'にトルクを発生させるような偏心した力を生じさせないように、切り抜き４３６'が構成されている。

【0046】

図４Ｇは、上記のロックの選択的阻止機能を利用したより複雑な構造の一例であるテープ機構４５０を示す。このような機構は、Ｄｒｅｘｌｅｒによって教示されたロッドロジックと同様に機能し、ロジック、メモリ及び同様のアプリケーションに使用され得る。テープ機構４５０は、一連の垂直テープ４５２、４５４、及び４５６と、一連の水平テープ４５８、４６０、及び４６２を有する。垂直テープ（４５２、４５４、４５６）にはそれぞれ垂直テープギャップ４６４が設けられ、水平テープ（４５８、４６０、４６２）には水平テープギャップ４６６が設けられる。ナノスケールの機構の場合、当該テープはグラフェンで形成され得る。

【0047】

図４Ｇは、垂直テープ（４５２、４５４、４５６）の非変位位置を示し、そこから１つ以上のテープが下方に変位し得る（どの一連のテープが他のテープの動きを阻止する役割を果たすか、及びそれらが変位する方向は、具体的な用途に依存しており、ここでは説明の目的のために方向を任意に選択している）。非変位時には、垂直テープ（４５２、４５４、４５６）は、それらのギャップ４６４が水平テープ４６０、４６２の水平テープギャップ４６６と整列するように配置される。水平テープ４６０又は４６２のいずれかの動きは、テープのギャップ（４６４、４６６）が整列する前に、そのギャップ４６６を垂直テープ（４５２、４５４、４５６）の僅かな太さの向こうにのみ動かすように働き、そこで水平テープ（４６０、４６２）の更なる動きは垂直テープ（４５２、４５４、４５６）の残りの太さによって阻止されるであろう。図示の特定の構成では、垂直テープ４５４が変位しない場合に最上部の水平テープ４５８の動きが阻止されるが、これは、垂直テープ４５４の持つオフセット垂直テープギャップ４６４'が、テープ４５４が下方に変位した場合にのみ、対応するギャップ４６６'と並んで整列するからである。もし仮にテープ４５４がそのように変位した場合、その残りのギャップ４６４はもはやテープ４６０、４６２のギャップ４６６とは整列せず、それ故に、垂直テープ４５４における中身のある部位を越えてギャップ４６６を動かすにはかなりのＶＤＷエネルギー障壁に打ち勝つ必要があるので、テープ４５４はこの場合にはこれらのテープの動きを阻止するであろうことに留意されたい。このように、垂直及び／又は水平テープのギャップは、特定の垂直テープの変位を異なった組み合わせで用いて動きの阻止を所望に選択できるように構成可能である。垂直テープ４５６には代替ギャップ４６４''が図示されていて、これは、垂直テープ４５６の変位位置又は非変位位置の何れにおいても水平テープ４６０の動きを阻止しないように大きく設けられている。

【0048】

図５Ａ及び図５ＢはＮＯＲゲート機構５００を例示する断面図であり、ＮＯＲゲート機構５００は、エッジを選択的に位置決めする効果を利用して、エッジによって囲まれた表面に引き寄せられる要素の相対運動を妨げたり妨げなかったりする論理機構の一例を提供する。ゲート５００は、ＮＣＦを介して接続要素５０６と相互作用する入力５０２及び５０４を有する。図示されたゲート５００では、引力は磁気である。しかしながら、分子スケールのゲートでは、ファンデルワールス、又は他の任意の適切な非結合力が採用され得るとともに、いくつかのスケールでは静電気力が採用され得るであろう（図５Ｃ及び図５ＤはＶＤＷ引力が採用されたナノスケールのゲートを示す）。入力（５０２、５０４）は、各々、磁石５０８（引力要素として機能する）を備え、接続要素５０６は、強磁性金属などの磁気的に引きつけられる材料から形成され、エッジ５１２によって囲まれた凸部５１０（活性面を提供）を有する。各入力（５０２、５０４）が退いている（典型的には０を表す）とき、その磁石５０８は、それらの間のＮＣＦが実質的に生じないように凸部５１０から距離を置いて位置し（図５Ａ参照）、凸部５１０が磁石５０８からさらに離れる方向に動くことができる（これはその入力に対する非活性位置とみなすことが可能）。被駆動要素５１４は、接続要素５０６内でスライドするとともに、１つ以上の磁石５１６を備えており、磁石５１６は突出部５１０の内面（又は接続要素５０６上の他の構造）に引き付けられるように配置される。接続要素５０６が動きの抵抗を受けない限りは、機械式クロック信号などにより被駆動要素５１４が変位したときに、磁石５１６の接続要素５０６への引力によって被駆動要素５１４と一緒に接続要素５０６も動かされる（図５Ａの仮想線参照）。出力５１８は、接続要素５０６に取り付けられ、典型的には、変位していないときに０の出力値を符号化し、変位したときに１の値を符号化すると考えられる。

【0049】

入力（５０２、５０４）の何れか又は両方が伸長（"活性"）位置に進められると（典型的には１の入力値を表す）、その磁石５０８は、凸部５１０と並んでエッジ５１２に近接して配置される（入力５０４に関して図５Ｂ参照）。この位置は接続要素５０６の動きに対してインピーダンスを作り出すが、何故なら、そのような動きが、磁石５０８をエッジ５１２に関連して動かすために磁石５０８と凸部５１０との間の引力に打ち勝つことを必要とするからである（ただし、この場合には、磁石５０８が所定の位置に留まる一方で、エッジ５１２が動くであろう）。所望の論理機能を提供するために、磁石５０８及び５１６の相対的な強さは、突出部５１０と並んで配置されたときの磁石５０８の何れかの引力が、接続要素５０６に対する磁石５１６の集合的な引力より強くなるように選択される。当該強さがそのように選択されると、入力（５０２、５０４）の何れもが伸長していない場合（即ち、入力が両方とも非活性位置にある場合）には、接続要素５０６は被駆動要素５１４と共に動くだけである。入力（５０２、５０４）の一方又は両方が伸長している場合（即ち活性位置にある場合）には、そのような伸長により磁石５０８の一方が凸部５１０と並べて配置され、より大きな引力によって、接続要素５０６が被駆動要素５１４とともに動くことが抑制される（即ち、運動に対するインピーダンスが接続要素５０６を動かそうとする力よりも大きく、運動への抵抗力が運動を強制する力よりも固い）。これらは、出力５１８を動かすことなく被駆動要素５１４を動かせるかどうかを決定するので、入力（５０２、５０４）の運動収容位置とみなすことが可能である。接続要素５０６は制御要素であるとみなすことが可能であり、当該制御要素は、２つの入力（５０２、５０４）の位置に基づいて、被駆動要素５１４（別の入力とみなすことが可能）の動きを出力５１８に選択的に伝達する。出力５１８が接続要素５０６に固定されている場合、ゲート５００は４つの可動部品を必要とするだけである。機構５００は２入力ＮＯＲロジック関数を提供するように構成されているが、同様の機構を、ロックとして機能するように単一入力を用いて形成したり、多入力ＮＯＲゲートを提供するために追加入力（放射状に配置する等）を用いて形成したりすることが可能であろう。もし仮に、両方の入力（５０２、５０４）が変位した場合にのみ接続要素の動きが阻止されるように磁石（５０８、５１６）の相対的な強さを選択した場合、出力５１８の応答はＮＡＮＤ関数となるであろう。

【0050】

図５Ｃ及び図５Ｄは、ゲート機構５００と同様に動作する分子スケールＮＯＲゲート機構５５０の一例を示し、被駆動要素５５４に応答する出力５５２の動きを選択的に抑制するために引力ＮＣＦを採用する。しかしながら、この例では、ＮＣＦは構成部品間のファンデルワールス引力によって与えられる。図示された特定の例では、出力５５２は、１５－１５及び２０－２０カーボンナノチューブの組み合わせから形成され、出力拡大部５５６（２０－２０ＣＮＴ）を有する略管状（１５－１５ＣＮＴ）に形成されており、その一方で、被駆動要素５５４は、５－５及び１０－１０カーボンナノチューブの組み合わせから形成され、２つの被駆動要素狭窄部５５８（５－５ＣＮＴ）を持つ略筒状（１０－１０ＣＮＴ）を有し、この２つの被駆動要素狭窄部５５８に挟まれることで被駆動要素拡大部５６０が規定される。両構成要素（５５２、５５４）におけるサイズ間の接合は、カーボンナノチューブの構造を変更するために当技術分野で知られている方法で、炭素原子の他の六角形の配列に五角形及び七角形を挿入することによって形成可能である。出力５５２に対する被駆動要素拡大部５６０のＶＤＷ引力は、出力拡大部５５６において有効エッジを作り出すが、これは、被駆動要素拡大部５６０が出力拡大部５５６の中に動くためには被駆動要素拡大部と出力５５２との間の引力に打ち勝つ必要があり、出力拡大部５５６が被駆動要素拡大部５６０からさらに離れていてあまり引力を発揮していないからである。もし仮に、出力５５２の動きへの抵抗が無い場合、出力５５２は、変位時に被駆動要素５５４と共に動き（そのような動きは典型的には１の出力値を示し、動きがないことは０の出力値を示す）、被駆動要素拡大部５６０と出力５５２の間のＶＤＷ引力に打ち勝つための必要な仕事を生じないようにする。

【0051】

２つの入力５６２が設けられ、これらは被駆動要素５５４と同様に５－５及び１０－１０カーボンナノチューブで形成されている。各入力５６２は入力拡大部５６４（１０－１０ＣＮＴ）で形成され、入力５６２の何れかを動かす（典型的には１の入力値を示すような変位）と、その入力５６２の入力拡大部５６４を出力拡大部５５６と並べるように作用する（上側の入力５６２について図５Ｄ参照）。拡大部（５５６、５６０、５６４）の構成は、入力５６２の一方又は両方がその入力拡大部５６４を出力拡大部５５６に直接対向させて配置されるときに、それらの間の引力が被駆動要素拡大部５６０と出力５５２との間の引力よりも固い変位抵抗を生み出し、その大きな抵抗が、被駆動要素５５４の動作時に出力５５２を所定の位置（出力値０）に拘束するように作用するようなものとすることができる。そのように拘束されない場合、被駆動要素５５４と出力５５２との間の引力は、出力５５２の変位時（出力値１）に被駆動要素５５４とともに出力５５２を動かす。この例に係るエッジ抑制の効果は、いずれかの要素に明確なエッジがなくても有効であることに留意されたい。拡大部（５５６、５６０、５６４）の何れもが、有効エッジを有する活性面を提供するとともに、そのような活性面と相互作用する係合要素としても機能するが、このような特徴を定義するために選択された基準枠に依存している。この例では単一の拡大部が採用されているが、一致した間隔を有する要素上の複数の拡大部が採用され得るとともに、これにより被駆動要素が出力に関連する１つ以上の安定位置を持つようになる。この例では２つの入力が採用されているが、単一の入力を採用する同様のデバイスにより図４Ａ～図４Ｆに示す機構（４００、４００'、４００''、４３０、４３０'）と同様のロック機能が提供され得るであろうし、或いは複数の入力が採用され得るであろう（出力の周りに放射状配置する等）。

【0052】

図６Ａ～図６Ｆは、エッジに引き寄せられる要素に対してのエッジの整列又は不整列に基づいて、被駆動要素の運動収容又はその運動妨害をするようにエッジを配置可能な機構を示す。図示された例では２つの入力が提供され、各入力は、被駆動要素の運動を収容するか妨害するかの何れかである。図６Ａ～図６Ｃは、円筒形の入力６０２及び６０４を有するロジック機構６００を例示しており、入力６０２及び６０４は並進運動ではなく回転によって位置決めされる。各入力（６０２、６０４）は、伸長した入力タブ６０６、６０８を有する。被駆動タブ６１２を持つ円筒形の被駆動要素６１０が入力（６０２、６０４）の間に配置され、各入力は被駆動要素６１０に対して回転可能である。入力（６０２、６０４）及び被駆動要素は、カーボンナノチューブから形成され得るであろう。入力（６０２、６０４）は、図６Ａ及び図６Ｂのように、入力タブ（６０６、６０８）が被駆動要素６１０の被駆動タブ６１２と整列するような角度で配置可能である。この配置は、各入力（６０２、６０４）の非変位位置又は非活性位置として指定され得るであろうし、入力値（０、０）を表す。このように配置されると、被駆動要素６１０の並進変位は、入力タブ（６０６、６０８）に沿って何れのエッジにも遭遇することなく被駆動タブ６１２を単にスライドさせるものとなり、引力の変化に打ち勝つ必要が生じないので、図６Ａの初期位置から図６Ｂの変位位置まで、被駆動要素６１０が自由に変位可能となる。入力は、活性面とみなすことが可能であり、被駆動タブ６１２は、このような活性面の各々と相互作用する係合要素とみなすことが可能である。被駆動要素６１０には、出力が取り付けられ得るであろう。

【0053】

図６Ｃは、入力６０４が回転して入力タブ６０８と被駆動タブ６１２の位置がずれたときの機構６００を示し、入力値（０、１）に対応する。この位置では、被駆動要素６１０の並進運動のためには、入力６０４のエッジ６１４を越えて被駆動タブ６１２を押すために引力に打ち勝つことが必要となり、その引力は被駆動要素６１０の並進運動に対して抵抗となる。これは、入力タブ６０８の活性位置と考えることができる。被駆動要素６１０の駆動力がこの抵抗力よりも、より低い固さである場合、被駆動要素６１０は変位しないように阻止される。入力６０２が変位してその入力タブ６０６と被駆動タブ６１２との位置がずれた場合にも、同様の阻止効果が発生する。両方の入力（６０２、６０４）が非変位である場合にのみ、被駆動要素６１０は変位する。要素（６０２、６０４、６１０）の非変位位置と変位位置とに０と１のそれぞれの出力値が割り当てられると、力が加えられたときの被駆動要素６１０の応答は、入力（６０２、６０４）のＮＯＲ論理関数を与える。このような応答は、被駆動要素６１０に取り付けられるか又は被駆動要素６１０の変位時にこれにより動かされる出力によって、符号化することが可能であろう。これに代えて、被駆動要素６１０によって入力（６０２、６０４）が変位させられた場合に入力（６０２、６０４）によって出力が並進運動するように、機構６００が他の要素に接続されることも可能である。この場合、入力タブ（６０６、６０８）各々は、被駆動タブ６１２と整列可能となるか（従って非活性動作状態となり、被駆動要素６１０が変位しても、その入力タブに対応付けられた出力には伝達されない）、又はこれと不整列となる（従って活性動作状態となり、被駆動要素６１０が変位すると、非整合タブに対応付けられた出力も変位する）かのいずれかである。事実上、入力タブ（６０６、６０８）の各々の外形は、図４Ｃに示すロック機構４００''におけるシリンダ４０６''及び切り抜き４０８''と同様の機能を提供し、（第２部品４０４と類似の）被駆動要素６１０の動きを収容するか又は収容しないかの何れかの役割をする。

【0054】

図６Ｄ～図６Ｆはロジック機構６５０を示す図であり、図６Ａ～図６Ｃに示されたものと同様に動作するが、より大規模な機構で選択的阻止機能を提供するために、磁石及び強磁性材料を採用して構成要素間にＮＣＦを提供する。機構６５０は再び２つの入力６５２及び６５４を有し、各々の入力は伸長タブ（６５６、６５８）を有し、当該タブ（６５６、６５８）の角度位置は被駆動要素６６０に対する回転によって決定されるものであり、被駆動要素６６０は、入力（６５２、６５４）の間に同心に存在し、それに対して並進的に変位することができる。図６Ｄに示すように、この場合の被駆動要素６６０は一組の引力要素６６２を有しており、各引力要素６６２は、タブ（６５６、６５８）が非変位位置にあるときにタブ（６５６、６５８）のうちの１つと整列するように配置される。この例では、引力要素６６２は磁石によって提供され、入力（６５２、６５４）は強磁性材料で形成される。図６Ｄに示されるように、タブ（６５６、６５８）がそれぞれ引力要素６６２の１つと整列するように両方の入力（６５２、６５４）が配置される場合、被駆動要素６６０が変位すると引力要素６６２がタブ（６５６、６５８）に沿って単にスライドし、引力の変化に打ち勝つ必要がない。図６Ｅ及び図６Ｆはそれぞれ、入力の一方（図６Ｅの６５２及び図６Ｆの６５４）が回転してそのタブ（６５６、６５８）を対応する引力要素６６２からずらした場合を図示しており、そのようにすることで、被駆動要素６６０が並進運動するには入力の一方（６５２、６５４）の端を越えて引力要素６６２を押し出すべく引力に打ち勝つことが必要となり、したがって当該引力は被駆動要素６６０の並進運動に対する抵抗となる。

【0055】

図７Ａ及び図７Ｂはトランスミッションゲート機構７００を例示し、被駆動要素７０４から出力７０６に対して動きの伝達又非伝達の何れかを行うために板７０２が採用される。板７０２は切り抜き７０８を有しており（従って板７０２は、切り抜き７０８で規定される有効エッジにより囲まれた活性面を提供する）、被駆動要素７０４は、板７０２に引き付けられる被駆動引力要素７１０を有する。出力７０６はまた、出力引力要素７１２を有する（従って引力要素７１０及び７１２は係合要素として機能し、板７０２によって提供される活性面と相互作用する）。再び、板７０２が強磁性材料で形成される場合、引力要素（７１０、７１２）は磁石によって提供され得るか、又はファンデルワールス引力が有効なナノスケール構造における他の材料であり得る（図７Ｈ及び図７Ｉ、図８Ａ、及び図８Ｂの例を参照）。板７０２は入力７１４に並進運動可能に取り付けられ、入力７１４は当該並進運動方向に対して垂直に動き、入力７１４の位置によって、切り抜き７０８が変位時に被駆動要素７０４（或いはより正確には、被駆動引力要素７１０）の経路に配置されるか否かが決定される。被駆動要素７０４の経路を遮らないように切り抜き７０８が配置される場合（入力値１の図７Ａ参照）、被駆動要素７１０が何らの影響も受けずに単にのびることができるが、その理由は、被駆動引力要素７１０が板７０２を横切って動く際に、被駆動引力要素７１０と板７０２との間のＮＣＦが変化しないからである（したがって、板７０２が非活性位置にあるとみなすことが可能であり、機構７００が非活性動作状態又は動作収容状態とみなすことが可能）。切り抜き７０８が被駆動要素７０４の経路を遮るように位置決めされた場合（入力値０の図７Ｂ参照、これは板７０２の活性位置、及び機構７００の活性動作状態又は運動伝達状態とみなすことが可能）には、ＮＣＦにより、被駆動要素７０４がそれ自身と一緒に板７０２を動かすこととなる。切り抜き７０８はまた、出力引力要素７１２と板７０２との間の引力が出力７０６を動かすのに役立つようにも配置されていて、これは、その位置のまま動かないためには出力引力要素７１２が切り抜き７０８を越えるためにＮＣＦに打ち勝たなければならないからである。このように、入力７１４の位置は、被駆動要素７０４の変位を出力７０６に伝達するかしないかを制御する。板７０２は制御要素とみなすことが可能であり、（第１）入力７１４の位置に基づいて、被駆動要素７０４（これは第２入力とみなすことが可能）の動きを出力７０６に選択的に伝達する。注目すべき点は、板７０２の作用が被駆動要素７０４の動きを収容自在又は非収容というものであり、当該作用がロック４００の板４０６の作用と本質的に類似していることであるが（且つ機構６００の入力タブ（６０６、６０８）に類似し、これはゲート７００と同様の機能を提供するように再設計可能である）、しかし、ここでの板７０２は入力７１４に対して可動なので、板７０２がその活性位置にあるときに被駆動要素の動きは阻止されるのではなく、出力７０６に伝達される。

【0056】

図７Ｃは、直列接続された３つのトランスミッションゲート７００Ａ～７００Ｃを採用する３入力ＮＯＲゲート７２０を示し、各々入力７１４Ａ～７１４Ｃを有する。図７Ｃに示すように、すべての入力７１４Ａ～７１４Ｃが非変位（入力値０）であり、したがって、被駆動要素７０４Ａから出力７０６Ｃに動きを伝達するための経路が存在する。もし仮に入力７１４Ａ～７１４Ｃの何れかが伸長すると（入力値１）、これによりそのゲート（７００Ａ～７００Ｃ）が運動収容状態となり（図７Ａと同様）、その結果、被駆動要素７０４Ａから出力７０６Ｃへの伝達の連鎖が分断される。

【0057】

図７Ｄ及び図７ＥはＮＡＮＤゲート機構７３０を示し、これはゲート機構７００と共通する多くの特徴を有するが、しかし異なる板７３２を採用し、天秤７３６に接続された２つの入力７３４の複合作用によって板７３２が位置決めされる。板７３２は、入力７３４の何れも変位しないか又はその１つ若しくは両方が変位するかに応じて、３つの高さに位置決め可能である。板７３２は切り抜き７３８を備えており、この切り抜き７３８は、板７３２が低位置（入力値が（０，０））と図示のような中間位置（入力値が図示のように（０，１）、又は（１，０））との何れかに位置するときに被駆動要素７４０と出力７４２の間に介在するように配置される。説明のために、被駆動要素７４０と出力７４２の位置は、図７Ｄの３つの位置で板７３２に関連して示されるが、垂直方向に動くのは板７３２であり、被駆動要素７４０と出力７４２は一定の高さにとどまる。両方の入力値が１である場合にのみ、板７３２がその上部位置まで持ち上げられ、そこで切り抜き７３８はもはや被駆動要素７４０の経路に位置しない。代わりに、この上部位置では、被駆動要素７４０の動きは、板７３２上の空き経路７４４によって収容可能であり、板７３２は、被駆動要素７４０の動きを出力７４２に伝達しない。その結果、被駆動要素７４０の動きに応答する出力値は、入力値（０，０）、（０，１）、（１，０）については１であり、入力値（１，１）については０である。板７３２が、２つの活性位置又は運動伝達位置と、１つの非活性位置又は運動収容位置とを有するものとみなすことが可能である。活性位置（図７Ｅの中間位置など）にあるとき、板７３２は「第１部品」とみなされ得るものであり、当該第１部品は、板７３２が動くときに、出力７４２（「第２部品」として動作）の動きを強制して、出力７４２が切り抜き７３８内に移動しないようにする（したがってＮＣＦ引力が変化しないようにする）。

【0058】

図７ＦはＸＯＲゲート機構７３０'を示しており、機構７３０に類似しているが異なる板７３２'を採用する。それ以外は、上記の説明が機構７３０'に同様に適用される。板７３２'は、より小さな切り抜き７３８'を有しており、これにより、板７３２'がその上部位置であって入力位置（１、１）に対応する位置にあるときに、空き経路７４４のみならず、被駆動要素７４０の動きを収容可能な第２の空き経路７４６も得られる。その結果、被駆動要素７４０の動きに応答する出力値は、板７３２'がその中間位置（図示参照）にある入力値（０，１）及び（１，０）については１であり、板７３２'がその下部位置にある入力値（０，０）又は板７３２'がその上部位置にある（１，１）の何れかについては０である。この場合、板７３２'は１つの活性位置と２つの非活性位置とを有する。

【0059】

図７Ｇは板７０２'の構成が異なる代替トランスミッションゲート７００'の一例を示し、板７０２'は切り抜き７０８'を備えており、且つ板７０２'の形状により、板７０２'が入力７１４'にピボット運動可能に設置された場合に、並進的に設置された場合と比べて、より信頼できる動作が提供される。

【0060】

図７Ｈ及び図７Ｉは、別の例としての、ナノスケールの製造によく適しているトランスミッションゲート７５０を示し、成形板７５２を有しており、これはダイヤモンドイド材料で形成可能であり且つ摩擦低減のためのグラフェン面７５４を具備可能であり、更に円筒形ソケット７５６を（この例ではグラフェン面７５４とは反対側に）有しており、これは（ソケット７５６と同様に）ＣＮＴから形成可能な入力７６０上の入力ピン７５８と係合する。被駆動ピン７６４を持つ被駆動要素７６２及び出力ピン７６８を持つ出力７６６は、板７５２に係合し、ファンデルワールス力を介して板７５２に係合するＣＮＴから形成可能である（ピン７６４及び７６８は係合要素として機能し、板７５２及びグラフェンシート７５４で与えられる活性面と相互作用する）。留意する点は、ピン（７６４、７６８）は、被駆動要素７６２及び出力７６６の残りの部分を板７５２から分離するように十分な距離をのびており、板７５２と被駆動要素７６２及び出力７６６の当該部分との間にあるＶＤＷ力が無視できるほどに小さいことである。多くの用途では、グラフェン表面７５４は、成形板７５２の上に塗布されファンデルワールス引力によって成形板７５２上に保持されるグラフェンの単一原子厚層によって提供可能である。ゲート７５０を高速及び／又は高温で動作させる場合には、グラフェン表面７５４を板７５２に接着することが望ましい場合がある。しかし、グラフェンシートを接着しないままにしておくと、グラフェンシートがわずかにずれるので、ピン（７６４、７６８）がエネルギー井戸を越えて導かれるのではなく、エネルギー井戸の周りを滑ることができる。被駆動要素７６２及び出力７６６は、ガイドスリーブ７７０によって誘導可能である。ピン（７６４、７６８）をスリーブ７７０に対して動かすために必要なエネルギーを低減するために、構成要素（７６２、７６６、７７０）は、何れかの非対称部分（ピン（７６４、７６８）など）がスリーブ７７０の約２～３ｎｍ以内には接近しないように構成可能である。似たような間隔を設けることは、ガイドスリーブを採用する同様の機構においても必要エネルギーを低減するはずである。しかし、そのような追加の間隔は、結果として生じる機構のサイズを増加させる。

【0061】

本明細書で議論される例示的な機構の多くでは、１つの要素は、１つ以上の有効エッジを有する活性面に接触又は近接する伸長ピン（係合要素として作用）の端部などの相互作用点で別の要素と相互作用する（本明細書の他の場所で議論するように、かかる有効エッジは、露出面から凹んだ構造によって提供可能である）。伸長ピンの使用により、部品の残部を活性面から十分に離間して、表面とのＮＣＦ相互作用をピンとの相互作用のみに効果的に制限することができる。ＮＣＦが主にファンデルワールス引力である分子規模の機構では、ピン（典型的にはカーボンナノチューブから形成）の端部形状を、所望の用途に合わせて調整可能である。多くの分子スケール機構では、丸い端の５－５又は１０－０ＣＮＴをピンとして採用可能であり、ロンズデーライト又はグラフェンの表面と相互作用させることができる。このような丸みを帯びた端部は、ピンが表面と接触している場合に摩擦を減らすのに役立ち、このような接触は一般にピンを安定させるのに役立つ。丸みを帯びた５－５及び１０－１０ＣＮＴは、炭素原子の五角形リングで終端しており、この五角形配列は、それらの原子がロンズダライト又はグラフェンの下地表面における炭素原子の六角形配列と整列するのを防ぐ働きをする。

【0062】

幾つかの場合、ピンに拡大面又は「足部」を提供することが望まれるが、これはピンと表面との間の引力を増加させ、結果的に機構の要素を動かすために利用可能な力の量を増加させるためである。図７Ｊは、板７５２'がピン（７６４'、７６８'）と係合するゲート７５０'の一部を図示していて、各々のピン（７６４'、７６８'）が拡大した足部７７２を有しており、これがピン（７６４'、７６８'）と成形板７５２'との間のＮＣＦを増加させる。ピン（７６４'、７６８'）が変性ＣＮＴによって形成される場合、各足部７７２は、ＣＮＴに取り付けられたグラフェン延長部によって形成可能である。板７５２'は板本体７７４を具備可能であり、板本体７７４は、ロンズデーライトのような六角形原子配列を有するダイヤモンドイド材料で形成され、摩擦低減のためのグラフェン表面被覆７５４'を有する。足部７７２が板７５２'と接触しているときに、足部７７２の六角形格子は、その炭素原子の六角形配列が下地の面７５４'の六角形配列に対して約９０度回転されるように構成可能であり、炭素原子が整列して結合を引き起こす状況を回避できる。

【0063】

図７Ｋ及び図７Ｌは、一組のトランスミッションゲート７８２及び７８４を採用するスイッチゲート７８０の一例を示し、各々のゲートはトランスミッションゲート７００'及び７５０と同様の態様で動く。ゲート（７８２、７８４）は、互いに反対向きに配置され、何れも入力７８６によって動かされる。各ゲート（７８２、７８４）は、成形板７８８と出力７９０とを有する。両方のゲート（７８２、７８４）は、被駆動要素７９２によって係合される。入力７８６の位置に応じて、ゲート（７８２、７８４）のうち一方は、被駆動要素７９２がＮＣＦの変化なしに板を横切って動くことを許容するように板７８８が位置決めされることとなり、それらのうち他方は、被駆動要素７９２の動きがそれをエッジに突き当てて板７８８を動かし、かかる動きが今度は対応付けられた出力７９０を通して伝達されるように位置決めされる。図７Ｋはスイッチゲート７８０を示す図であり、この図では、トランスミッションゲート７８２の板７８８がＮＣＦの変化を避けるために被駆動要素７９２の動きをその出力７９０に伝えるような位置に、入力７８６が置かれており、その一方で、トランスミッションゲート７８４の板７８８は、ＮＣＦの変化なしに被駆動要素７９２の動きを収容するように位置決めされている。図７Ｌは、入力７８６の代替位置を示し、ここでトランスミッションゲート７８２は現在、被駆動要素７９２の動きを収容するように位置付けられ、トランスミッションゲート７８４は、その出力７９０に動きを伝達するように配置されている。入力７８６の位置によりどの経路に沿って運動が導かれるかが決まるので、スイッチゲート７８０の基本方式は、多数の入力値に基づいて出力値を提供するロックアンドバランス方式を採用するロジック機構の形成に採用可能である。高次コンピュータ構造を形成するために、どのように（代替要素を用いる論理機構のための）そのようなロックアンドバランス論理機構を組み合わせ可能であるかの例は、米国特許第１０，４８１，８６６号、米国特許第１０，６６４，２３３号、米国特許第１０，９４９，１６６号及び米国特許公開２０２１／０１４９６３０号で教示されている。

【0064】

本明細書で教示されるメカニズムの多くは、米国特許第８，１７１，５６８号、米国特許第８，２７６，２１１号、米国特許第９，６７６，６７７号、米国特許第１０，０６７，１６０号、同第１０，０７２，０３１号、同第１０，１３８，１７２号、米国特許第１０，１９７，５９７号、米国特許第１０，３０８，５１４号、米国特許第１０、３０９，９８５号、米国特許第１０，８２２，２２９号、米国特許第１０，８２２，２３０号で教示されるようなメカノシンセシス技術による分子製作を含めて、ナノスケール製作に良く適しており、これらの文献は組み込みが適切な法域において参照により本明細書に組み込まれる。図８Ａ及び図８Ｂは、そのような製作に適した機構の２つの例を示す。一例として、図８Ａは、図７Ｈ及び図７Ｉに示されたゲート７５０と同様に機能するトランスミッションゲート８００を示し、摩擦低減のためのグラフェン面８０４を具備可能な成形板８０２を備え、更に、ＣＮＴで形成可能な入力８１０の入力ピン８０８に係合する円筒状ソケット８０６を有する。被駆動ピン８１４を持つ被駆動要素８１２及び出力ピン８１８を持つ出力８１６は、共に板８０２に係合し、ピン（８１４、８１８）がファンデルワールス引力を介して板８０２に係合するようにＣＮＴでの形成も可能である。分子モデリングは、図示のようなゲートが３０ｎｍの立方体内に収まるように製作され得ることを指摘する。

【0065】

入力８１０、被駆動要素８１２及び出力８１６は、何れもガイドスリーブ８２０にスライド可能に取り付けられる。これらのスライド要素（８１０、８１２、及び８１６）が１０－０ＣＮＴから形成される場合、スリーブ８２０は１８－０ＣＮＴから形成可能である。スリーブ８２０は順に支持体８２２に取り付けられ、支持体８２２はアンカー８２４（これらは単一の剛性構造の部品であり得る）に貼付される。アンカー８２４は、例えばロンズデーライト等のダイヤモンドイド材料の表面であり得る。被駆動要素８１２の支持体についてラベル付けしたように、支持体８２２は、９－０ＣＮＴで形成されたベース部８２６を採用してアンカー８２４に結合可能であり、ロンズデーライトの六角形配列に密接に一致する炭素原子の配列を提供する。支持体８２２はそれぞれ、１８－０ＣＮＴの短部分によって形成された遷移部８２８と、１０－０ＣＮＴの部分によって形成されたスリーブ取付部８３０とを有する。１０－０ＣＮＴは、スリーブ８２０として機能する１８－０ＣＮＴと安定したＴ分岐を形成し、１０－０及び９－０ＣＮＴの両方が遷移部８２８の１８－０ＣＮＴに移行可能である。さらに、遷移部８２８の１８－０サイズは、スリーブ８２０の１８－０ＣＮＴのサイズと一致するので、各組のスリーブ８２０を互いに接触させて配置すると、遷移部８２８が互いに接触することにもなり、支持体８２２の間隔を安定させる役割を果たす。

【0066】

図８Ｂは、分子規模の製造にも適した代替トランスミッションゲート８４０を示す。ゲート８４０は、再び、グラフェン面８４４及び円筒状ソケット８４６を持つ成形板８４２と、ソケット８４６に係合する入力ピン８５０を持つ入力８４８とを備える。ゲート８４０はまた、被駆動ピン８５４を持つ被駆動要素８５２と、出力ピン８５８を持つ出力８５６とを備え、被駆動ピン８５４及び出力ピン８５８は、板８４２のグラフェン面８４４に係合する。ゲート８００よりも単純でコンパクトな機構を提供するために、ゲート８４０は、各スライド要素（８４８、８５２、８５６）を単一のガイドスリーブ８６０に取り付けており、これらは支持体８６４によってアンカー８６２に取り付けられ、アンカー８６２上に形成されたトラック８６８に係合するガイドピン８６６によって安定化される。トラック８６８は、ガイドピン８６６とスライド可能に係合するためのグラフェン面８７０を有してもよい。対応するガイドスリーブ８６０内で要素（８４８、８５２、８５６）がスライドすることで生じる動きの制限と組み合わせて、トラック８６８は、後述する図１４Ａ～図１４Ｃで示すガイド（１４０４、１４３２）と同様の方法でガイドピン８６６を導くのに役立つほどの狭さに形成可能である。

【0067】

図８Ｃはトランスミッションゲート８８０を示しており、上述したゲート（７５０、８００、８４０）と同様に動作するが、しかし、板８８６が入力８８８によって活性位置に置かれたときに、被駆動要素８８４の動きに関連する出力８８２の変位に機械的利得を提供する。被駆動要素８８４が板８８６に係合する位置は調整可能であり、エッジ８９０が被駆動要素８８４の経路内に位置するように板８８６が配置されたときに、板８８６が入力８８８にピボット運動可能に係合する位置からの距離の違いによって被駆動要素８８４と出力８８２とで変位に差が生じる。出力８８２が被駆動要素８８４の２倍ほど入力８８８から離れている場合、被駆動要素８８４の約２倍の変位が生じる。入力８８８はまた、連続経路８９２が被駆動要素８８４の動く経路と整列する位置へ板８８６を配置可能であり、板８８６が、上述のゲート（７５０、８００、８４０）で説明したのと同様の方法で、いずれのエッジも越えることなく、被駆動要素８８４の動きを収容可能となる。そのような位置では、非接触力エネルギー障壁を乗り越えることなく、したがって、動きを出力８８２に伝達することなく、被駆動要素８８４の動きを収容可能である。

【0068】

図９Ａ及び図９Ｂは機構９００を示し、上述の機構（７００、７５０、８００、８４０）と同様の、被駆動要素９０２から出力９０４への動きを収容又は伝達する原理を使用するものである。機構９００は、コネクタ９０８の位置を制御する入力９０６を有し、このコネクタは、被駆動板９１０及び出力板９１２と非接触力（ＮＣＦ）を介して係合し、これらの何れか又は両方は、入力９０６の位置に対して望ましいロジック応答を提供するように成形可能である。被駆動要素９０２の動きが出力９０４に伝達されるか否かは、コネクタ９０８の位置及び板（９１０、９１２）の構成により決定される。機構９００において、被駆動板９１０は、エッジ９１４と経路領域９１６を有するＬ字形である。コネクタ９０８が図９Ａに示すように（被駆動要素９０２及び出力９０４の動き経路に垂直な方向に関して）その非変位位置にあるとき（典型的には入力値０を符号化）、被駆動板９１０の変位は、コネクタ９０８の方向にエッジ９１４を動かすように働く。コネクタスリーブ９１８を介して入力９０６とスライド可能に係合するコネクタ９０８は、被駆動板９１０と共に動き、これによりエッジ９１４を越えて動くためにＮＣＦ障壁に打ち勝つことを必要としない。同様に、コネクタ９０８と出力板９１２との間のＮＣＦ力は、出力板をコネクタ９０８と共に動かすように作用し（仮想線参照）、被駆動要素９０２の動きは、出力９０４に伝達される。コネクタ９０８には、板（９１０、９１２）に係合するための拡大端部９２０が形成されている。

【0069】

入力９０６の変位によりコネクタ９０８が変位すると、図９Ｂに示すように、（典型的には出力値１を符号化する）。被駆動板９１０の経路領域９１６と整列させられ、経路領域９１６がコネクタ９０８を通り過ぎて動くだけでＮＣＦが変化せず、被駆動板９１０の動きを収容可能である。コネクタ９０８が動かないので、出力板９０４に動きが伝達されることがない。

【0070】

入力がコネクタを複数の位置に位置決めするように構成されている場合、被駆動板及び／又は出力板は、そのような各位置に適切な応答を提供するように構成可能である。図９Ｃは、ＮＡＮＤロジック関数を提供する１つの考えられうる機構９３０を図示しており、ＮＡＮＤロジック関数は２つの入力９３２で実行され、２つの入力９３２は天秤９３４に接続しており、天秤９３４は、入力９３２の組み合わされた位置に基づいてコネクタリンク９３６及びコネクタ９３８を順に位置決めする。被駆動板９４０はエッジ９４２と経路領域９４４を有し、機構９３０は、両方の入力９３２の変位時にのみコネクタ９３８が経路領域９４４に整列するように構成される。入力値（１、０）について図９Ｃに示されるような、入力９３２が何れも変位しないか又はその一方のみが変位する場合には、エッジ９４２は、被駆動板９４０が変位するときにコネクタ９３８の動きを強制するように位置し、出力板９４６も変位させる。両方の入力９３２が変位すると、コネクタ９３８は経路領域９４４と整列して位置決めされ、コネクタ９３８に関連する被駆動板９４０の動きを収容する。この場合、コネクタ９３８は動きを強いられることがないので、出力板９４６も動かない。入力値に対する機構の応答は、被駆動板及び／又は出力板の構成によって決定され、代替的な応答を提供するように構成可能である。一例として、２つの経路領域をエッジ両側に設けた板は、ＸＯＲ論理関数（図７ＦのＸＯＲゲート７３０'に類似）を提供可能であろうし、又は短いエッジと広い経路領域（１つ又は両方の入力が変位した場合にコネクタが当該経路領域と整列するようなもの）を有する板は、ＮＯＲ論理関数を提供可能であろう。

【0071】

図９Ｄは、機構９００と機能的に類似する機構９５０を示すが、しかし、出力板９５２が被駆動板９１０の上に部分的に重ね合わされており、コネクタ９５６の拡大端部９５４が板（９１０、９５２）の間に配置される。板（９１０、９５２）を重ね合わせることで、機構９００と比較して機構９５０の全体的な体積を縮小可能である。

【0072】

ＮＣＦを管理することにより（望ましくない動きに対して選択的に妨害を生じさせて）要素の動きを制限のためにエッジを使用する効果は、他の運動制限構造と組み合わせ可能であり、機構を設計する上でより大きな柔軟性を提供する。一例として図１０Ａ～図１０Ｄは機構１０００を示し、ヒンジを形成するピボット運動可能に接続したリンクの動きを選択的に制限するために、ＮＣＦとエッジを採用する。そのような拘束は入力１００２の位置に基づくものであり、被駆動要素１００６が動かされたときに出力１００４の位置を決定する役割を果たす（この例では、トランスミッションゲートの機能を提供する）。被駆動要素１００６は、出力１００４と整列し、ヒンジ１００８によって出力１００４に接続される。ヒンジ１００８は、伸長ピン１０１０及び１０１２（ここでは出力１００４と一体的に形成）を有し、これらはＮＣＦを介して成形板１０１４と相互作用する（ただし、ピン１０１０及び１０１２は板１０１４と接触してもよい）。ピン１０１０及び１０１２は、板１０１４によって提供される活性面と相互作用する係合要素としての役割を果たす。板１０１４は、入力１００２によって位置決めされ、図示のように第１位置（図１０Ａ及び図１０Ｂ参照）と第２位置（図１０Ｃ及び図１０Ｄ参照）の間を移動する。成形板１０１４は制御要素又は制限構造とみなすことが可能であり、当該要素又は構造は、（ピン１０１０及び１０１２を介して）ヒンジ１００８の許容運動を決定して、出力１００４の動きを強いることなしに被駆動要素１００６の変位を収容可能かどうかを決定する。

【0073】

板１０１４がその第１位置にあるとき（図１０Ａ及び図１０Ｂ）、ヒンジ１００８の屈曲は、ピン１０１０が板第１エッジ１０１６に近接していることによって阻止される。被駆動要素１００６が変位すると、ピン１０１０が板第１エッジ１０１６に近接していることで、ピン１０１０の動きを制限し、ヒンジをさらに曲げるためにピン１０１０が動くこと（図示方向では上向きの動き）を妨げる。被駆動要素１００６の変位は、ヒンジ１００８全体を並進させることによって収容され、これにより出力１００４をも動かす（図１０Ｂ参照）。板第１エッジ１０１６は、利用可能な動きを、出力１００４の可動方向に制限すると考えることができる。板１０１４は板第２エッジ１０１８を有するように構成され、板第２エッジ１０１８は、ヒンジ１００８の残りの部分の動きを収容するようにピン１０１２に関連して位置決めされる。板１０１４の当該位置は、機構１０００を活性動作状態又は運動伝達状態に置くとみなすことが可能であり、そこでは被駆動要素１００６の動きに応答して出力１００４が動く。

【0074】

板１０１４が第２位置にあるとき（図１０Ｃ及び図１０Ｄ）、板第１エッジ１０１６はピン１０１０から離れた位置にあり（図１０Ｃ参照）、その一方で、板第３エッジ１０２０は、ヒンジ１００８が単に並進するのを防ぐためにピン１０１２の動きを制限するように位置決めされ、したがって出力１００４の動きが阻止される。この場合、被駆動要素１００６の変位は、ヒンジ１００８の屈曲によって収容され、ピン１０１０を板第１エッジ１０１６に近づくように動かす（図１０Ｄ参照）。板第３エッジ１０２０は、利用可能な動きを、出力１００４の利用可能な運動方向とは非整列な方向へと制限すると考えることができる。板１０１４の当該位置は、機構１０００を非活性動作状態又は運用収容状態に置くとみなすことが可能であり、そこでは被駆動要素１００６がＮＣＦの変化なしに出力１００４に関連して動くことができる。板１０１４が両方の位置でピン（１０１０及び１０１２）と相互作用することは注目すべきことである。ヒンジ１００８及び板１０１４は制御要素とみなすことも可能であり、そこではヒンジ１００８は、入力１００２の位置で設定される機構１０００の構成に応じて、（第２入力とみなし得る）被駆動要素１００６の動きを出力１００４へ選択的に伝達する。

【0075】

板１０１４は板傾斜エッジ１０２２を任意的に具備可能であり、板傾斜エッジ１０２２は板第３エッジ１０２０に隣接し（図示の板１０１４では板第２エッジ１０１８までのびる）。板傾斜エッジ１０２２は、入力１００２が板１０１４を第２位置に動かすときに、（図１０Ｂのように既に非変位位置にいない場合に）出力１００４を非変位位置に動かすようにピン１０１２に作用することとなり、ピン１０１２のそのような動きは、板傾斜エッジ１０２２を越えてピン１０１２を動かすのに生じうるピン１０１２と板１０１４との間のＮＣＦの引力に打ち勝なたくともよくするために役立つ。この動きは、本明細書で議論される他の機構（図１１Ａ～図１２Ｆ参照）と同様であり、そこでは、ＮＣＦが、エッジを有する第１要素の動きが別の要素の動きを強制することを可能とする。機構１０００は、板１０１４用にダイヤモンドイド材料（摩擦低減のためにグラフェンで覆われる可能性がある）から作製可能であろうし、残りの要素は変性ＣＮＴから形成可能であろう。

【0076】

板傾斜エッジ１０２２に関して指摘したように、１つの部品は、別の部品の動き方向に対して傾いた有効エッジを伴って構成可能であり、それ故に、動きを本質的に方向転換又は強制するカムとして機能する。典型的には、引力ＮＣＦを採用する場合、第１部品の動きは引力部分又は要素をエッジに向かって動かすので、第１部品の動きが第２部品を強制的に動かし、その結果、引力部分又は要素がエッジに接触するか又はエッジを越えて動くのを防ぐように第２部品が動くことが必要となる。

【0077】

図１１Ａ～図１１Ｂは可動リンク機構１１００を示し、被駆動部品１１０４を動きに応答する応答部品１１０２を動かすためにＮＣＦに頼るものである。リンク体１１００において、被駆動部品１１０４は、それに貼り付けられた成形板１１０６（活性面を提供）を有し、応答部品１１０２は、そこに組み込まれた引力要素１１０８（係合要素として機能）を有する。ナノスケールの構造では、引力要素は応答部品１１０２上の単に拡大領域又は伸長ピンであり得るとともに、ファンデルワールス引力がＮＣＦを提供するのに十分である。より大規模な構造の場合、図示されるように、引力要素１１０８は磁石とすることが可能であり、成形板１１０６は、引力を与えるための強磁性材料で形成可能である。この機構における応答部品１１０２と被駆動部品１１０４は、並進運動に限定されている（図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、応答部品１１０２は水平方向の動きに制限され、被駆動部品１１０４は垂直方向の動きに制限され、当該制限はガイドによって又は動き制限用の同様の手段によって行われるとともに、この場合、板１１０６は斜め方向にのびるように形成される）。被駆動部品１１０４が（垂直方向に）並進運動するとき、部品（１１０２、１１０４）間の引力の変化を避けるために、応答部品１１０２が対応する（水平方向の）動きをする必要がある。もし仮に応答部品１１０２が動かなかった場合、被駆動部品１１０４の動きは、板１１０６を引力要素１１０８から離す（必然的に引力要素１１０８を板１１０６のエッジを越えて動かす）ことになり、これは引力要素１１０８と板１１０６を共に引くような引力に打ち勝つことを要する。引力に打ち勝つための必要エネルギーを生じさせないために、板１１０６の動きにより、引力要素１１０８が板１１０６に沿って引き寄せられ、応答部品１１０２が動かされる。板１１０６と引力要素１１０８との間の引力は、板１１０６の形状が引力要素１１０８の動きをガイドすることを可能にし、図１１Ｃに示される従来の可動リンク体１１００'のように、斜めスロット１１０６'にガイドされるピン１１０８'の効果と似た効果をもたらす。部品の機能は、引力要素が被駆動部品に設けられ、板が応答部品に設けられるように、逆にすることが可能なことを理解されたい。

【0078】

図１１Ｄ～図１１Ｇは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すリンク機構１１００に採用される基本的な運動強制原理を拡張した一つの例を示している。データリーダ機構１１５０はデータリボン１１５２と一連のビットリーダ１１５４とを採用しており、一連のビットリーダ１１５４各々は引力要素１１５６を有し、引力要素１１５６はデータリボン１１５２に引き付けられる（且つ係合要素として機能する）。今度はデータリボン１１５２に一連の対応する切り抜き１１５８が形成されていて、当該切り抜き１１５８は、ビットを符号化するように機能し、ビットリーダ１１５４の１つが動いた後におけるデータリボン１１５２の位置が符号化ビットを示すように構成される（一連の活性面として機能し、引力要素１１５６で提供される係合要素と相互作用する）。データリボン１１５２上で符号化された各ビットは、対応するビットリーダ１１５４を動かすことで読み取り可能である。そのビットの切り抜き１１５８の形状は、基準線１１６０に対して非変位位置（図１１Ｇのように、図示例ではそのビットの０値を示す）、或いは下降位置（図１１Ｅ又は図１１Ｆのように、そのビットの１値を示す）の何れかの位置に、データリボン１１５２を置くように設計されている。図示されたデータリボン１１５２は、値（１、１、０、０）を符号化する切り抜き１１５８を有する。ビットで符号化された正規位置にデータリボン１１５２が既に置かれている場合、対応するビットリーダ１１５４が変位しても、その位置に留まることができる。データリボン１１５２が正規位置にない場合、ビットリーダ１１５４とこれに対応する切り抜き１１５８との相互作用により、符号化ビットの正しい位置にデータリボン１１５２が動かされることとなるが（値０の場合は基準線１１６０に位置し、或いは値１の場合は基準線１１６０を越えてのびる）、これが図１１Ａ及び図１１Ｂに示す板及び引力要素の場合と同様の手法で、しかし被駆動部品と応答部品とが逆にされて（及び被駆動要素が左側にずらされて）実現されている。

【0079】

ビットリーダ１１５４を順次動かすことによって、図１１Ｅ～図１１Ｇのように切り抜き１１５８によって符号化されたビットの読み取りが可能であり、第１～第３のビットリーダ１１５４が対応するビットを読み取るために個別に順次動かされた際に結果的に生じるデータリボン１１５２の位置及び出力値がそれぞれ図示される。図１１Ｅは、第１のビットリーダ１１５４－１の動きに応答するデータリボン１１５２の変位を示す。ビットリーダ１１５４－１が左に動かされると、切り抜き１１５８－１によって形成されたエッジを越えて引力要素１１５６－１が動かないようにするために、データリボン１１５２が強制的に下方へ動かされる。留意すべき点として、切り抜き１１５８はデータリボン１１５２が非妨害垂直領域を持つように構成され、非妨害垂直領域は残りの引力要素（１１５６－２、１１５６－３及び１１５６－４）に対して垂直方向に移動可能であり、データリボン１１５２が垂直下方に動く際に非移動の引力要素（１１５６－２、１１５６－３及び１１５６－４）のいずれもがエッジに遭遇することがない。切り抜き１１５８－１は、ビットリーダ１１５４－１が初期位置に戻されたときにデータリボン１１５２を初期位置に戻すように構成され得るか、或いは引張ばねなどの独立した手段によってデータリボン１１５２が戻され得る。代替的には、データリボン１１５２は、ビットリーダ１１５４－１が戻されると単にその場に留まり得るとともに、その場に放置されるか、或いは次のビットリーダ１１５４－２の移動時に上方移動して基準線１１６０の上部位置に戻るか（図１１Ｆ参照）の何れかとされる。図１１Ｇに示す切り抜き１１５８－３の場合のように、特定のビットに対する切り抜き１１５８が０値出力を提供するように設計されている場合、対応するビットリーダ１１５４－３の動き方は、第３ビットを読む前に下部位置にあった場合はデータリボン１１５２を上部位置に動かすか、既にその上部位置にあった場合はその場所に残留するかの、何れかである。切り抜き１１５８－２、１１５８－３を図示したように切り抜きが隣接している場合、対応するビットリーダ（１１５４－２、１１５４－３）の動きに応答してデータリボン１１５２を適切に配置するように切り抜き（１１５８－２、１１５８－３）のエッジが構成されている限り、それら切り抜き１１５８－２、１１５８－３は単一の切り抜きに統合され得る。切り抜き１１５８－４は、切り抜き１１５８－３と同様に設計されており、第４のビットリーダ１１５４－４が動かされたときに、データリボン１１５２を同じ上方位置に配置する役割を果たす。図示の目的で４ビットのデータリボンが示されているが、任意の数のビットをこのような方法で符号化し得るであろう。同様に、図示した例は、上方位置で０値を表し下方位置で１値を表すものを採用しているが、代替的な方向及び割当て値を採用可能である。幾つかの場合、或る方向に動く部品は異なる方向に動く部品と相互作用する可能性があり、したがって、特定の方向に割り当てられた値は特定の部品に依存する。例えば、下方位置にあることで出力値１を表す部品は、左方位置にあることで出力値１を表す別の部品と、相互作用してもよい。さらに、データリボンは、中立位置から何れかの方向に動いて－１、０、又は＋１の出力値を符号化するように設計可能であろう。

【0080】

図１１Ｈはデータリーダ機構１１７０の例を示しており、この機構はデータリボン１１５２に加えて第２のデータリボン１１７２をも採用し、一度に複数のビットを読み取ることができるようにしている。２個のデータリボン（１１５２、１１７２）が示されているが、任意の個数を採用可能である。データリーダ１１７０は再び一連のビットリーダ１１７４を有するが、この場合、各ビットリーダ１１７４は、各データリボン（１１５２、１１７２）に対して１つずつ設けられた一組の引力要素１１７６、１１７８を有する。引力要素１１７６は、データリボン１１５２に設けられた切り抜き１１５８と相互作用してデータリボン１１５２を位置決めするように構成され、その一方で、引力要素１１７８は、第２のデータリボン１１７２に設けられた切り抜き１１８０と相互作用して第２のデータリボン１１７２を位置決めするように構成されている。この場合、各行の切り抜き（１１５８及び１１８０）はビットに対応し、列は４バイト（バイト数はビットリーダ１１７４の個数で定義される）に対応し、各バイトは、各データリボン（１１５２、１１７２）に対して１つずつ設けられた２ビットの情報で構成される。図１１Ｈは、切り抜き１１５８－２、１１８０－２によって定義されるように第２のバイトを読み取るために、第２のビットリーダ１１７４－２が動いたときのデータリーダ１１７０を示すものである。この場合、切り抜き１１５８－２は、下側位置にデータリボン１１５２を配置するために引力要素１１７６－２と相互作用するように構成され、当該下側位置は（先に示した図１１Ｆ参照）出力値１を表しており、一方、切り抜き１１８０－２は、引力要素１１７８－２に作用して、データリボン１１７２を（未だそこに位置していなければ）上方位置に配置するように構成され、当該情報位置は出力値０を表している。データリボン（１１５２、１１７２）は、メモリの第２のバイトについて（１、０）の値を記録する。

【0081】

図１２Ａ～図１２Ｆは、クロック位相間の値を記憶するように作用するラッチ機構１２００の一例を示している。ラッチ機構１２００は、コピー要素１２０６によって接続される入力１２０２及び出力１２０４を有する。図示のように、入力１２０２は入力ピン１２０８を有し、入力ピン１２０８はＮＣＦを介してコピー要素１２０６と相互作用し、その一方で、出力１２０４は、コピー要素１２０６とピボット運動可能に係合される。コピー要素１２０６は、今度はコピーピン１２１０（図示では出力１２０４と一体的に形成）を有し、コピーピン１２１０はＮＣＦ（ナノスケールの機構におけるファンデルワールス引力、又はより大規模な機構における強磁性など）を介してロック板１２１２に係合する。ロック板１２１２はＵ字形であり、ロックアクチュエータ１２１４によってロック位置（図１２Ａ及び図１２Ｃ参照）と非ロック位置（図１２Ｂ及び図１２Ｄ参照）との間で動かされる。ロック板１２１２が自身のロック位置にあるとき、ロック板のエッジは、コピーピン１２１０の動きを制限し、入力１２０２及び出力１２０４の動き方向におけるコピー要素１２０６の並進運動を阻止するように作用するが、これは、出力１２０４がその０値位置（図１２Ａ及び図１２Ｂ参照）にあるか又はその１値位置（図１２Ｃ及び図１２Ｄ参照）にあるかにかかわらない。留意すべき点として、機構１２００は、フローティング又は非フローティングの何れかであり得る部品間における接続を提供するために、ロック板１２１２なしで採用され得る。

【0082】

ロック板１２１２が非ロック位置にあるとき、コピー要素１２０６及びこれに接続された出力１２０４は、出力１２０４の０値位置と１値位置との間を自由に並進運動するが、このときコピーピン１２１０はロック板１２１２のエッジに遭遇することはない。このとき、コピー要素１２０６はコピーアクチュエータ１２１６によって出力１２０４に関連してピボット運動可能であり、（下側の）自由位置（図１２Ａ及び図１２Ｃ参照）と（上昇した）コピー位置（図１２Ｂ及び図１２Ｄ参照）との間をコピー要素１２０６が動くこととなる。コピー要素１２０６は三角形のコピー板１２１８を有し、コピー板１２１８はエッジ１２２０及び１２２２を有し、エッジ１２２０及び１２２２は、コピー要素１２０６がそのコピー位置に対してピボット運動する際に、入力１２０２の位置で決まる位置にコピー要素１２０６及び出力１２０４を動かすために入力ピン１２０８と相互作用する（コピー板１２１８は、有効エッジ１２２０及び１２２２を有する活性面を提供し、且つ、係合要素として作用する入力ピン１２０８と相互作用するが、その一方で、コピーアクチュエータ１２１６は被駆動要素又は第２入力とみなされ得る）。入力１２０２が０値位置にある場合、エッジ１２２０は、コピー要素１２０６がピボット運動する際にコピー要素１２０６及び出力１２０４を動かして、出力１２０４を（未だその位置にない場合に）０値位置に配置するように作用する。同様に、入力１２０２が１値位置にある場合、エッジ１２２２は、コピー要素１２０６及び出力１２０４を動かして、コピー要素１２０６がピボット運動する際に（未だその位置にない場合に）出力１２０４を１値位置に配置するように作用する。コピー要素１２０６は制御要素とみなされ得るものであり、当該制御要素は、入力１２０２の位置（同様に出力１２０４の現在位置）に部分的に基づいてコピーアクチュエータ１２１６の動きを出力１２０４に選択的に伝達する。入力１２０２及び出力１２０４の相対位置は、機構１２００を（入力１２０２が現在の出力１２０４の位置に合致し、且つ、出力１２０４を動かすことなくコピーアクチュエータ１２１６の動きを収容可能な場合の）非活性動作状態若しくは運動収容状態に置くか、又は、機構１２００を（入力１２０２が現在の出力１２０４の位置と合致せず、且つ、入力ピン１２０８がエッジ１２２０又は１２２２の一方に逆らって動こうとするときに生じうるＮＣＦ変化が生じないようにするために、コピーアクチュエータ１２１６の動きを出力１２０４に伝達する場合の）活性動作状態若しくは運動伝達状態に置くと、みなし得る。

【0083】

一旦、出力１２０４が入力１２０２の値を反映するために正規位置に（必要に応じて）動かされた状態になると、ロック板１２１２がロック位置に戻ることが可能となり、コピーピン１２１０のさらなる並進運動が防止され且つ出力１２０４を現在位置に効果的にロック可能となる。コピー要素１２０６は、その後、コピーアクチュエータ１２１６を後退させることによってその自由位置にピボット運動で戻ることができ、このとき入力１２０２はその０値位置と１値位置との間で自由に動くことが可能であり、その一方で、前回値は出力１２０４のロック位置によって記憶される。機構１２００は、入力１２０２、出力１２０４、ロックアクチュエータ１２１４及びコピーアクチュエータ１２１６のような要素にはＣＮＴを用いて、ロック板１２１２及びコピー板１２１８のような平面的要素にはダイヤモンド、ロンズデーライト又はダイヤモンドイド構造を用いて、分子規模で形成可能である。

【0084】

このようなラッチ１２００の１つの使用法は、図１２Ｅに示されるように、２つのラッチ１２００を連鎖させてＤ型フリップフロップ１２３０を提供することであり、各ラッチ１２００の出力１２０４は他のラッチの入力１２０２を定義し、ロック板１２１２は順次動かされる。束縛を避けるために、各ラッチ１２００のロック板１２１２は、対応する入力１２０２を自由に運動可能とする非ロック位置に動かされるが、その前に、他のラッチ１２００のコピーアクチュエータ１２１６が、コピー要素１２０６をピボット運動するために活性状態に置かれ、このコピー要素１２０６は、対応する出力１２０４と非対応ラッチ１２００の自由に動く入力１２０２とを設定するように作用する。

【0085】

順次、第１ラッチ１２００－１のロック板１２１２－１がその非ロック位置に配置され（図１２Ｅ参照）、第１コピー要素１２０６－１がそのコピー位置にピボット運動させられて第１出力１２０４－１がセットされる。一旦設定されると、第１ロック板１２１２－１はそのロック位置に動かされ、出力１２０４－１を設定して（これは入力１２０２－２も設定する）、第１コピー要素１２０６－１はその自由位置に戻され、第１入力１２０２－１の動きが可能になる。次に、第２ロック板１２１２－２はその非ロック位置に動かされ、第２コピー要素１２０６－２はそのコピー位置に動かされ、これらが作用することで、第２出力１２０４－２（これは第１入力１２０２－１も決定する）が、第２入力１２０２－２（第１出力１２０４－１により決まる）により決定される位置に置かれる。

【0086】

図１２Ｆはラッチ１２００を採用する機構の別の例を示しており、グリッドメモリ１２５０の一部である（図示は、メモリ構造全体における４列のうちの２列である）。この場合、ラッチ１２００は、トランスミッションゲート１２５２の配列と組み合わせて使用され、トランスミッションゲート１２５２は、図７Ｈ～図７Ｉ、図８Ａ～図８Ｂに示されるゲート（７５０、８００、８４０）と同様の構成が可能である。メモリ１２５０において、ラッチ１２００は、これらの値がデータ線１２５４に「読み返される」まで、一組のデータ線１２５４から受け取った値を記憶することができる。この方式では、出力１２０４の位置は読み取られず、出力１２０４はコピー要素１２０６の動きを制限するためだけに機能する。図１２Ｆは、２つのメモリアドレス（００及び０１）を図示しており、同様の追加のメモリアドレスの組（１０及び１１であり、右側の省略部分に配置される）は図示されていない。各メモリアドレスは２ビットのデータを格納できる。各メモリアドレスは、２つのデータ入力１２０２を有する一組のラッチ１２００を有し、各々がそのビットの情報のためのデータ線１２５４に接続される。各データ線１２５４は、メモリアドレスの各々について、そのビットのためのデータ入力１２０２を一緒に接続する。

【0087】

トランスミッションゲート１２５２は、各々がメモリアドレスの１ビットを識別する２つのアドレスバー１２５６の位置に基づいて、現在の動作のためにメモリアドレスの一つを選択するように配置される。アドレスバー１２５６－０の位置は、現在活性なメモリアドレスの第１ビットを決定し、アドレスバー１２５６－１の位置はその第２ビットを決定する。図示のように、両方のアドレスバー（１２５６－０、１２５６－１）は、それらの０値位置にあるので、メモリアドレス００が現在選択される。各々の場合、アドレスバー（１２５６－０、１２５６－１）の位置によって、非活性メモリアドレス用のトランスミッションゲート１２５２における少なくとも１つの伝達板１２５８が、メモリ選択バー１２６０からセル選択器１２６２内のトランスミッションゲート１２５２への運動伝達を中断する位置に配置される（図７Ｃに示すＮＯＲゲート７２０における鎖状のトランスミッションゲート７００Ａ－７００Ｃと同様の方法による）。そのような位置では、伝達板１２５８は、伝達板１２５８を動かすことなくメモリ選択バー１２６０自体又はメモリ選択リンク１２６４の何れかの動きを収容するように配置される。例として、図示の位置では、現在は非活性なメモリアドレス０１について、下側の伝達板１２５８はメモリ選択バー１２６０の動きをメモリ選択リンク１２６４に伝達するように配置されるが、しかし上側の伝達板１２５８は、かかる動きをセル選択器１２６２に伝達することなくメモリ選択リンク１２６４の動きを収容するように配置される。メモリアドレス１０及び１１用の伝達板は、アドレス００及び０１用の伝達板と同様に配置されているが、アドレスバー１２５６－０がその０値位置にあるときにメモリセレクトバー１２６０の動きを収容可能となるように下側の伝達板が配置されており（したがって図示の状況ではそれらは非活性である）、しかしアドレスバー１２５６－０がその１値の位置にあるときにメモリ選択リンクに動きを伝達し、（アドレスバー１２５６－１によって位置決めされる）上側の伝達板の位置により、何れのメモリ選択リンクが収容可能であり何れが動きを伝達するように作用するかが決定される。メモリ選択バー１２６０が上方に変位すると、トランスミッションゲートを通る１つの経路のみが存在し、アドレスバー（１２５６－０、１２５６－１）の位置に基づいて活性メモリアドレスが定まる。

【0088】

セル選択器１２６２において、被選択経路におけるトランスミッションゲート１２５２の変位は、結合された一組のトランスミッションゲート１２５２に作用する。このような作用は、一組のゲート１２５２を非活性位置（図示のように、伝達板１２５８を動かすことなくロック解除バー１２６６及びコピーバー１２６８の動きを収容可能）から活性位置へと動かし、そこでは伝達板１２５８の作用により、ロック解除バー１２６６の動きがロック解除リンク１２７０へと伝達され、コピーバー１２６８の動きがコピーリンク１２７２へと伝達される。動かされると、ロック解除リンク１２７０は、活性メモリアドレス内のラッチのロック板１２１２を動かすロックアクチュエータとして機能し、その一方で、コピーリンク１２７２は、コピー要素１２０６を動かすコピーアクチュエータ（又は被駆動要素）として機能する。

【0089】

データ線１２５４の現在位置によって符号化された値を、現在の被選択メモリアドレスのコピー要素１２０６に格納するために、データ線は、まずデータロック１２７４によって固定される。次に、ロック解除バー１２６６が上げられて、被選択アドレスのコピー要素１２０６における並進運動が自由になる。次に、コピーバー１２６８が上げられて、コピー要素１２０６がコピーリンク１２７２によって上方にピボット運動させられることで、コピー要素１２０６と入力１２０２（データロック１２７４により位置が固定）との相互作用によりコピー要素１２０６が入力１２０２の位置（データ線１２５４の位置で設定される）に対応する位置まで動かされる。次に、ロック解除バー１２６６が下げられて、コピー要素１２０６が位置間で並進運動することが防止され、符号化された値が記憶される。その後、コピーバー１２６８が下降可能となり、データロック１２７４を解除して、データ線１２５４を新しい値にリセット可能となる。

【0090】

記憶した値を取り出すために、コピーバー１２６８とロック解除バー１２６６との動作を逆にすることが可能である。データ線１２５４のロックを解除して入力１２０２を動かせるようにし、次にコピーバー１２６８を上げる。ロック解除バー１２６６はまだ上げられていないので、被選択メモリアドレスのコピー要素１２０６は並進運動しないように阻止され、したがって各々のコピー要素１２０６は、それらの現在値（対応する入力１２０２の値をコピーした後に、前回記憶した値）を反映する位置を保持する。コピーバー１２６８が上げられると、各コピー要素１２０６のピボット運動は、コピー要素１２０６によって現在符号化されている値（この場合、入力１２０２は実質的に出力として機能する）と合致するように、対応する入力１２０２を０値又は１値の何れかの位置に動かすように作用する。次に、入力１２０２は、データロック１２７４を作動させることによって所定位置にロックされ、次にコピーバー１２６８が下降可能となり、その後に、メモリ選択バー１２６０が下げられて、値を取り出すための新しいメモリアドレスの選択が可能となる。

【0091】

シンプルなモーターを提供するために、ＮＣＦ相互作用を用いるカム作用を利用可能である。図１３Ａは回転子機構１３００の一例を示しており、並進運動を回転運動に変換するためにＮＣＦ相互作用が採用される。回転子機構１３００は、駆動体１３０２と被駆動要素１３０４を有する。駆動体１３０２は引力要素１３０６を有し、その一方で被駆動要素１３０４は螺旋ねじ山１３０８を有し、螺旋ねじ山１３０８はエッジ１３１０によって境界付けられ、螺旋ねじ山１３０８に引力要素１３０６が引き付けられる。図示の機構では、引力要素１３０６は磁石であり、螺旋ねじ山１３０８は強磁性材料で形成されている。被駆動要素１３０４は、軸１３１２を中心に回転するように設置され、駆動体１３０２は、軸１３１２と平行に並進運動可能である。駆動体１３０２が並進運動するとき、並進運動する引力要素１３０６と螺旋ねじ山１３０８との間のＮＣＦを一定に保つために、複数のエッジ１３１０の何れかを越えて引力要素１３０６を動かさないように、被駆動要素１３０４が回転する。螺旋ねじ山１３０８は活性面を提供しており、係合要素としての引力要素１３０６が複数のエッジ１３１０の一方に押し付けられるのを避けるために強制的に動かされる。実際には、螺旋ねじ山１３０８は、もし仮に成形板１１０６が細長く且つ円筒状に巻かれていたとする場合における、図１１Ａ及び図１１Ｂに示される機構の成形板１１０６と、同様のカム動作を提供する（先に記したように、多くの機構は平板又は円筒を用いて同様の方法で機能し、幾つかの用途では球形又は半球形などの他の形状への適用も実用的であり得る）。また、回転要素が動かされるようにして他方の要素の並進運動を生じさせるなど、動きを逆にすることも可能である。

【0092】

図１３Ｂ及び図１３Ｃは回転体機構１３５０を示しており、回転体機構１３５０は単一の入力１３５２と複数の出力１３５４との間で回転運動を選択的に伝達する役割を果たし、機械式マルチプレクサとして採用され得る。伝達方式を逆にし、複数の入力が単一の出力に回転運動を選択的に伝達することも可能である。入力１３５２は、入力シャフト１３５６と細長い入力ヘッド１３５８を有する。同様に、出力１３５４の各々は、出力シャフト１３６０および細長い出力ヘッド１３６２を有する。複数の出力１３５４がそれらの出力ヘッド１３６２を整列させつつ配置された場合、出力ヘッド１３６２と平行に入力ヘッド１３５８がのびるように入力１３５２を配置可能であり、選択した１つの出力ヘッド１３６２に並べて入力ヘッド１３５８を配置するように入力１３５２を（図示しない手段によって）動かすことが可能である。出力ヘッド１３６２が形成するラインには小さな途切れがあるだけなので、入力１３５２のそのような動きは、入力ヘッド１３５８が対応する出力ヘッド１３６２のエッジを超えて移動する時に打ち勝つべき僅かなＶＤＷ障壁をもたらすだけである。選択された出力ヘッド１３６２に一旦整列すると、入力１３５２は回転可能となり（図１３Ｃ参照）、ヘッド（１３５８、１３６２）を互いの整列から外すために必要となるであろうヘッド間のＶＤＷ引力に打ち勝たないように、ＶＤＷ力によって出力ヘッド１３６２が入力ヘッド１３５８と共に回転させられる。回転運動は、選択された出力シャフト１３６０に伝達される。機構１３５０は、出力ヘッド１３６２の整列位置で入力ヘッド１３５８及び整列した出力ヘッド１３６２が静止するように、増加幅１８０°で入力１３５２を回転させるように設計可能である。次に、入力１３５２は、入力ヘッドを別の出力ヘッド１３６２と対向させるように移動可能であり、その後、入力１３５２の回転によりその出力１３５４が強制的に回転させられる。

【0093】

入力ヘッドを１つの出力ヘッドと並んだ状態から別の出力ヘッドと並んだ状態へと動かすために打ち勝つべきＶＤＷ力をさらに低減するために、入力ヘッド又は出力ヘッドの形状は、出力ヘッド間の移動時の障壁を低減するように調整可能であろう。一例として、図１３Ｄは、出力ヘッド１３７２の形状においてのみ機構１３５０と異なる回転体機構１３７０を示しており、複数の出力ヘッド１３７２が面取りされて、出力ヘッド１３７２の隣接部位が重なるようになっている。入力ヘッド１３５８が複数の出力ヘッド１３７２の間を移動する際に、出力ヘッド１３７２間のギャップを横切る移動に対するＶＤＷ障壁がより緩やかになり、ＶＤＷ力の抵抗に打ち勝つために必要な力がより少なくなる筈である。

【0094】

図１３ＥはＮＣＦエネルギー障壁の他の使用法を示し、有効エッジを越えて要素を動かすためにエネルギー障壁に打ち勝つ必要のないように部品を動かすための使用法である。ベルト駆動機構１３９０は一組の滑車１３９２を採用し、滑車歯１３９４が形成されたエッジを有している。ベルト１３９６はベルト歯１３９８のエッジを有しており、ベルト１３９６は滑車１３９２に係合する。ベルト歯１３９８は、滑車歯１３９４と合致し且つ滑車歯１３９４の上に重ねられており、滑車歯１３９４のエッジを越えて動かされることに対するＮＣＦ障壁を作り出す。このエネルギー障壁は歯（１３９４、１３９８）の整列を保つように作用し、滑車１３９２の一方を回転させるとベルト１３９６が動いて歯（１３９４、１３９８）の整列を保ち、ベルト１３９６のそのような動きにより他方の滑車１３９２も共に動かされる。分子スケールの機構の場合、滑車１３９２をＣＮＴから形成可能であろうし、ベルト１３９６をグラフェンから形成可能であろう。滑車１３９２の間隔がより大きい場合、ベルト１３９６の側面が互いに引き合うことを打ち消すために、ベルト１３９６に沿ってのびるＣＮＴガイドを使用可能であろう。

【0095】

ＮＣＦは、部品の動きをガイド又は制限することにも採用可能であり、或る部品のＮＣＦに反応する部分又は要素が別の部品のエッジに接触することが回避されるようにする（議論の意図のために、このような第２部品は動かないものとみなす）。図１４Ａ及び図１４Ｂはガイド機構１４００を図示し、図１１Ａ及び図１１Ｂに示したリンク体１１００の部品と同様の部品を採用する。ガイド１４００は、再び、成形板１４０４（活性面を提供）を持つ第１部品１４０２と、引力要素１４０８（係合要素を提供）を持つ第２部品１４０６とを有する。しかし、ガイド１４００では、第１部品１４０２は固定されており、第２部品１４０６は、その伸長軸に沿った並進運動に限定されない（図示の例では、第２部品１４０６の動きはピボット運動及び移動の両方であり、左側視界外にある軸を中心にピボット運動し、このピボット軸が並進運動する際に移動をする）。第２部品１４０６のピボット軸を並進運動させる力が加えられると（図１４Ｂ参照）、引力要素１４０８と成形板１４０４との間のＮＣＦが作用して第２部品１４０６の動きをガイドし、成形板１４０４のエッジに引力要素１４０８が接触することが回避される。図１４Ｃは、同じ原理を拡張するガイド機構１４３０を示しており、ガイドトラック１４３２が、所定位置に固定される第１部品として機能する。ガイドトラック１４３２は、また、第２部品１４０６の動きをガイドして、引力要素１４０８とガイドトラック１４３２の間のＮＣＦに打ち勝つことが必要となるであろう引力要素１４０８とガイドトラック１４３２のエッジとの接触を回避するために、第２部品１４０６を所望運動経路に沿って導く役割を果たす。この場合、ガイドトラック１４３２は、第２部品１４０６のピボット軸が並進運動する際に、曲線を含む経路に沿って引力要素を導く。

【0096】

トラックが動き且つトラックに追従する要素が固定されるように、構成部品の相対位置を変更することによって、同じガイド効果を達成することができる。そのような方式の一例として、図１４Ｄはデータリーダ機構１４５０を図示しており、データリーダ機構１４５０に組み込まれた構成部品は、図１１Ｈのデータリーダ機構１１７０の構成部品と機能的に類似しているが、ＮＣＦとしてファンデルワールス引力を採用するナノスケール製作用に設計されている。機構１４５０は、２組の引力垂直ガイド要素１４５２（ロンズデーライト等のダイヤモンドイド材料で形成され得る）を有し、各々が、２つのデータリボン１４５４（グラフェンテープから形成され得る）の１つと係合するように位置決めされる。ガイド要素１４５２は、データリボン１４５４の動きが本質的に垂直な動きに制限されるように、データリボン１４５４における障害物無しの垂直領域とは反対の側に固定及び配置されるが、その理由は、軸から外れた動きをするにはデータリボン１４５４のエッジの１つをガイド要素１４５２の１つに接触させてＮＣＦに打ち勝つ力が必要となるからである。データリーダ１４５０において、ガイド要素１４５２のガイド効果は、４つのビットリーダ１４５６（変性ＣＮＴから形成され得る）に対してデータリボン１４５４がドリフト移動する問題を回避するのに役立つ。図１４Ｄはまた、スリーブ１４５８（これはより大きなＣＮＴで形成され得る）に取り付けられたビットリーダ１４５６を示す。ファンデルワールス引力が要素を最大重なり位置に向かって引き寄せる傾向があり、重なりを減少させる動きに対して復元力をもたらすので、各ビットリーダ１４５６が対応するスリーブ１４５８内を動くことで両要素の重なり深さが変化する場合、入れ子式ＣＮＴがばねとして採用され得る。このような復元力は、図示のスリーブ１４５８を用いて、或いはビットリーダ１４５６の別の部位に重なる別のスリーブのセットを用いて、ビットリーダ１４５６に張力を与えるのに使用され得る。

【0097】

部品がＮＣＦの変化なしに一方の種類の動きが可能であるが他方の種類の動きを可能とするにはＮＣＦに打ち勝つ必要があるように構成されている場合、同様のガイド作用を利用して２つの部品の間の動きを回転運動又は並進運動のいずれかに制限することができる。これは、動きを所望の種類及び／又は範囲に制限するための必要部品数を減らすことによって機構を簡素化する目的で採用可能であり、また、部品が回転運動と並進運動との両方の動きを可能とするものの一方の場合は自由に動くが他方の場合は動くために力を必要とするような機構を設計することもできる。図１５Ａは、内側部品１５０２と外側部品１５０４を有するロータリージョイント１５００を示す。内側部品１５０２は軸１５０６に沿って細長であり且つ内側部品軸受部１５０８を有し、内側部品軸受部１５０８は軸１５０６まわりに拡径し且つ対称な形状である。外側部品１５０４は、外側部品通路１５１０を有するとともに、その通路１５１０の端部付近に配置された引力要素１５１２を備えている。部品（１５０２、１５０４）は軸１５０６を中心にして互いに関して回転自在であるが（接触している場合は摩擦力を受ける）、これは、そのような回転運動が内側部品軸受部１５０８と引力要素１５１２との間のＮＣＦを変化させることがないからである。しかしながら、軸１５０６に沿った並進運動をするためには引力要素１５１２と軸受部１５０８との間のＮＣＦに打ち勝つことが必要であり、その理由は、そのような運動により、通路１５１０の一端における引力要素１５１２が、軸受部１５０８の終端する有効エッジと接触することになるからである。ＮＣＦに打ち勝つための十分な力が加わらない限り、部品（１５０２、１５０４）は回転可能であるが、互いに関して並進運動ができない。留意点として、並進運動に対するこのような制限は、機構を複雑にするような追加の運動制限部品なしで達成されている。ナノスケールの機構では、変性ＣＮＴが、回転ジョイントの内側要素及び外側要素（図５Ｃ及び図５Ｄに示す要素５５２、５５４及び５６４と同様であり得る）に使用可能であり得るとともに、ＶＤＷ力が内側部品をその軸方向位置に保持するＮＣＦｓを提供する。留意点として、軸受部１５０８と通路１５１０の相対的な長さは、回転運動と限定範囲の並進運動とを可能にするために、変更可能であろう。図１５Ｂはロータリージョイント１５３０を図示し、内側部品１５３２と、同じ外側部品１５０４とを採用している。この例の内側部品１５３２は、拡径した２つの軸受部１５３４を有し、その何れかが外側部品通路１５１０によって回転係合可能である。外側部品１５０８は、内側部品１５３２に関連する２つの異なる位置の間で強制的に並進移動可能であり、何れかの長手方向位置にあるときに回転自在である。

【0098】

図１５Ｃはスライドジョイント１５５０を図示しており、図１５Ａのロータリージョイント１５００と機能を逆にしたものであり、（限られた範囲内で）自由並進運動を可能とするが、回転運動には抵抗する。スライドジョイント１５５０では、内側部品１５５２及び外側部品１５５４が、軸受部１５５６及び通路１５５８をそれぞれ備え、部品（１５５２、１５５４）はＮＣＦに打ち勝つことなく軸１５６０に沿う並進運動が可能となるように構成されるが、部品（１５５２、１５５４）が互いに関して回転運動するためには力を必要とする。スライドジョイント１５５０では、このような構成は、外側部品１５５４に引力要素１５６２を配置するとともに、引力要素１５６２に対向して位置する軸受面１５６４により軸受部１５５６を構成することによって、達成される。部品（１５５２、１５５４）の並進運動は、ＮＣＦを大きく変化させることなく、軸受面１５６４を引力要素１５６２に沿って動かすが、その一方で、部品（１５５２、１５５４）の回転運動は、引力要素１５６２を軸受面１５６４のエッジに接触させて有効に動かすことが必要であろうし、かかる回転には抵抗が生じる。引力要素１５６２と４つの軸受面１５６４とにより４つの組が設けられているので、部品（１５５２、１５５４）は、互いに関して４つの角度位置の間を強制的に回転可能であり、当該４つの位置の何れかにあるときに限られた距離を自由に並進運動可能である。

【0099】

説明のために特定の例を採用した上記の議論は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲を限定するものとして理解されるべきではない。

【図1A-D】

【図1E】

【図1F】

【図1G】

【図1H】

【図1I】

【図1J】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図7G】

【図7H】

【図7I】

【図7J】

【図7K】

【図7L】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11A-C】

【図11D】

【図11E】

【図11F】

【図11G】

【図11H】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図12E】

【図12F】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図13E】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【手続補正書】

【提出日】2022-12-20

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)であって、
第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)と、
第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)と、を備え、
前記第２部品は、規定した動作範囲において前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)に対して可動であり、前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)に対して、ファンデルワールス力に起因する、引力性の非接触力を発生させ、
前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)と前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)は、前記規定した可動範囲に亘って動いても、一方の部品の何れの部分も、ファンデルワールス引力の実質的変化を引き起こすように他方の部品の有効エッジに近接するようには動かされず、且つそれ故に部品間の前記非接触力が前記規定した動作範囲に亘って実質的に変化しないように、互いに関連して構成され、
前記機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)は、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式入力の形態でデータを受け入れ、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式出力の形態でデータを出力するように構成され、
前記機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)は、前記入力の少なくとも１つに論理演算を行うことによって少なくとも１つの出力の前記位置が決定されるように構成され、前記論理演算が、組み合わせ論理演算、順序論理演算及びブール論理演算からなる群のなかの少なくとも１つの演算を含む、機構。

【請求項2】

請求項１に記載の機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)であって、
前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)が、少なくとも非活性位置と活性位置との間で動くことができ、
前記非活性位置では、前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)が部品間の前記引力を実質的に変化させずに前記第１部品に関連して相対的に可動であり、
前記活性位置では、前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)に関連する前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)の動きは、前記引力の著しい変化に打ち勝つことを必要とする、機構。

【請求項3】

請求項２に記載の機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)であって、
前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)は、前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)がその活性位置にある場合に、少なくとも１つの方向において前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)の動きを阻止する、機構。

【請求項4】

請求項１に記載の機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)であって、
前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)及び前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)は、少なくとも前記機構の活性動作状態において、前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)の動きが、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)の対応する動きを必要とするように、互いに関して構成される、機構。

【請求項5】

請求項４に記載の機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)であって、
前記機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)は、非活性動作状態に設定可能であり、
前記非活性動作状態において、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)の動きを必要とせずに前記第１部品(212, 406, 602, 702, 752, 910, 1014, 1218)の動きを収容可能である、機構。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の機構(200, 400, 600, 700, 750, 900, 1000, 1200)であって、
被駆動要素を備え、
前記入力（複数可）の前記位置（複数可）が、前記被駆動要素の変位が複数の前記出力のうち選択された１つに伝達されることなく収容可能であるか否かを決定するための前記機構内の許容動作範囲を決定する、機構。

【請求項7】

機構(300, 1400, 1450, 1500, 1550)であって、
少なくとも１つの有効エッジが形成される第１部品(320, 1406, 1454, 1502, 1552)と、
可動である第２部品(304, 1404, 1452, 1504, 1554)と、を備え、
前記第２部品は、前記第１部品(320, 1406, 1454, 1502, 1552)に対して可動であり、前記第１部品と前記第２部品との間にファンデルワールス引力に起因する非接触力を生成するように前記第１部品(320, 1406, 1454, 1502, 1552)と相互作用し、
前記第１部品(320, 1406, 1454, 1502, 1552)と前記第２部品(304, 1404, 1452, 1504, 1554)とが、部品間の前記非接触力が前記第１部品(320, 1406, 1454, 1502, 1552)に対する前記第２部品の許容動作範囲を規定するように互いに関して構成され、
前記第２部品(304, 1404, 1452, 1504, 1554)の前記動作範囲は、前記第１部品(320, 1406, 1454, 1502, 1552)と前記第２部品(304, 1404, 1452, 1504, 1554)との間のファンデルワールス引力に実質的な変化が引き起こされるように前記第１部品の前記有効エッジ（複数可）に関連して前記第２部品(304, 1404, 1452, 1504, 1554)を動かすことのない動作範囲として規定され、且つそれ故に前記動作範囲内における前記第２部品の動きは前記部品間の前記非接触力を実質的に変化させない、機構。

【請求項8】

請求項７に記載の機構(300, 1400, 1450, 1500, 1550)であって、前記有効エッジは、前記有効エッジを越えて続く表面の下に存在する構造によって提供される、機構。

【請求項9】

機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
可動である第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)と、
可動である第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)と、を備え、
前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)及び前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)のうち一方が少なくとも１つの活性面を持ち、前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392及び前記第２部品 (554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)のうち他方が少なくとも１つの係合要素を持ち、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、
前記係合要素（複数可）及び前記活性面（複数可）は、ファンデルワールス引力に起因してそれらの間に非接触力を生成し、
前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)及び前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)は、少なくとも前記機構の活性動作状態において、前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)が前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)の動きに応答して強制的に動くように構成され、前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)が動かなかった場合に前記有効エッジ（複数可）に関連して前記係合要素（複数可）が動く結果生じるであろう、前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)と前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)との間に生ずる前記ファンデルワールス引力の実質的な変化を回避するように、前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)が動く、機構。

【請求項10】

請求項９に記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
前記機構は、活性動作状態と非活性動作状態とに選択的に構成されることが可能であり、
前記活性動作状態では、前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)の動きに応答して前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)が動き、
前記非活性動作状態では、部品間の非接触力の実質的変化を回避するために前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)の動きに応答して前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)が動くことを必要とするであろう部品間の非接触力の実質的変化を生じさせることなく、前記係合要素（複数可）の動きを収容可能である、機構。

【請求項11】

請求項９又は請求項１０に記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)と前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)とのうち少なくとも一方は、少なくとも１つの入力によって位置決めされる、機構。

【請求項12】

請求項１１に記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)の動きに応答する前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)の動きは、１つ以上の入力の位置に対して行われるブール関数で決定される、機構。

【請求項13】

請求項１２に記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
前記機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)は、ＮＯＲゲート、ＮＡＮＤゲート及びＸＯＲゲートからなる群から選択した論理ゲートの機能を提供する、機構。

【請求項14】

請求項１１に記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
前記機構は、機械式のクロック信号により駆動され、前記クロック信号のサイクル間に前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)と前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)とのうち少なくとも一方の位置が記憶されるように構成される、機構。

【請求項15】

請求項１から請求項１４のいずれか１つに記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、
前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)と前記第２部品(554, 704, 762, 908, 1102, 1154, 1302, 1354, 1396)とのうち少なくとも一方は、カーボンナノチューブで構成される、機構。

【請求項16】

請求項９から請求項１５のいずれか１つに記載の機構であって、
前記機構は、前記第１部品(552, 702, 752, 910, 1104, 1152, 1304, 1352, 1392)の動きに応答して前記第２部品を動かすために、１μＮを超えない力を要する、機構。

【請求項17】

請求項１から請求項１６のいずれか１つに記載の機構(550, 700, 750, 900, 1100, 1150, 1170, 1300, 1350, 1390)であって、前記機構の体積は０．００１ｍｍ ^３ を超えない、機構。

【請求項18】

機構(750, 900, 1000, 1200)であって、
第１部品(752, 910, 1014, 1218)と、
第２部品(762, 908, 1010, 1208)と、を備え、
前記第２部品は、規定した動作範囲を通じて前記第１部品(752, 910, 1014, 1218)に対して可動であり、
前記第１部品(752, 910, 1014, 1218)及び前記第２部品(762, 908, 1010, 1208)は、部品間で、ファンデルワールス引力に起因する引力性の非接触力を発生させ、
前記第１部品(752, 910, 1014, 1218)及び前記第２部品(762, 908, 1010, 1208)は、前記規定した動作範囲に亘って、ＶＤＷ引力が実質的に及ばない程の十分に大きな距離を離間した前記第１部品(752, 910, 1014, 1218)及び前記第２部品(762, 908, 1010, 1208)の部分だけが互いに対して距離を変化させるように、互いに関連して構成され、
前記機構の体積は０．００１ｍｍ^３を超えない、機構。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、非接触力を受ける作動部品に関し、そのような非接触力に打ち勝つことに関連する問題を回避し及び／又は部品間の動きの調整にそのような非接触力を採用するように構築された機構に関する。

【背景技術】

【0002】

ファンデルワールス力、及び静電気力や電磁力などの接触に依存しない同様の力は、非結合の力又は「非接触力」として特徴付けることができ、ここでは「ＮＣＦ」と略記する。静電気力は、ロンドン分散力、双極子－双極子力（以下、まとめてファンデルワールス力又は「ＶＤＷ」と呼ぶ）を含み、短い距離（オングストロームオーダー）で作用する。機構内のマクロな部品では、これらの力は機構の動作に影響を与えないのが一般的であり、何故なら重力、慣性、摩擦その他の力が支配的だからである。しかし、短い距離で隔てられた小さな部品においては、ＶＤＷが顕著となり得る。例えば、根元で固定された平行な２本のカーボンナノチューブが数オングストローム離れていると、ＶＤＷによって互いに曲がって付着し一体化する。ＶＤＷは小さな部品を曲げられるほど強いだけでなく、ＶＤＷが２つの表面を引っ張り合うことで作動部品の抗力に寄与し得る。ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳの分野では、これを"スティクション"と呼び（"ｓｔｉｃｋｉｎｇ"と"ｆｒｉｃｔｉｏｎ"の合成語）、マイクロスケールのデバイスで問題になることがある。

【発明の概要】

【0003】

以下の概要は、添付の特許請求の範囲に記載された新規かつ発明的な特徴の理解を助けるために提供され、発明的な特徴の完全な説明を提供することを意図していない。したがって、特許請求の範囲を適切に解釈するために、本開示全体を考慮すべきであることが理解されるべきである。

【0004】

開示される様々な機構は、適切に機能するための非接触力（ＮＣＦ）の管理に依存している。そのようなＮＣＦは、ファンデルワールス引力、磁気引力、及び静電引力を含むことができるが、これらに限定されるものではない。特定の機構の機能は、その意図された使用に依存し、典型的には、当該機構の１つ以上の構成要素の動きを制御及び／又は制限するためのＮＣＦの管理に依存する。

【0005】

機構は、第１部品と第２部品とを有しこれらの間で引力性のＮＣＦを前記第２部品が有してもよく、前記第２部品は、規定した動作範囲において前記第１部品に対して可動であり、これらの部品は、それらの間の前記ＮＣＦが前記規定した動作範囲に亘って実質的に変化しないように互いに関連して構成されている。このような機構は、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式入力の形態でデータを受け入れ、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式出力の形態でデータを出力し、前記入力の少なくとも１つに論理演算を行うことによって少なくとも１つの出力の前記位置が決定されるように機構が構成されてもよく、論理演算は組み合わせ論理演算、順序論理演算及びブール論理演算からなる群のなかの少なくとも１つの演算を含む。幾つかのそのような機構では、前記第１部品が、少なくとも非活性位置と活性位置との間で動くことができ、前記非活性位置では、前記第２部品がそれらの間の引力を実質的に変化させずに前記第１部品に関連して相対的に可動であり、前記活性位置では、前記第１部品に関連する前記第２部品の動きは、前記引力の著しい変化に打ち勝つことを必要とする。前記第１部品は、前記第１部品がその活性位置にある場合に、少なくとも１つの方向において前記第２部品の動きを阻止してもよい。幾つかの機構では、前記第１部品及び前記第２部品は、（少なくとも前記機構の活性動作状態において）前記第１部品の動きが、前記第１、２部品間の引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の対応する動きを必要とするように、互いに関して構成される。幾つかのそのような機構は非活性動作状態に設定可能であり、前記非活性動作状態において、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の動きを必要とせずに前記第１部品の動きを収容可能である。機構は被駆動要素（これはと他の"入力"として考慮され得る）を備えてもよく、前記（データ）入力（複数可）の前記位置（複数可）が前記機構内の許容動作範囲を決定してこれにより前記被駆動要素の変位が複数の前記出力のうち選択された１つに伝達されることなく収容可能か否かが決定されるように機構が構成されてもよい。規定した動作範囲に亘ってそれらの間のＮＣＦが実質的に変化しないように互いに関連して構成された第１部品と第２部品を有する機構は、一辺１００μｍの立方体の体積に収まってもよい。

【0006】

機構は、第１及び第２部品を備えてもよく、前記第１及び第２部品は互いに関して可動であり、それらの間にＮＣＦを生成するように相互作用し、これらの部品は、部品間のＮＣＦが前記第１部品に対する前記第２部品の許容動作範囲を規定するように互いに関して構成され、そのような許容動作は部品間のＮＣＦを実質的に変化させない。幾つかのそのような機構では、前記第１部品に少なくとも１つの有効エッジが形成され、更に、前記第２部品の前記動作範囲は、前記第１部品と前記第２部品との間のＮＣＦに実質的な変化が引き起こされるように前記有効エッジ（複数可）に関連して前記第２部品を動かすことのない動作範囲として規定される。そのような有効エッジは、前記有効エッジを越えて続く表面の下に存在する構造によって提供可能である。

【0007】

機構は、可動である第１及び第２部品を備え、少なくとも１つの活性面と少なくとも１つの係合要素とを伴い、前記少なくとも１つの活性面は、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、これらの前記部品のうち一方に設けられ、前記少なくとも１つの係合要素は、前記部品のうち他方に設けられ、前記係合要素（複数可）は、前記活性面の少なくとも１つと相互作用してその間にＮＣＦを生成する。そのような機構において、前記第１及び第２部品は前記第２部品の動きが前記第１部品の動きにより制御されるように構成可能であり、前記第２部品は、前記係合要素（複数可）が前記有効エッジ（複数可）に関連して動くことに起因する前記ＮＣＦの変化を最小化するように動く。代替的に、そのような機構は、被駆動要素を具備可能であり、前記被駆動要素は前記第２部品を動かすように作用し、前記第１部品及び前記第２部品は、前記被駆動要素の動きの結果として生ずる前記第２部品の動きが前記第１部品の位置により制御されるように構成され、前記第２部品は、前記係合要素（複数可）が前記有効エッジ（複数可）に関連して動くことに起因する前記ＮＣＦの変化を最小化するように動く。そのような機構の何れにおいても、機構は、前記第２部品が前記第１部品と前記第２部品との間の前記非接触力の実質的な変化を回避するように動くように構成されてもよく、又は、前記第２部品が動かない場合よりも前記第２部品と前記第１部品との間の前記非接触力の固さの変化がより小さくなるように前記第２部品が動くように構成されてもよい。幾つかの機構では、前記機構は、活性動作状態と非活性動作状態とに選択的に構成されることが可能であり、前記活性動作状態では、前記有効エッジ（複数可）に関連する前記係合要素（複数可）の動きに応答して前記第２部品が動き、前記非活性動作状態では、前記第２部品の動きを必要とするそれらの間の非接触力に実質的な変化を生じさせることなく前記係合要素（複数可）の動きを収容可能である。機構は、前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方は、少なくとも１つの入力によって位置決めされてもよく、そのような場合、前記有効エッジ（複数可）に関連する前記係合要素（複数可）の動きに応答する前記第２部品の動きは、１つ以上の入力の位置に対して行われるブール関数で決定され得るであろうし、そのような機構は、ＮＯＲゲート、ＮＡＮＤゲート及びＸＯＲゲートからなる群から選択した論理ゲートの機能を提供し得るであろう。前記機構が機械式のクロック信号により駆動される場合、前記クロック信号のサイクル間に前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方の位置が記憶されるように構成されてもよい。

【0008】

機構は、第１及び第２入力と、少なくとも１つの出力と、を備え、前記入力の位置により前記出力（複数可）の結果位置が決まるように構成され、前記結果位置では、前記入力の位置の何れかの変更に応答した前記機構の構成要素の間におけるＮＣＦの変化に対する抵抗が最小となる。幾つかのそのような機構では、前記第１入力は、前記第２入力の位置決めよりも先に位置決めされ、そのような機構は、制御要素（或いは複数の制御要素）を備えてもよく、前記制御要素は、ＮＣＦを介して前記第２入力の動きを前記出力要素（複数可）に選択的に伝達し、前記制御要素（複数可）が前記第２入力の動きを伝達するか否かを前記第１入力の位置によって少なくとも部分的に決定するように、前記機構が構成される。そのような機構は、前記制御要素（複数可）がＮＣＦにより前記第２入力に引き寄せられることが可能に構成されてもよく、前記第１入力の前記位置が、少なくとも部分的に、前記第２入力により前記制御要素を動かすように作用する前記ＮＣＦがそのような動きに抵抗するＮＣＦよりも固いか否かを決定可能に構成されてもよい。そのような機構は、第３入力を備えてもよく、前記第３入力が、前記第１入力との組み合わせにおいて、前記第２入力と共に前記制御要素（複数可）の少なくとも１つを動かすように作用する前記ＮＣＦが、そのような動きに抵抗するＮＣＦよりも固いか否かを決定可能である。幾つかの機構では、前記入力（複数可）の前記位置（複数可）が、ＮＣＦの変化を最小化するために前記出力（複数可）を動かさずに前記第２入力の動きを収容可能か否かを決定する。

【0009】

ＮＣＦを使用することで、機械的な接続がなくても部品の相互作用が可能になるので、比較的少ない部品で機構を構成できることが多い。その結果、マイクロスケールで製作される機構は、０．００１ｍｍ^３（一辺が１００μｍの立方体の体積）を超えない体積に収まるはずであり、幾つかのそのようなデバイスが要する作動力が１μＮを超えないことも期待される。１０μｍや１μｍの立方体の体積に収まるような小型の機構を作れば、１００ｎＮや１０ｎＮのような低い作動力で済むであろう。さらに小さなデバイスは、ナノスケールの製造技術によって作製可能であろうし、一辺１００ｎｍの立方体の体積内に収まり得るであろうし、いくつかのナノスケールの論理機構は、５０ｎｍ立方体、２５ｎｍ立方体、あるいは１０ｎｍ立方体と同じくらい小さく作ることが可能であろう。本明細書で議論される多くの機構について、言及された第１及び第２部品、入力、及び出力などの構成要素は、カーボンナノチューブ又はダイヤモンド、ロンズデーライト、又はダイヤモンドイド材料の構造から構成され得る。ナノスケールの機構では、作動力は１ｎＮ又はそれ以下である可能性があり、分子力学シミュレーションは、構成要素の動きを調整するためにＮＣＦを採用する論理ゲートなどのいくつかの機構が、１００ｐＮ未満、又は１０ｐＮ未満の作動力で機能すべきことを示す。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A-D】図１Ａ及び図１Ｂは先行技術のヒンジを示し、これは、ナノ又はマイクロスケールの機構で実装される場合、部品が動くときにＮＣＦの変化を受ける可能性がある。図１Ｃ及び図１Ｄは円形の延長パッドを採用したヒンジを示し、ヒンジにジョイント付近の回転対称性が付与され、それによって部品が動く際のＶＤＷの大きな変化を回避できる。

【図1E-J】図１Ｅ～図１Ｊは、スライドする物体の図であり、並進運動により引力が変化する場合と、並進運動により引力が変化しない場合とを図示している。

【図2A-B】図２Ａ及び図２Ｂは機構を図示しており、当該機構では、トラック要素が力伝達要素に係合するための連続的な表面を提供する役割を果たし、その要素が残りの要素との整列状態に入る又はそこから離脱する際にＮＣＦを克服する必要性を回避する。

【図3A-D】図３Ａ～図３Ｃは滑らかな表面を例示する図であり、下層構造の不連続性により、部品が表面上を移動するとＮＣＦが変化し、有効エッジが提供される。図３Ｄは、異なる材料が有効エッジを提供する、別の滑らかな表面を示す図である。

【図4A-G】図４Ａ～図４Ｆはロック機構を例示し、当該ロック機構では、或る位置では入力が作用することで、動くために部品間の引力に打ち勝つことを必要とすることで被駆動要素の前進を妨げるとともに、他の位置においては入力がインピーダンスなしに動きを許容するものである。図４Ｇは、当該原理を、２系統の可動テープを用いる機構に採用したものである。

【図5A-D】図５Ａ～図５Ｄは、エッジのインピーダンスが、被駆動要素に応答する出力の動きを選択的に抑制する役割を果たす機構を示し、これらの例に示すように、２つの入力が設けられる場合、ＮＯＲ論理関数が提供される。

【図6A-F】図６Ａ～図６Ｆは、２つの入力に基づいて選択的に並進運動を阻止又は許容するための同心回転要素を採用する機構の、２つのバリエーションを示す図である。図６Ａ～図６Ｃは、ナノスケールの製造に適した機構を示し、ファンデルワールス引力がＮＣＦとして機能し、このＮＣＦは入力の何れかが角度変位される場合に中央要素の並進運動を阻止する。図６Ｄ～図６Ｆは、より大規模な類似の論理機構を図示し、磁石によりＮＣＦを提供する。

【図7A-L】図７Ａ～図７Ｌは各入力が制御要素（成形板として形成される）の位置を決定する機構を図示し、制御要素は、被駆動要素の動きを収容するか又はそれと共に動かされるかの何れかであり、被駆動要素と共に動かされると出力を動かす。図７Ａ及び図７Ｂは、動きを収容するか又は伝達するトランスミッションゲートを示し、図７Ｃは、このようなゲートを使用して形成可能な３入力のＮＯＲゲートを示している。図７Ｄ～図７Ｆは、ＮＡＮＤゲートとＸＯＲゲートを示す図である。図７Ｇ～図７Ｉは採用され得る代替のトランスミッションゲート構成を図示し、板がピボット運動可能に入力に取り付けられる。図７Ｊは拡大した足部を示す図であり、この拡大した足部は、ピンとエッジによって囲まれた表面との間の相互作用によって伝達され得る力の大きさを増加させるために採用され得る。図７Ｋ及び図７Ｌはスイッチゲートを図示し、スイッチゲートは２つの対向するトランスミッションゲートを採用し、スイッチゲートは、入力位置に応じて、変位信号を２つの出力の何れかに向ける役割を果たす。

【図8A-C】図８Ａ及び図８Ｂはトランスミッションゲートの２つの例を示す図であり、図７Ｈ及び図７Ｉに示されるゲートと同様の機能を提供し、分子集合によるナノスケール製造によく適するように設計される。図８Ａ及び図８Ｂに示されるゲートは、成形ＣＮＴを使用して作製可能であり、この成形ＣＮＴは、ダイアモンドブロックに固定されたＣＮＴから形成されたチューブ内でスライドする。図８Ｃは代替トランスミッションゲートを示す図であり、被駆動要素の動きに関連する出力の動きに機械的利得を提供する。

【図9A-D】図９Ａ～図９Ｄは、被駆動要素及び出力に取り付けられた成形板を有する機構を示し、板と係合するコネクタが１つ以上の入力により位置決めされる。

【図10A-D】図１０Ａ～図１０Ｄは、ヒンジと、ＮＣＦを介してピンで係合される成形板とを組み合わせたトランスミッションゲートを示し、板のエッジがヒンジの作用を制限することができる。

【図11A-H】図１１Ａ～図１１Ｈは、ＮＣＦエネルギー障壁の乗り越えを避けるために、１つの部品の動きが他の部品の動きを強制する機構の例を示している。図１１Ａ及び図１１Ｂはカム状連結を図示し、第１部品は板を有し、板は第１部品が動かされるときに第２部品の動きを強制し、そのような動きは第１部品に関連する第２部品の最低エネルギー位置に機構を維持する。図１１Ｃは、部品間で類似方向の動きを提供するために、ピンとスロットを採用する従来の機構を示す図である。図１１Ｄ～図１１Ｇは、機械式データストレージ及び読取機構を示す図である。データリボンがビットを符号化し、垂直リーダがそのビットを読み取る。ビットの読み取りは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示される部品の動きと同様の動きを引き起こし、ビットリーダが作動された後のデータリボンの位置が、そのリーダに関連付けられたビットの値を決定する。図１１Ｈは、各リーダに対して２つのビット値を提供するための２つのデータリボンを有する類似の機構を示す。

【図12A-F】図１２Ａ～１２Ｄは、値を記憶するために採用することができる機械式ラッチを示している。このラッチはコピー要素を成形板と共に採用し、成形板は入力の値を表す位置にコピー要素を動かすことが可能であり、その後、コピー要素は、入力がリセットされる間、値を保持する位置にロック可能である。図１２Ｅは、フリップフロップを形成するために一緒に接続された２つのラッチを示す図である。図１２Ｆはグリッドメモリアレイの一部を示す図であり、ラッチとトランスミッションゲートアレイとから形成されこれらはメモリアドレスを選択するために接続されており、そのメモリアドレスにおいて値を書き込むか取り出すことができる。

【図13A-E】図１３Ａ～図１３Ｅは、回転運動を生成又は伝達するためにＮＣＦを採用する機構の例を示す。図１３Ａは、被駆動部品の並進運動に応答して螺旋状のねじ山を有する部品を回転させるためのカム方式を採用する回転モーターを示す。図１３Ｂ～図１３Ｄは、単一の入力から複数の出力のうちの１つに回転運動を伝達する機構の２つの例を示す図である。図１３Ｅはベルト駆動装置の一例を示す図であり、一方のプーリーから他方のプーリーへ回転運動を伝達するために、プーリー上の対応エッジとベルトとを採用する。

【図14A-D】図１４Ａ～図１４Ｄは、成形板と１つ以上の引力要素との間の相互作用が、部品の動きを導くのに寄与する機構を示す図である。相対的な運動は、部品間の引力に打ち勝つ必要がないように、エッジによって制限される経路に沿って方向付けられる。

【図15A-C】図１５Ａ～図１５Ｃは、内側部品と外側部品との間の自由な動きを制限するためにＮＣＦを採用するガイドを示す図である。図１５Ａ及び図１５Ｂでは、部品が互いに関して自由に回転することを可能にしながら、部品間の軸方向運動が制限される。図１５Ｃは、回転が妨げられ、並進運動が許容されるガイドを示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本願出願人はここに、Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｌｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（Ｄｏｃｋｅｔ ｎｏｓ ＣＯＭＰ－００２－ＰＣＴ ａｎｄ ＣＯＭＰ－００３－ＰＣＴ）と題する、本出願人が並行して提出した出願を付記する。

【0012】

非結合又は非接触の力（この用語は互換的に使用される）には、ファンデルワールス（ＶＤＷ）、ロンドン分散力、静電気力、電磁気力、及びカシミール効果によって生じる力などの力が含まれる。このような力はナノスケール及びより小さなマイクロスケールの機構において特に懸念されるものであり、ＶＤＷのような力は同等の大規模な機構では看取されない効果を生み出す可能性があり、部品を所望の方法で動かすためのエネルギー要件の増加などの悪影響を避けるために考慮されなければならない。同様に、ナノスケール及びより小さなマイクロスケールの機構では、ＮＣＦの活用により、単純な構造を使用して部品の相互作用を制御することができ、ＮＣＦの相互作用が、ある部品と別の部品の相対的な動きを制御する障壁や連結などの機械的構造に取って代わる。機械式デバイスでは、要素間のＮＣＦを採用して、１つ以上の入力位置（被駆動要素を採用する場合、それを含む）に関連する出力位置を定義するように要素を相互作用させることができる。ナノスケールの機構に特別な利点を有する一方で、磁気引力又は静電引力など、より大きなスケールで動作するＮＣＦを採用することができ、教育、研究、開発及び分析の目的でナノスケールの機構の動作をモデル化する際に特別な利点を有し得る。同様に、磁力や静電気もナノスケールデバイスで使用可能であり得るが、しかし、多くの場合、機構の適切な機能を保証するために、ＶＤＷの引力を考慮する必要がある。特定の原理及び／又は例に関して本明細書で使用されるＮＣＦ及びＶＤＷは、ほとんどの場合、交換可能であると考えるべきである。

【0013】

なお、「非接触」は部品同士の接触がないことを意味するものではない。そのような接触が、ある場合もあれば無い場合もある。むしろ、「非接触」は、機構の所望の挙動を実現するために使用される力を指す。例えば、２つの部品が互いに接触し、互いにスライドしていても、その形状や動作経路により、ＶＤＷや磁界などのＮＣＦによって、機構が所望の動作を実現可能となる。いずれか１つの例の部品が接触していても、機構が所望の動作をすることを可能にする力は、依然として非接触又は非結合力である。

【0014】

本明細書で教示されるいくつかの機構では、互いに関連して動く部品は、非接触力（ＮＣＦ）の変化を著しく低減又は消滅させて所望の動きを収容するように設計される。低減された変化は、頻繁な動きに晒される機構において特に価値があり、部品間のＮＣＦを増加及び減少させることは、そのような機構を採用するコンピュータシステムなどのデバイスを操作するのに必要なエネルギーを、大幅に増加させる可能性がある。

【0015】

幾つかの場合には、ＮＣＦ変化の低減は、予想される運動範囲と同等の範囲に構成される表面を有する部品を設計することで達成可能である。典型的には、これは、ある部品の運動が、それが引き付けられる隣接部品の有効エッジ（エッジを使うことが便利である理由については本明細書の議論に従うが、必ずしも必須ではない）に近接したり、それを超えたりすることがないように保証する。例えば、第１部品が第２部品に近接する大きな平坦面を有する場合、それらの相対運動が第２部品を第１部品の表面の有効エッジを越えて動かさない限り、ＮＣＦに実質的変化はない筈である。幾つかの場合には、回転軸に関する対称性を利用可能である。例えば、接触又は近接する２つの部品が互いに回転する場合、少なくとも一方の部品の近接部分が回転軸に関して対称である限り、部品間のＮＣＦは部品の回転に伴って大きく変化することはないであろう。

【0016】

有効エッジは、物理的なエッジであるかどうかにかかわらず、典型的に、部品間のＮＣＦの影響によって変化が生じる場所であることに留意すべきである。例えば、ＶＤＷの影響を受ける小さな部品の場合、ＶＤＷは一般的にエッジに近づくにつれて減少するので、有効エッジは実際には物理エッジの数オングストローム内側に存在し得る。ファンデルワールス引力が懸念される主要ＮＣＦである多くの場合、エッジは物理エッジから約１ｎｍ又はそれ以下の距離を含むと考えることができる。ＶＤＷは距離の増加とともに急速に先細りになるため、部品が近ければＶＤＷが変化するような可動部品は、少なくとも約２～３ｎｍは離しておく必要がある。有意とみなされる特定の距離は特定の状況に依存して決まり、当該特定の状況は、ＶＤＷ引力に対して部品を動かすための作業という形でどれだけのエネルギー消費を許容できるかを含む。別の例では、部品は、表面の下にある下部構造にエッジを有してもよく、当該表面はそのようなエッジを超えて伸張し、下にあるエッジを有する当該面の上又は近傍にある部品のＮＣＦが、たとえ当該面が有効エッジを超えて続いていても、当該面に有効エッジを作り出す。典型的には、有効エッジは、ある部品の上の位置であって、そのような位置を越えて他の部品を動かすと、部品間の既存のＮＣＦの程度を乗り越えるための仕事を必要とするであろう場所のことである。エッジはまた、異種材料の領域の間でそれらの引力が著しく異なる場合に発生し得る。

【0017】

幾つかの場合には、１つ以上のスペーサ要素を隣接する部品の間に介在させて、本明細書に記載の技術の１つを実施するための伸張面を提供することが可能である。例えば、２つの部品が互いに関して回転する必要があり、それらが回転軸の周りで対称でない場合、１つ以上の対称的なスペーサ要素が部品間に介在され得る（例えば、シャフト上のワッシャーに似ているが、分子スケールである）。同様に、並進要素の場合、並進軸に伸張するスペーサを採用し得るであろう。このような場合、スペーサの有効性は、それが可動部品間のＮＣＦを分離するのに十分な厚さであることに依存する。幾つかの場合には、部品の動きに伴うＮＣＦの変化を著しく減少させるが効果的に除去することはできないスペーサでも、有益であり得る。

【0018】

いくつかの場合には、流体（気体や液体を含む）を使用して、ＶＤＷを相殺することができる。例えば、２つの部品が互いに近接する場合、真空中では部品間に引力が発生するはずである。しかし、この機構に流体を加えると、流体もＶＤＷによって部品に引き寄せられることになる。流体が部品同士の引力よりも強く引き寄せられれば、流体は部品間の空間に引き込まれ、流体圧がＶＤＷを相殺することになる。幾つかの場合には、流体圧が部品間のＶＤＷを上回り、実際に部品を互いに遠ざけることになる（Ｐｉｔａｅｖｓｋｉｉ， Ｌ． （２０１０）． "Ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｄｉａ．" ＵＲＬ： ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１０１１．５５９１．ｐｄｆ）。これにより、実際にはＶＤＷは常に引力であるにもかかわらず、マイナスのＮＣＦ又は反発性のＮＣＦという効果がもたらされ得る。

【0019】

上述の技術は、部品が互いに関連して動く際に部品のＮＣＦに打ち勝つために必要な仕事を減らすためのものであり、これらは適切な場合に組み合わせ可能である。例えば、機構は、有効エッジを越えて部品を押すことを避けるために、少なくとも可動範囲と同程度のひろがりを持つ表面を有する部品及び／又はＮＣＦに関して対称な部品を組み合わせたり、部品を分離するスペーサを組合せたり、及び／又は流体を使用して部品間のＶＤＷ引力を相殺するか又は部品を互いから遠ざけたりしてもよい。

【0020】

前述の例では、ＮＣＦが存在しないわけではなく、また、必ずしも減少するわけでもないことに留意されたい。実際、部品は接触していることがあり、そこではＶＤＷ引力を原因としてＮＣＦが最も強く働く。接触している部品は、ＶＤＷエネルギー井戸の底にある。しかし、両者の相対運動がそれらをＶＤＷエネルギー井戸から持ち上げようとしない限り、ＶＤＷに対して仕事は行われない。このように、機構の動作中にＶＤＷが変化しないことを、ここでは「ＶＤＷニュートラル」と呼び、同じコンセプトが他のＮＣＦにも当てはまる。抗力はまだ存在する可能性があるが、ＮＣＦに対して行われる仕事を無くすことで、実質的なエネルギー節約が可能となる。多くの場合、ＮＣＦの変化に要する仕事が機構の適切な動作にとって実質的ではない程度に小さくなるように、部品を設計することが目的である。そのような実質性は、機構の意図する目的や、どの程度のエネルギー損失を許容できるかといった設計基準に応じて決まるであろう。多くの場合、必要な仕事が"非実質的"というのは、機構の意図した動作を著しく損なわない程度の仕事として定義される。一般的なガイドラインの一例として、部品を動かすために必要なＮＣＦエネルギーが、（摩擦や抗力などによる）その動きの全エネルギー散逸の約５０％未満である場合は、「実質的ではない」とみなしてもよい。エネルギー損失が特に懸念されるような幾つかの場合、ＮＣＦの「実質的」変化は、機構の構成要素が動くことによるエネルギー散逸の２０％を超えないか、１０％を超えないか、又は５％を超えないとみなされ得る。場合によっては、「非実質的な」仕事は力によって定義されてもよく、ナノスケールの機構では、ＮＣＦに対して部品を動かすために加えられる「非実質的な」力は、１ｎＮ未満、１００ｐＮ未満、又は１０ｐＮ未満であってもよい。

【0021】

ある部品を隣接する部品の有効エッジに近接させるか又はそれを越えるように強制することで生じる作動抵抗（部品間のＮＣＦに打ち勝つためのエネルギーが必要）を、ある部品の別の部品に対する動きを制御するために採用可能である。

【0022】

本明細書で教示されるいくつかの機構では、１つの部品の位置がＮＣＦを介して別の部品の動きを制御可能又は制限可能であり、且つそれらの間のＮＣＦに変化を生じさせないよう、これらの部品を設計可能である（他の機構では、結果的に生ずる部品の動きは、部品間のＮＣＦの変化に対する最小固さ抵抗によって決まる場合があることに留意されたい）。これは、ＶＤＷニュートラル設計のもう一つの側面と考えることができる。例えば回転軸を中心とした対称性に起因して動きがＮＣＦの変化を引き起こさない機構とは対照的に、制御を採用する機構は、そのようなＶＤＷニュートラル設計の特徴を特に回避することができる。部品形状によってＶＤＷニュートラルになるよりもむしろ、ＶＤＷ相互作用が部品の制御と論理に使用される場合に、ＶＤＷニュートラル性を維持するために部品を強制的に動かすことが可能（又は動きを阻止可能）である。つまり、設計は依然としてＶＤＷニュートラルに行われる可能性はあるが、ＶＤＷニュートラル性を達成する方法は、部品の形状というよりもむしろ、１つ以上の他の部品に反応する１つ以上の部品の動き（これは一般的に、部品をエネルギー井戸の底に維持する）によるものであり得る。

【0023】

例えば、第１部品は、有効エッジで囲まれた活性面（即ち、ＮＣＦ引力の対象となる表面）を有するように形成可能である。このとき、活性面に引き付けられる係合要素を有する第２部品は、その可動範囲が第１部品のエッジによって制限されるが、なぜなら、エッジを越えて係合要素を動かすには、ＶＤＷ力の少なくとも一部に打ち勝つ必要があるからである（前述のように、「エッジ」とは、しばしば実際の境界に近い領域を指し、エッジが存在すると部品の間のＶＤＷに大きな影響を及ぼす）。このように、第１部品の位置が、第２部品の位置を制御したりその可動範囲を制限したりすることが可能である（このような力は双方向に働くため、逆もまた成り立つ）。

【0024】

例えば幾つかの場合、第１部品のエッジは、第２部品の動きを阻止するように配置され得る。幾つかの場合、第１部品のエッジは、第２部品の動きを引き起こすように配置され、効果的に第２部品は、ＶＤＷ引力を通して第１部品と一緒に引っ張られるように配置される。幾つかの場合、第１部品のエッジは、第２部品の自由な動きを制限するように配置され得る。幾つかのそのような場合、別の機構（即ち、クロック信号又は入力信号、典型的には「被駆動要素」の運動を介して加えられる）を介して第２部品に力が加えられると、第２部品は、それが自由に動ける場合には動く。しかし、第１部品が第２部品の動きを制限するように配置され、第１部品と第２部品の間で乗り越えなければならないＮＣＦが、例えばクロック信号や入力信号によって加えられる力よりも固い場合、第２部品は動かないことになる。このようにして、スイッチや論理回路を作製できる。多くの場合、第１部品は、非活性位置（第２部品の動きに影響を与えない）又は活性位置（第２部品の動きに影響を与える）のいずれかに選択的に配置可能である。同様に、多くの機構は、部品間のＮＣＦ相互作用により別の部品の動きに応じて１つの部品の動きが生じる活性動作状態と、別の部品の動きなしに１つの要素の動きが収容される非活性動作状態とに選択的に設定可能である。このような機構は、１つ以上の要素の自由な動きの制約を決定するために考慮することもでき、このような制約は、１つの要素の動きが、その動きが別の部品に伝達されることなく収容されることができるかどうかを決定する。部品の動きが被駆動要素の動きに応答するものである場合、そのような被駆動要素は、機構を構築するために以前に動かされた他の１つの入力に加えて、入力として考慮され得る。

【0025】

選択的に動きを伝達又は非伝達するこのような仕組みを用いる機構は、論理ゲート、メモリ構造、及び機械式又は電気機械式コンピューティングシステムの追加コンポーネントを提供するようにアレンジされることができ、そこでは１つ以上の出力値が１つ以上の入力値によって定義される。加算器、シフトレジスタなどの高次構造は、（電子論理ゲートを組み合わせて高次構造を形成する方法に類似した方法で）論理ゲートから形成可能であるか、又は、他の部品の位置に基づいて部品の動きを管理するためのＮＣＦ相互作用を使用して、１つ以上の入力値に基づいて１つ以上の出力値を得るための本明細書に教示されるパラダイムを用いてより直接に形成可能である。

【0026】

幾つかの場合、動くか動かないかではなくむしろ、何れにしても部品は動くが、他の部品とのＮＣＦ相互作用に応じて異なる動き方をする。例えば、上皿秤に似た機構は、２本のクロスバーの交点にロータリージョイントがあるだけの"Ｔ"形状をしていることがある。Ｔ字の縦棒を押し上げ、横棒の片側を固定化すると、縦棒の上昇に伴ってもう片側も上昇する。このようなバランス機構の片側又はもう片側を固定化することは、ＮＣＦ相互作用によって行うことができる。左側をＮＣＦで固定すると「Ｔ」が押し上げられると右側が上昇し、逆も成り立つ。この単純なメカニズムは、機械式ロジックやデータルーティングを含むデバイスの基礎として機能することができる。このような「ロック＆バランス」方式（ただし、部品間のＮＣＦ相互作用を介してよりもむしろ、機械式リンク及び／又はケーブルを介して実装される）を使用する論理及びコンピューティング機構の例は、米国特許１０，４８１，８６６、１０，６６４，２３３、１０，９４９，１６６、及び米国公開２０２１／０１４９６３０に教示されている。上述したような動きあり／動きなしの場合と同様の方法で、このような動き制御は、論理ゲート、メモリセル、加算器、シフトレジスタなどの論理構造を構築するために採用され得るであろうし、そこでは１つ以上の出力値が１つ以上の入力値によって定義される。

【0027】

部品間のＶＤＷの強さについて述べる場合、ＮＣＦ曲線の形状にかかわらず、ＮＣＦの大きさ（文脈に応じて、距離で平均化され得る）を指すことに留意されたい。仕事＝力×距離であるため、仕事を計算する上で強さは重要である。一方、「固さ」は、距離に対するＶＤＷの大きさの変化を指す。言い換えると、ＮＣＦ曲線の傾きである。短い距離でＶＤＷの変化が大きければ、固い力ということである。同じＶＤＷの変化でも距離が長いものであれば、同じ量の仕事を要するが、それほど固くはない。これは重要な区別であり、なぜなら、２つの力が互いに対向する場合、最も強い力ではなく、むしろ最も固い力が優先されるからである。多くの機構では、機構の部品間でのＮＣＦの変化を最小にするための部品の動きは、ＮＣＦの固さの変化が最も小さくなるような動きである。

【0028】

エネルギー井戸の底（又は少なくとも井戸の下側）から始動した部品が、エネルギー井戸の上方に部分的に移動した場合、部品を井戸の下方に引き戻すように作用する復元力が生まれる。この挙動は、不要な仕事をする機構を避けるために本明細書では使用されないことが多いが、バネとして利用することも可能である。例えば、カーボンナノチューブが入れ子になっている場合、ＮＣＦはナノチューブを最大に重なる位置に引き寄せようとする。重なりがより少ない位置へとナノチューブの１つが引き寄せられると、ＮＣＦの引力により復元力が生じる。このようなバネは、機構の部品にバイアスを与えたり、柔軟な部品（グラフェンのリボンやテープなど）に張力を与えたり、同様の機能を持たせるために使用可能である。入れ子にしたＣＮＴは、一定力のバネを提供する方法の一例である。しかし、部品がエネルギー井戸を上るように強制される他の機構も、バネ効果を提供するために採用可能であろう。本明細書で教示する機構の多くでは、１つ以上の部品に対し利用可能な動きに制限を加えると、別の部品を押してＮＣＦエネルギー井戸に押し付けることになる。

【0029】

本明細書で述べる設計は、マイクロ及びナノスケールの機構においてファンデルワールスに起因する問題を回避するために特に有用なものであり、ＶＤＷはしばしば例示的な力として使用されるものの、同じ原理が組み込まれるが例えば電磁力又は静電力を採用する、より大規模な機構もまた有用であり得る。

【0030】

より大規模の機構は、少なくとも設計、訓練及び教育目的のために有用なものであり、そのような力がマイクロスケール及びナノスケールの機構においてどのように有利に扱われ得るかをより完全に理解することを容易にする。静電気や磁力などの力を用いるこのような大規模の機構は、従来の技術で容易に作製でき、複雑な観察装置を採用しなくても試験や分析が可能な機構を用いて、ＮＣＦの効果や使用方法を研究するのに有益である。ＶＤＷが言及される場合、そのような力が所定の機構に適切であろう場合、本明細書で既に言及されたような他の力もカバーするものと想定される。

【0031】

ここで提示する例では、部品表面のエッジについて話すことが多い。これは、教訓的に、隣接する部品の運動限界を示す明確な方法であるためである。しかし、ＮＣＦは典型的には固体材料を伝搬するため、平面の下にある構造が均一でない場合、均一な平面の中央でも力が変化する可能性がある。例えば、中央に穴の開いたダイヤモンドイド立方体を作り、その片面に立方体の面と同じ大きさのグラフェンシートを敷いたものと仮定すると、その面はグラフェンの張り板によって均一な立体に見える。しかし、近くの部品に対しては、均一な固体のようには作用しない。グラフェンは、ダイヤモンドと重なっている部分ではＮＣＦが高くなり、穴と重なっている部分では力が弱くなる。これは、部品がグラフェンを含まないモノリシックなダイヤモンドであったとしても同じことが言えるだろう。例えば、立方体の穴が表面まで伸張せず、表面から１単位セル離れたところで止まっている場合を考えてみる。表面は均一に見える。しかし、表面における幾つかの部位の下側にはダイヤモンドが多く存在し、表面における別の部位の下側には空洞が存在する。それに応じて、ＶＤＷも異なる。このような概念は、磁場を使って簡単に説明できる。例として、紙、木、プラスチックなどの下に磁石を置き、その上に磁性部品を置くと、明らかに、少なくとも材料の厚みに対して十分な強度を持つ磁石では、磁性部品は磁界の影響を受けることがわかる。実際、磁石が十分に強力であれば、介在するシートや層は鉄系金属であることさえある。したがって、部品表面にある物理的なエッジは、典型的には境界として機能する必要はない。むしろ、多くの場合、重要なのは、力が所望のとおりに変化することであり、エッジはこれを達成する便利な方法であるが、所望の機能を提供するためにＮＣＦを管理するための他の技術が本明細書の教示から構築可能である。

【0032】

本明細書ではＮＣＦ引力に着目しているが、その原理は反発力にも拡張されることが明らかであり、そのような反発力は、電磁力又は静電気力によって達成されるようなものであり、且つ大きなＶＤＷを受けるのに十分に小さな機構において気体又は液体の適切な組み合わせで模倣されるようなものである。真空以外で部品が分離された場合、ＶＤＷが部品間の反発力をもたらす能力は確立されている。Ｐｉｔａｅｖｓｋｉｉ， Ｌ． （２０１０）． "Ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｄｉａ．"（ＵＲＬ： ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１０１１．５５９１．ｐｄｆ）を参照されたい。

【0033】

図１Ａ～図１Ｄは、部品が動く際にＮＣＦが大きく変化するのを回避するように部品を構成する方法の一例を示す。この場合、図１Ａ及び図１Ｂに示す先行技術のヒンジ１００は第１部品１０２及び第２部品１０４を有し、これらはピボットジョイント１０６で共に接続されてピボット運動可能である。各部品（１０２、１０４）は、ピボットジョイント１０６を囲むベース部分１０８と、ピボットジョイント１０６から間隔を隔てた遠位部分１１０を有する。このような部品（１０２、１０４）は、低エネルギー計算能力を提供するための米国特許１０，４８１，８６６号及び関連登録特許／関連特許出願に教示されているような、機械式リンクロジック機構の構成要素であり得る。部品（１０２、１０４）が互いに関してピボット運動すると、遠位部分１１０の間の間隔Ｓが変化する。部品（１０２、１０４）が十分に小さい場合、ファンデルワールス引力は十分な大きさを有し、その十分な大きさは部品（１０２、１０４）の動きに対する抵抗を生じ得る大きさであり、その抵抗はヒンジ１００を図１Ａに示す位置から図１Ｂに示す位置に戻すために遠位部分１１０を一緒に引っ張るようなものである。部品（１０２、１０４）を関連させて動かすときにそのような抵抗に打ち勝つのに要する消費エネルギーは、省エネルギー消費で計算能力を提供するためにリンク及びピボットジョイントを使用する幾つかの利点を無効にし得る。

【0034】

ＮＣＦのそのような変化を著しく低減するために、図１Ｃ及び図１Ｄは、再び、ピボットジョイント１２６でピボット運動可能に接続された第１部品１２２及び第２部品１２４を有するヒンジ１２０を図示する。しかしヒンジ１２０では、部品１２２のベース部分１２８が伸張した円形パッド１２８として形成されており、その結果、部品（１２２、１２４）の遠位部分１３０は、ファンデルワールスの変化がデバイス操作に重要でない程の量に減少するように、ピボットジョイント１２６から十分に遠くに離間される。図１Ｄに示すように、部品が互いに対して最小角度にピボット運動される場合でさえ、遠位領域１３０間の最小間隔Ｓは、ＶＤＷ引力が僅かとなる程度に十分に大きい。パッド１２８はピボットジョイント１２６の近傍で部品１２４に対称面を提供するので、距離変化はピボットジョイント１２６から離れて、ＮＣＦ引力が大幅に減少するのに十分な大きさの分離がある位置へと効果的に移動させられる。

【0035】

図１Ｅ～図１Ｊは、ＮＣＦの変化を生じさせることなく互いに関連して可動である部品の例を示している。図１Ｅにおいて、第１部品１３０は、第２部品１３２に対して動く。図示の第１部品１３０は長方形であり、したがって、Ｘ軸１３４又はＹ軸１３６のいずれかに沿って連続したプロファイルを有する。しかし、第２部品１３２は台形である。第１部品１３０がＹ軸１３６に沿って動く場合、第２部品１３２に重なる領域１３８（第２部品１３２に接触又は近接）は形状を変えず（この動き方向は、一定のプロファイルを有する第１部品１３０の軸に沿っているので）、部品（１３０、１３２）間の力は（第１部品１３０の端が第２部品１３２に近接するほど遠くまで第１部品１３０が動かない限りは）変化しない。しかし、第１部品１３０がＸ軸１３４に沿って動かされる場合、第２部品１３２の形状が一定ではない軸に沿った動きであるため、重複領域１３８が変化する。第１部品１３０がマイナスＸ方向に後退して左側に移動するにつれて重複領域は小さくなり、プラスＸ方向に前進して右側に移動するにつれて大きくなる。この場合、部品（１３０、１３２）間のＮＣＦは重複領域１３８の変化に伴って変化するので、その変化する力に打ち勝つための仕事が必要となる。行われる仕事が負になることもあるが、これは、部品が位置エネルギーの変化を保存して戻すシステムに結合されていない限り、例えば往復運動システムにおけるエネルギーの浪費の問題を解決しない。このようなシステムは、カウンターバランス（反力やバネを含む）のように確かに実現可能であるが、機構の複雑さが増す。

【0036】

これに対して、図１Ｆ及び図１Ｇは、外形が長方形の第２部品１４０を採用する場合を示している。図１Ｆでは、部品（１３０、１４０）は直交配置され、Ｘ軸１３４又はＹ軸１３６のいずれかに沿った動きは、部品形状が一定である軸上で一方の部品（１３０、１４０）を他方の部品と関連させて単に動かすので、重なり領域１４２には変化が生じない。図１Ｇは同様のケースを示すが、部品（１３０、１４０）が互いに関して、また軸（１３４、１３６）に対して傾いている場合である。しかしながら、軸（１３４、１３６）に沿った動きが部品（１３０、１４０）とは整列していないにもかかわらず、部品（１３０、１４０）のプロファイル変化は大きさではなく位置のみが変化し、重複領域１４４は部品が移動すると再び一定となり、部品が軸（１３４、１３６）に沿って並進すると再びＮＣＦは一定となる。

【0037】

図１Ｈは、第１部品１４６が第２部品１４０に沿って転がりながら移動する場合を示しており、転がり部品がその回転軸の周りに対称であると仮定すると、並進運動に加えて、動きを引き起こす回転運動（並進運動滑りの有無にかかわらずあり得る）も力の実質的変化なしに行うことができることを説明するものである。

【0038】

図１Ｉは、より実用的な用途を模式的に示しており、互いに平行に伸張する脚部（１５４、１５６）を有する第１部品１５０と第２部品１５２である。このような平行部品は、機構に対する入力又は出力として使用され得るであろう。第１部品脚１５４は第２部品脚１５６よりかなり長く、脚（１５４、１５６）の方向へと互いに関連させて部品を並進運動させても、横断する距離が十分に短くて第２部品脚１５６が第１部品脚１５４の端に接近しない場合には、ＮＣＦは実質的に変化しない。図１Ｊは、異なるアプローチを示しており、部品１７０及び１７２は、長さが等しい脚部（１７４、１７６）を有し、何れかの部品（１７０、１７２）が他方の部品と関連してする動きは、重なりが減少する位置へと脚部（１７４、１７６）を動かす。真空中（一例であり、同様の効果は多くの流体環境でも起こり得る）では、このような重なりの減少は、部品（１７０、１７２）を最大重なり位置まで引き寄せるＮＣＦ引力に抗してそれらの部品を動かすことが必要となるだろう。しかしながら、この場合、その部品（１７０、１７２）は流体１８０で満たされた密閉環境１７８に存在しており、流体１８０は部品（１７０、１７２）が互いに有するものよりも大きな引力を有し、脚（１７４、１７６）の間の流体圧力が重なりの変化を相殺する。流体１７０は、脚部（１７４、１７６）の重なりの変化に起因するＮＣＦの変化を低減するが、流体内で部品（１７０、１７２）を動かすことによって生じる摩擦／抗力を犠牲にしてそうなっている可能性があることに、留意しなければならない。しかし、流体の使用は他の利点を提供し得るものであり、例えば真空中で機構を動作させるのに比べて機構からの熱伝達を容易にするなどの利点である。

【0039】

図２Ａ及び図２Ｂは機構２００を示し、機構の部品が互いに関連して動く際にＮＣＦの実質的変化を回避するための伸張接触面の使用の一例を示す。機構２００は、被駆動要素２０４と出力２０６との間に介在する位置（入力値（０，０）について図２Ａ参照）から離すように力伝達要素２０２を変位させるためにＮＣＦに打ち勝つ必要性を回避しながら、被駆動要素２０４から出力２０６に動きを伝達するように、ＮＯＲロジック関数を提供可能である。力伝達要素２０２は、それが被駆動要素２０４の運動伝達のために介在しない多数の位置に変位可能である（入力値（０、１）について図２Ｂ参照；これらは、出力２０６を動かすことなく被駆動要素２０４の運動を収容することができるので、運動収容位置とみなし得る）。力伝達要素２０２の位置は、２つの入力２０８によって決定され、各入力は、力伝達要素２０２が取り付けられているヒンジ２１０の一方の側を動かすように作用する。力伝達要素２０２がその運動伝達位置へと動いたりそこから離脱したりする際にＮＣＦが変化するのを避けるために、被駆動要素２０４及び出力２０６にはトラック要素２１２が設けられている。ガイド２１４内での被駆動要素２０４及び出力２０６の回転により、入力２０８の一方又は両方が変位したときに、入力（複数可）２０８の何れが動かされたかにかかわらず、可動体２０２の動作経路に沿ってトラック要素２１２が差し向けられる。トラック要素２１２は力伝達要素２０２の運動経路に沿ってのびるので、力伝達要素２０２とトラック要素２１２との間のＮＣＦは一定に保たれる。これにより、被駆動要素２０４及び出力２０６から力伝達要素２０２を引き離すためにＮＣＦの力に打ち勝たなければならない、という状況を回避できる。

【0040】

本開示の図面は、例示のために要素の物理的エッジを示しているが、ＮＣＦは、有効エッジを提供する基礎構造がある場合、実際のエッジではなく、表面の有効エッジに反応し得る。例として、図３Ａ～図３Ｃはリンク体３００を例示しており、第１部品３０２及び第２部品３０４が相互作用し、第１部品３０２が連続表面３０６で形成されるが、図３Ａの部分分解図に示すように、表面３０６のわずかに下に位置する不連続部３０８を有する。不連続部３０８はエッジ３１０によって境界付けられており、エッジ３１０は、上に重なった表面３０６が連続的であるにもかかわらず、第１部品３０２の周辺領域と比較して減少したＮＣＦをもたらし、有効なエッジを提供する。第２部品３０４は係合要素として機能するピン３１２を有し、この構成では、図３Ｂに示すように、ＮＣＦを変えることなく不連続部３０８のエッジ３１０に平行に移動可能であるが、図３Ｃに示すようにエッジ３１０に対して動くと、幾らかのＮＣＦに打ち勝つ必要があり、したがって、かかる抵抗の固さが、ピン３１２をエッジ３１０に対抗して又はこれを越えて押し出そうとする動力よりも大きい場合には、その動きが阻止され得る。図３Ｂ及び図３Ｃは、動きに対するエッジの効果を論じる場合に、動きの方向に関連するエッジの位置がエッジの効果を決定することを示す。

【0041】

図３Ｄは、有効なエッジを提供するための１つの代替アプローチを採用するリンク体３５０を示す。リンク体３５０は第１部品３５２を備え、第１部品３５２は第１材料３５４で構成され第２材料３５６の挿入領域が設けられる。これらの材料（３５４、３５６）は、著しく異なる原子分極率を有するように選択され、したがって、ＶＤＷ引力の程度も異なる。例として、第１材料３５４はシリコンのブロック（原子分極率３７．３±７）とし得るであろうし、第２材料３５６は炭素のブロック（ダイヤモンド又はロンズデーライト）（原子分極率１１．３±２）とし得るであろう。第２材料３５６は、著しく低い原子分極率を有し、ピン３１２に対してはるかに弱いＶＤＷ引力を及ぼし、したがって、材料（３５４、３５６）間の境界によって形成された有効エッジ３５８を越えてピン３１２を押すことは、ピン３１２を引力が減少する位置へと動かす必要があるので、ピン３１２をエネルギー井戸の上側に動かすことが必要となる。

【0042】

幾つかの状況では、ある位置ではＮＣＦを大きく変化させることなく第２部品の動きを収容できるが異なる位置ではそのような動きを阻止又は方向転換するように、第２部品に関連して位置決めされることが可能な第１部品を採用することが有益な場合がある。このような機構は、典型的には１つ以上の入力に応答して、機構の利用可能な自由運動に制約を設けると考えることができ、このような制約は、効果（ＮＣＦエネルギー井戸を乗り越える必要があり、したがって動きを潜在的に阻止するか或いは動きを１つ以上の追加の要素に伝えるなど）を引き起こすことなく要素の運動を収容可能かどうかを決定する。このような条件付き動作の１つの応用例として、機械式コンピューティング用途のロックがあり、第１部品は、第２部品の動きを阻止するか又は阻止しないように配置される。このようなロックは、Ｄｒｅｘｌｅｒによって教示されたロッドロジック及び米国特許第１０，４８１，８６６号、第１０，６６４，２３３号、第１０，９４９，１６６号、及び米国公開第２０２１／０１４９６３０号に示されたケーブルロジックに見られるが、しかしながらナノスケールのアプリケーションで実装する場合、そのようなロックは、阻止要素を引き離すべくＶＤＷ引力に打ち勝つために大きなエネルギーを要することがある。

【0043】

図４Ａ及び図４ＢはＮＣＦロックとして機能する機構４００の一例を示しており、ＮＣＦロックは要素を接触状態に保持するものであり、動きの阻止を解除するために要素を引き離す必要がないので摩耗及びエネルギー散逸が低減される。図示の機構４００は、第１部品４０２と第２部品４０４の間で作動する。第１部品４０２は、切り抜き４０８（これが有効エッジを有する有効面を提供する）を有する板４０６を備えており、第２部品４０４は、係合要素として機能する引力要素４１０を備えている（板と引力要素との位置を逆にし、板を第２部品にして引力要素を第１部品にすることができることを理解されたい）。より大規模なデバイスの場合、板４０６を強磁性材料で形成可能であり、引力要素４１０を磁石により提供可能である。ロックが分子スケールのものである場合、板４０６及び引力要素４１０は、磁気、静電気力、ＶＤＷ、又は本明細書で議論するような他の適切なＮＣＦを介して機能し得る。相対的な力によっては、引力要素４１０は、板４０６と接触し得るであろうし、或いは単に板４０６に対して間隔を置いて近接し得るであろう。図４Ａに示すように第１部品４０２がアンロック位置にあるとき、板４０６が第２部品４０４に対して位置決めされて、板４０６において切り抜き４０８を有しない部位に並ぶように引力要素４１０が配置される。そのような位置では、（機械式クロック信号に応答するような形で）第２部品４０４を動かすと、単に引力要素４１０が板に沿って動きし、それらの間のＮＣＦは一定のままなので、（板４０６と引力要素４１０とが接触している場合には）第２部品４０４の動きに対する唯一の抵抗は摩擦によって生じる。これは、第１部品４０２の「非活性位置」、又は機構４００の「非活性動作状態」若しくは「動作収容形態」と考えることができる。対照的に、第１部品４０２がそのロック位置にあるとき（図４Ｂ参照）、第２部品４０４の動きが切り抜き４０８で形成されたエッジに隣接して引力要素４１０を動かすように、板４０６を位置決めする。切り抜き４０８には引力がないので、第２部品４０４のそのような動きは、引力要素がエッジに接触し且つエッジを越えるように動かすために引力要素４１０と板４０６との間のＮＣＦに打ち勝つ仕事を必要とし、したがって、この位置にある第１部品４０２は第２部品４０４の動きに対して抵抗力を生じさせる。第２部品４０４に加えられる駆動力が、抵抗力よりもより低い固さである場合、第２部品４０４は、動かないように効果的に阻止される。これは、第１部品４０２の「活性位置」、又は機構４００の「活性動作状態」若しくは「動作阻止形態」と考えることができる。板４０６は、第１部品４０２の位置（これはデータ入力と考えられ得る）に基づいて、第２部品４０４の許容運動を決定する制御素子と考えられ得る。部品（４０２、４０４）の機能は逆にもなり得ることに留意する必要がある。第１部品４０２が図４Ａに示す下方位置にあるときに第２部品４０４を右方向に動かすと、第１部品４０２の上方への動きを阻止する位置に引力要素４１０が置かれることとなり、このような動きは、切り抜き４０８を引力要素４０４に抗して動かすことになるだろう。切り抜き４０８の有するエッジが、被駆動要素４０４の動きの経路に垂直であることも注目される（Ｘ軸４１２によって表される）。図４Ｂに示されるように、第１部品４０２が持ち上げられると、被駆動要素４０４を動かそうとして加えられる力は、切り抜き４０８のエッジに垂直に向けられ、第１部品４０２を動かすように作用するであろう力の垂直成分（Ｙ軸４１４に沿って並進）を一切生じない。これとは対照的に、もし仮に切り抜き４０８のエッジが傾斜していた場合、そのような傾斜は、第１部品４０２において垂直方向の力を発生させるランプ又はカムとして作用する傾向があるだろう（傾斜エッジから生じるそのようなランプ又はカム作用の例は、図１１Ａ～１２Ｆで後述する）。

【0044】

ロック機構４００は平面板４０２を採用しているが、代替の構成も採用可能である。特に有用な形状の１つは、例えば、ＣＮＴ、ダイヤモンドロッド又は類似の円筒形要素を採用することができるナノスケールの機構に対して、円筒形要素を採用することである。多くの場合、平面要素を有する機構は、軸を中心に転がして円筒を形成する１つ以上の類似の要素を採用するように変形可能であり、円筒要素を有する機構は、平面要素を提供するために１つ以上の円筒要素を平坦化することで変形可能である。また、球形、プリズム形などの他の形状も、特定の用途に合うように採用することができる。そのような変形の一例として、図４Ｃは、機構４００と機能的に類似しているが、第１部品４０２'が切り抜き４０８'を有するシリンダ４０６'で形成されている機構４００'を示している。その機能は機構４００と本質的に同様であるが、ただし、第１部品４０２'が、切り抜き４０８'を第２部品４０４に関連して動かすために並進運動するのではなく、Ｘ軸４１２を中心に回転することが異なる。図４Ｄは機構４００''を示し、第１部品４０２''が再び切り抜き４０８''を有するシリンダ４０６''を有する。しかし、この場合、シリンダ４０６''はＸ軸４１２ではなくＹ軸４１４に関して対称であり、第１部品４０２''の動きはＹ軸４１４を中心とする回転である（第２部品４０４が動かされるときに引力要素４１０とシリンダ４０６''の間の距離を変える影響を低減するために、シリンダを図示よりも大きな直径で作製し得ることに留意されたい）。この場合、第２部品４０４を動かすために加えられる力は、シリンダ４０６''の接線方向に加えられ、したがって、第１部品４０２''の回転運動と同じ方向に作用する。この場合、第２部品４０４の動きに対する効果的な阻止機能を第１部品４０２''が提供可能となるために、第１部品４０２''に何らかの力が加わっていなければならず、第２部品４０４を後方に動かすように作用するそのような力を防ぐために、第１部品４０２''及び／又は第２部品４０４の動きを制限する追加の構造が必要であり得る。このような「後退」力は、複数の機構を採用するシステムにおいて蓄積される可能性があり、したがって、このような力を回避するように、及び／又は複数の機構にわたるその伝播を阻止するように機構を設計することが頻繁に望まれる。阻止要素の利用可能な動きとそれらが阻止している動きとが垂直になるように阻止要素を配置することは、そのような力を回避するための１つの一般的なアプローチである。

【0045】

図４Ｅは、ロック機構４００と同様に動作するロック機構４３０を示すが、第１部品４３２が、その上に取り付けられた板４３４の位置を変えるために、並進運動するのではなく回転し、再び第２部品４０４の後退力に晒され得る。板４３４は切り抜き４３６を有しており、切り抜き４３６は、引力要素４１０の運動経路に入らないか（仮想線参照）又は当該運動経路に入る（図参照）ように配置される。しかしながら、第２部品４０４が動く方向は第１部品４３２の回転に対して接線方向であるため、第２部品４０４の動きを阻止するために第１部品４３２に加えられる何らかの反力が必要となり、そのような力は第２部品４０４に印加される後退力をもたらすことがある。示された特定のタイプの機構においてそのような後退力を防止するための１つのアプローチは、第２部品４０４の動きがもはや接線方向を向かないように、構成部品を再配置することである。図４Ｆは機構４３０'を示し、ここでは、第２部品４０４の動きが第１部品４３０'の回転する軸４３８を通じて導かれるように、板４３４'を有する第１部品４３２'が第２部品４０４と関連して位置決めされるようになっている。引力要素４１０により第１部品４３２'に加わる力が、第１部品４３２'にトルクを発生させるような偏心した力を生じさせないように、切り抜き４３６'が構成されている。

【0046】

図４Ｇは、上記のロックの選択的阻止機能を利用したより複雑な構造の一例であるテープ機構４５０を示す。このような機構は、Ｄｒｅｘｌｅｒによって教示されたロッドロジックと同様に機能し、ロジック、メモリ及び同様のアプリケーションに使用され得る。テープ機構４５０は、一連の垂直テープ４５２、４５４、及び４５６と、一連の水平テープ４５８、４６０、及び４６２を有する。垂直テープ（４５２、４５４、４５６）にはそれぞれ垂直テープギャップ４６４が設けられ、水平テープ（４５８、４６０、４６２）には水平テープギャップ４６６が設けられる。ナノスケールの機構の場合、当該テープはグラフェンで形成され得る。

【0047】

図４Ｇは、垂直テープ（４５２、４５４、４５６）の非変位位置を示し、そこから１つ以上のテープが下方に変位し得る（どの一連のテープが他のテープの動きを阻止する役割を果たすか、及びそれらが変位する方向は、具体的な用途に依存しており、ここでは説明の目的のために方向を任意に選択している）。非変位時には、垂直テープ（４５２、４５４、４５６）は、それらのギャップ４６４が水平テープ４６０、４６２の水平テープギャップ４６６と整列するように配置される。水平テープ４６０又は４６２のいずれかの動きは、テープのギャップ（４６４、４６６）が整列する前に、そのギャップ４６６を垂直テープ（４５２、４５４、４５６）の僅かな太さの向こうにのみ動かすように働き、そこで水平テープ（４６０、４６２）の更なる動きは垂直テープ（４５２、４５４、４５６）の残りの太さによって阻止されるであろう。図示の特定の構成では、垂直テープ４５４が変位しない場合に最上部の水平テープ４５８の動きが阻止されるが、これは、垂直テープ４５４の持つオフセット垂直テープギャップ４６４'が、テープ４５４が下方に変位した場合にのみ、対応するギャップ４６６'と並んで整列するからである。もし仮にテープ４５４がそのように変位した場合、その残りのギャップ４６４はもはやテープ４６０、４６２のギャップ４６６とは整列せず、それ故に、垂直テープ４５４における中身のある部位を越えてギャップ４６６を動かすにはかなりのＶＤＷエネルギー障壁に打ち勝つ必要があるので、テープ４５４はこの場合にはこれらのテープの動きを阻止するであろうことに留意されたい。このように、垂直及び／又は水平テープのギャップは、特定の垂直テープの変位を異なった組み合わせで用いて動きの阻止を所望に選択できるように構成可能である。垂直テープ４５６には代替ギャップ４６４''が図示されていて、これは、垂直テープ４５６の変位位置又は非変位位置の何れにおいても水平テープ４６０の動きを阻止しないように大きく設けられている。

【0048】

図５Ａ及び図５ＢはＮＯＲゲート機構５００を例示する断面図であり、ＮＯＲゲート機構５００は、エッジを選択的に位置決めする効果を利用して、エッジによって囲まれた表面に引き寄せられる要素の相対運動を妨げたり妨げなかったりする論理機構の一例を提供する。ゲート５００は、ＮＣＦを介して接続要素５０６と相互作用する入力５０２及び５０４を有する。図示されたゲート５００では、引力は磁気である。しかしながら、分子スケールのゲートでは、ファンデルワールス、又は他の任意の適切な非結合力が採用され得るとともに、いくつかのスケールでは静電気力が採用され得るであろう（図５Ｃ及び図５ＤはＶＤＷ引力が採用されたナノスケールのゲートを示す）。入力（５０２、５０４）は、各々、磁石５０８（引力要素として機能する）を備え、接続要素５０６は、強磁性金属などの磁気的に引きつけられる材料から形成され、エッジ５１２によって囲まれた凸部５１０（活性面を提供）を有する。各入力（５０２、５０４）が退いている（典型的には０を表す）とき、その磁石５０８は、それらの間のＮＣＦが実質的に生じないように凸部５１０から距離を置いて位置し（図５Ａ参照）、凸部５１０が磁石５０８からさらに離れる方向に動くことができる（これはその入力に対する非活性位置とみなすことが可能）。被駆動要素５１４は、接続要素５０６内でスライドするとともに、１つ以上の磁石５１６を備えており、磁石５１６は突出部５１０の内面（又は接続要素５０６上の他の構造）に引き付けられるように配置される。接続要素５０６が動きの抵抗を受けない限りは、機械式クロック信号などにより被駆動要素５１４が変位したときに、磁石５１６の接続要素５０６への引力によって被駆動要素５１４と一緒に接続要素５０６も動かされる（図５Ａの仮想線参照）。出力５１８は、接続要素５０６に取り付けられ、典型的には、変位していないときに０の出力値を符号化し、変位したときに１の値を符号化すると考えられる。

【0049】

入力（５０２、５０４）の何れか又は両方が伸長（"活性"）位置に進められると（典型的には１の入力値を表す）、その磁石５０８は、凸部５１０と並んでエッジ５１２に近接して配置される（入力５０４に関して図５Ｂ参照）。この位置は接続要素５０６の動きに対してインピーダンスを作り出すが、何故なら、そのような動きが、磁石５０８をエッジ５１２に関連して動かすために磁石５０８と凸部５１０との間の引力に打ち勝つことを必要とするからである（ただし、この場合には、磁石５０８が所定の位置に留まる一方で、エッジ５１２が動くであろう）。所望の論理機能を提供するために、磁石５０８及び５１６の相対的な強さは、突出部５１０と並んで配置されたときの磁石５０８の何れかの引力が、接続要素５０６に対する磁石５１６の集合的な引力より強くなるように選択される。当該強さがそのように選択されると、入力（５０２、５０４）の何れもが伸長していない場合（即ち、入力が両方とも非活性位置にある場合）には、接続要素５０６は被駆動要素５１４と共に動くだけである。入力（５０２、５０４）の一方又は両方が伸長している場合（即ち活性位置にある場合）には、そのような伸長により磁石５０８の一方が凸部５１０と並べて配置され、より大きな引力によって、接続要素５０６が被駆動要素５１４とともに動くことが抑制される（即ち、運動に対するインピーダンスが接続要素５０６を動かそうとする力よりも大きく、運動への抵抗力が運動を強制する力よりも固い）。これらは、出力５１８を動かすことなく被駆動要素５１４を動かせるかどうかを決定するので、入力（５０２、５０４）の運動収容位置とみなすことが可能である。接続要素５０６は制御要素であるとみなすことが可能であり、当該制御要素は、２つの入力（５０２、５０４）の位置に基づいて、被駆動要素５１４（別の入力とみなすことが可能）の動きを出力５１８に選択的に伝達する。出力５１８が接続要素５０６に固定されている場合、ゲート５００は４つの可動部品を必要とするだけである。機構５００は２入力ＮＯＲロジック関数を提供するように構成されているが、同様の機構を、ロックとして機能するように単一入力を用いて形成したり、多入力ＮＯＲゲートを提供するために追加入力（放射状に配置する等）を用いて形成したりすることが可能であろう。もし仮に、両方の入力（５０２、５０４）が変位した場合にのみ接続要素の動きが阻止されるように磁石（５０８、５１６）の相対的な強さを選択した場合、出力５１８の応答はＮＡＮＤ関数となるであろう。

【0050】

図５Ｃ及び図５Ｄは、ゲート機構５００と同様に動作する分子スケールＮＯＲゲート機構５５０の一例を示し、被駆動要素５５４に応答する出力５５２の動きを選択的に抑制するために引力ＮＣＦを採用する。しかしながら、この例では、ＮＣＦは構成部品間のファンデルワールス引力によって与えられる。図示された特定の例では、出力５５２は、１５－１５及び２０－２０カーボンナノチューブの組み合わせから形成され、出力拡大部５５６（２０－２０ＣＮＴ）を有する略管状（１５－１５ＣＮＴ）に形成されており、その一方で、被駆動要素５５４は、５－５及び１０－１０カーボンナノチューブの組み合わせから形成され、２つの被駆動要素狭窄部５５８（５－５ＣＮＴ）を持つ略筒状（１０－１０ＣＮＴ）を有し、この２つの被駆動要素狭窄部５５８に挟まれることで被駆動要素拡大部５６０が規定される。両構成要素（５５２、５５４）におけるサイズ間の接合は、カーボンナノチューブの構造を変更するために当技術分野で知られている方法で、炭素原子の他の六角形の配列に五角形及び七角形を挿入することによって形成可能である。出力５５２に対する被駆動要素拡大部５６０のＶＤＷ引力は、出力拡大部５５６において有効エッジを作り出すが、これは、被駆動要素拡大部５６０が出力拡大部５５６の中に動くためには被駆動要素拡大部と出力５５２との間の引力に打ち勝つ必要があり、出力拡大部５５６が被駆動要素拡大部５６０からさらに離れていてあまり引力を発揮していないからである。もし仮に、出力５５２の動きへの抵抗が無い場合、出力５５２は、変位時に被駆動要素５５４と共に動き（そのような動きは典型的には１の出力値を示し、動きがないことは０の出力値を示す）、被駆動要素拡大部５６０と出力５５２の間のＶＤＷ引力に打ち勝つための必要な仕事を生じないようにする。

【0051】

２つの入力５６２が設けられ、これらは被駆動要素５５４と同様に５－５及び１０－１０カーボンナノチューブで形成されている。各入力５６２は入力拡大部５６４（１０－１０ＣＮＴ）で形成され、入力５６２の何れかを動かす（典型的には１の入力値を示すような変位）と、その入力５６２の入力拡大部５６４を出力拡大部５５６と並べるように作用する（上側の入力５６２について図５Ｄ参照）。拡大部（５５６、５６０、５６４）の構成は、入力５６２の一方又は両方がその入力拡大部５６４を出力拡大部５５６に直接対向させて配置されるときに、それらの間の引力が被駆動要素拡大部５６０と出力５５２との間の引力よりも固い変位抵抗を生み出し、その大きな抵抗が、被駆動要素５５４の動作時に出力５５２を所定の位置（出力値０）に拘束するように作用するようなものとすることができる。そのように拘束されない場合、被駆動要素５５４と出力５５２との間の引力は、出力５５２の変位時（出力値１）に被駆動要素５５４とともに出力５５２を動かす。この例に係るエッジ抑制の効果は、いずれかの要素に明確なエッジがなくても有効であることに留意されたい。拡大部（５５６、５６０、５６４）の何れもが、有効エッジを有する活性面を提供するとともに、そのような活性面と相互作用する係合要素としても機能するが、このような特徴を定義するために選択された基準枠に依存している。この例では単一の拡大部が採用されているが、一致した間隔を有する要素上の複数の拡大部が採用され得るとともに、これにより被駆動要素が出力に関連する１つ以上の安定位置を持つようになる。この例では２つの入力が採用されているが、単一の入力を採用する同様のデバイスにより図４Ａ～図４Ｆに示す機構（４００、４００'、４００''、４３０、４３０'）と同様のロック機能が提供され得るであろうし、或いは複数の入力が採用され得るであろう（出力の周りに放射状配置する等）。

【0052】

図６Ａ～図６Ｆは、エッジに引き寄せられる要素に対してのエッジの整列又は不整列に基づいて、被駆動要素の運動収容又はその運動妨害をするようにエッジを配置可能な機構を示す。図示された例では２つの入力が提供され、各入力は、被駆動要素の運動を収容するか妨害するかの何れかである。図６Ａ～図６Ｃは、円筒形の入力６０２及び６０４を有するロジック機構６００を例示しており、入力６０２及び６０４は並進運動ではなく回転によって位置決めされる。各入力（６０２、６０４）は、伸長した入力タブ６０６、６０８を有する。被駆動タブ６１２を持つ円筒形の被駆動要素６１０が入力（６０２、６０４）の間に配置され、各入力は被駆動要素６１０に対して回転可能である。入力（６０２、６０４）及び被駆動要素は、カーボンナノチューブから形成され得るであろう。入力（６０２、６０４）は、図６Ａ及び図６Ｂのように、入力タブ（６０６、６０８）が被駆動要素６１０の被駆動タブ６１２と整列するような角度で配置可能である。この配置は、各入力（６０２、６０４）の非変位位置又は非活性位置として指定され得るであろうし、入力値（０、０）を表す。このように配置されると、被駆動要素６１０の並進変位は、入力タブ（６０６、６０８）に沿って何れのエッジにも遭遇することなく被駆動タブ６１２を単にスライドさせるものとなり、引力の変化に打ち勝つ必要が生じないので、図６Ａの初期位置から図６Ｂの変位位置まで、被駆動要素６１０が自由に変位可能となる。入力は、活性面とみなすことが可能であり、被駆動タブ６１２は、このような活性面の各々と相互作用する係合要素とみなすことが可能である。被駆動要素６１０には、出力が取り付けられ得るであろう。

【0053】

図６Ｃは、入力６０４が回転して入力タブ６０８と被駆動タブ６１２の位置がずれたときの機構６００を示し、入力値（０、１）に対応する。この位置では、被駆動要素６１０の並進運動のためには、入力６０４のエッジ６１４を越えて被駆動タブ６１２を押すために引力に打ち勝つことが必要となり、その引力は被駆動要素６１０の並進運動に対して抵抗となる。これは、入力タブ６０８の活性位置と考えることができる。被駆動要素６１０の駆動力がこの抵抗力よりも、より低い固さである場合、被駆動要素６１０は変位しないように阻止される。入力６０２が変位してその入力タブ６０６と被駆動タブ６１２との位置がずれた場合にも、同様の阻止効果が発生する。両方の入力（６０２、６０４）が非変位である場合にのみ、被駆動要素６１０は変位する。要素（６０２、６０４、６１０）の非変位位置と変位位置とに０と１のそれぞれの出力値が割り当てられると、力が加えられたときの被駆動要素６１０の応答は、入力（６０２、６０４）のＮＯＲ論理関数を与える。このような応答は、被駆動要素６１０に取り付けられるか又は被駆動要素６１０の変位時にこれにより動かされる出力によって、符号化することが可能であろう。これに代えて、被駆動要素６１０によって入力（６０２、６０４）が変位させられた場合に入力（６０２、６０４）によって出力が並進運動するように、機構６００が他の要素に接続されることも可能である。この場合、入力タブ（６０６、６０８）各々は、被駆動タブ６１２と整列可能となるか（従って非活性動作状態となり、被駆動要素６１０が変位しても、その入力タブに対応付けられた出力には伝達されない）、又はこれと不整列となる（従って活性動作状態となり、被駆動要素６１０が変位すると、非整合タブに対応付けられた出力も変位する）かのいずれかである。事実上、入力タブ（６０６、６０８）の各々の外形は、図４Ｃに示すロック機構４００''におけるシリンダ４０６''及び切り抜き４０８''と同様の機能を提供し、（第２部品４０４と類似の）被駆動要素６１０の動きを収容するか又は収容しないかの何れかの役割をする。

【0054】

図６Ｄ～図６Ｆはロジック機構６５０を示す図であり、図６Ａ～図６Ｃに示されたものと同様に動作するが、より大規模な機構で選択的阻止機能を提供するために、磁石及び強磁性材料を採用して構成要素間にＮＣＦを提供する。機構６５０は再び２つの入力６５２及び６５４を有し、各々の入力は伸長タブ（６５６、６５８）を有し、当該タブ（６５６、６５８）の角度位置は被駆動要素６６０に対する回転によって決定されるものであり、被駆動要素６６０は、入力（６５２、６５４）の間に同心に存在し、それに対して並進的に変位することができる。図６Ｄに示すように、この場合の被駆動要素６６０は一組の引力要素６６２を有しており、各引力要素６６２は、タブ（６５６、６５８）が非変位位置にあるときにタブ（６５６、６５８）のうちの１つと整列するように配置される。この例では、引力要素６６２は磁石によって提供され、入力（６５２、６５４）は強磁性材料で形成される。図６Ｄに示されるように、タブ（６５６、６５８）がそれぞれ引力要素６６２の１つと整列するように両方の入力（６５２、６５４）が配置される場合、被駆動要素６６０が変位すると引力要素６６２がタブ（６５６、６５８）に沿って単にスライドし、引力の変化に打ち勝つ必要がない。図６Ｅ及び図６Ｆはそれぞれ、入力の一方（図６Ｅの６５２及び図６Ｆの６５４）が回転してそのタブ（６５６、６５８）を対応する引力要素６６２からずらした場合を図示しており、そのようにすることで、被駆動要素６６０が並進運動するには入力の一方（６５２、６５４）の端を越えて引力要素６６２を押し出すべく引力に打ち勝つことが必要となり、したがって当該引力は被駆動要素６６０の並進運動に対する抵抗となる。

【0055】

図７Ａ及び図７Ｂはトランスミッションゲート機構７００を例示し、被駆動要素７０４から出力７０６に対して動きの伝達又非伝達の何れかを行うために板７０２が採用される。板７０２は切り抜き７０８を有しており（従って板７０２は、切り抜き７０８で規定される有効エッジにより囲まれた活性面を提供する）、被駆動要素７０４は、板７０２に引き付けられる被駆動引力要素７１０を有する。出力７０６はまた、出力引力要素７１２を有する（従って引力要素７１０及び７１２は係合要素として機能し、板７０２によって提供される活性面と相互作用する）。再び、板７０２が強磁性材料で形成される場合、引力要素（７１０、７１２）は磁石によって提供され得るか、又はファンデルワールス引力が有効なナノスケール構造における他の材料であり得る（図７Ｈ及び図７Ｉ、図８Ａ、及び図８Ｂの例を参照）。板７０２は入力７１４に並進運動可能に取り付けられ、入力７１４は当該並進運動方向に対して垂直に動き、入力７１４の位置によって、切り抜き７０８が変位時に被駆動要素７０４（或いはより正確には、被駆動引力要素７１０）の経路に配置されるか否かが決定される。被駆動要素７０４の経路を遮らないように切り抜き７０８が配置される場合（入力値１の図７Ａ参照）、被駆動要素７１０が何らの影響も受けずに単にのびることができるが、その理由は、被駆動引力要素７１０が板７０２を横切って動く際に、被駆動引力要素７１０と板７０２との間のＮＣＦが変化しないからである（したがって、板７０２が非活性位置にあるとみなすことが可能であり、機構７００が非活性動作状態又は動作収容状態とみなすことが可能）。切り抜き７０８が被駆動要素７０４の経路を遮るように位置決めされた場合（入力値０の図７Ｂ参照、これは板７０２の活性位置、及び機構７００の活性動作状態又は運動伝達状態とみなすことが可能）には、ＮＣＦにより、被駆動要素７０４がそれ自身と一緒に板７０２を動かすこととなる。切り抜き７０８はまた、出力引力要素７１２と板７０２との間の引力が出力７０６を動かすのに役立つようにも配置されていて、これは、その位置のまま動かないためには出力引力要素７１２が切り抜き７０８を越えるためにＮＣＦに打ち勝たなければならないからである。このように、入力７１４の位置は、被駆動要素７０４の変位を出力７０６に伝達するかしないかを制御する。板７０２は制御要素とみなすことが可能であり、（第１）入力７１４の位置に基づいて、被駆動要素７０４（これは第２入力とみなすことが可能）の動きを出力７０６に選択的に伝達する。注目すべき点は、板７０２の作用が被駆動要素７０４の動きを収容自在又は非収容というものであり、当該作用がロック４００の板４０６の作用と本質的に類似していることであるが（且つ機構６００の入力タブ（６０６、６０８）に類似し、これはゲート７００と同様の機能を提供するように再設計可能である）、しかし、ここでの板７０２は入力７１４に対して可動なので、板７０２がその活性位置にあるときに被駆動要素の動きは阻止されるのではなく、出力７０６に伝達される。

【0056】

図７Ｃは、直列接続された３つのトランスミッションゲート７００Ａ～７００Ｃを採用する３入力ＮＯＲゲート７２０を示し、各々入力７１４Ａ～７１４Ｃを有する。図７Ｃに示すように、すべての入力７１４Ａ～７１４Ｃが非変位（入力値０）であり、したがって、被駆動要素７０４Ａから出力７０６Ｃに動きを伝達するための経路が存在する。もし仮に入力７１４Ａ～７１４Ｃの何れかが伸長すると（入力値１）、これによりそのゲート（７００Ａ～７００Ｃ）が運動収容状態となり（図７Ａと同様）、その結果、被駆動要素７０４Ａから出力７０６Ｃへの伝達の連鎖が分断される。

【0057】

図７Ｄ及び図７ＥはＮＡＮＤゲート機構７３０を示し、これはゲート機構７００と共通する多くの特徴を有するが、しかし異なる板７３２を採用し、天秤７３６に接続された２つの入力７３４の複合作用によって板７３２が位置決めされる。板７３２は、入力７３４の何れも変位しないか又はその１つ若しくは両方が変位するかに応じて、３つの高さに位置決め可能である。板７３２は切り抜き７３８を備えており、この切り抜き７３８は、板７３２が低位置（入力値が（０，０））と図示のような中間位置（入力値が図示のように（０，１）、又は（１，０））との何れかに位置するときに被駆動要素７４０と出力７４２の間に介在するように配置される。説明のために、被駆動要素７４０と出力７４２の位置は、図７Ｄの３つの位置で板７３２に関連して示されるが、垂直方向に動くのは板７３２であり、被駆動要素７４０と出力７４２は一定の高さにとどまる。両方の入力値が１である場合にのみ、板７３２がその上部位置まで持ち上げられ、そこで切り抜き７３８はもはや被駆動要素７４０の経路に位置しない。代わりに、この上部位置では、被駆動要素７４０の動きは、板７３２上の空き経路７４４によって収容可能であり、板７３２は、被駆動要素７４０の動きを出力７４２に伝達しない。その結果、被駆動要素７４０の動きに応答する出力値は、入力値（０，０）、（０，１）、（１，０）については１であり、入力値（１，１）については０である。板７３２が、２つの活性位置又は運動伝達位置と、１つの非活性位置又は運動収容位置とを有するものとみなすことが可能である。活性位置（図７Ｅの中間位置など）にあるとき、板７３２は「第１部品」とみなされ得るものであり、当該第１部品は、板７３２が動くときに、出力７４２（「第２部品」として動作）の動きを強制して、出力７４２が切り抜き７３８内に移動しないようにする（したがってＮＣＦ引力が変化しないようにする）。

【0058】

図７ＦはＸＯＲゲート機構７３０'を示しており、機構７３０に類似しているが異なる板７３２'を採用する。それ以外は、上記の説明が機構７３０'に同様に適用される。板７３２'は、より小さな切り抜き７３８'を有しており、これにより、板７３２'がその上部位置であって入力位置（１、１）に対応する位置にあるときに、空き経路７４４のみならず、被駆動要素７４０の動きを収容可能な第２の空き経路７４６も得られる。その結果、被駆動要素７４０の動きに応答する出力値は、板７３２'がその中間位置（図示参照）にある入力値（０，１）及び（１，０）については１であり、板７３２'がその下部位置にある入力値（０，０）又は板７３２'がその上部位置にある（１，１）の何れかについては０である。この場合、板７３２'は１つの活性位置と２つの非活性位置とを有する。

【0059】

図７Ｇは板７０２'の構成が異なる代替トランスミッションゲート７００'の一例を示し、板７０２'は切り抜き７０８'を備えており、且つ板７０２'の形状により、板７０２'が入力７１４'にピボット運動可能に設置された場合に、並進的に設置された場合と比べて、より信頼できる動作が提供される。

【0060】

図７Ｈ及び図７Ｉは、別の例としての、ナノスケールの製造によく適しているトランスミッションゲート７５０を示し、成形板７５２を有しており、これはダイヤモンドイド材料で形成可能であり且つ摩擦低減のためのグラフェン面７５４を具備可能であり、更に円筒形ソケット７５６を（この例ではグラフェン面７５４とは反対側に）有しており、これは（ソケット７５６と同様に）ＣＮＴから形成可能な入力７６０上の入力ピン７５８と係合する。被駆動ピン７６４を持つ被駆動要素７６２及び出力ピン７６８を持つ出力７６６は、板７５２に係合し、ファンデルワールス力を介して板７５２に係合するＣＮＴから形成可能である（ピン７６４及び７６８は係合要素として機能し、板７５２及びグラフェンシート７５４で与えられる活性面と相互作用する）。留意する点は、ピン（７６４、７６８）は、被駆動要素７６２及び出力７６６の残りの部分を板７５２から分離するように十分な距離をのびており、板７５２と被駆動要素７６２及び出力７６６の当該部分との間にあるＶＤＷ力が無視できるほどに小さいことである。多くの用途では、グラフェン表面７５４は、成形板７５２の上に塗布されファンデルワールス引力によって成形板７５２上に保持されるグラフェンの単一原子厚層によって提供可能である。ゲート７５０を高速及び／又は高温で動作させる場合には、グラフェン表面７５４を板７５２に接着することが望ましい場合がある。しかし、グラフェンシートを接着しないままにしておくと、グラフェンシートがわずかにずれるので、ピン（７６４、７６８）がエネルギー井戸を越えて導かれるのではなく、エネルギー井戸の周りを滑ることができる。被駆動要素７６２及び出力７６６は、ガイドスリーブ７７０によって誘導可能である。ピン（７６４、７６８）をスリーブ７７０に対して動かすために必要なエネルギーを低減するために、構成要素（７６２、７６６、７７０）は、何れかの非対称部分（ピン（７６４、７６８）など）がスリーブ７７０の約２～３ｎｍ以内には接近しないように構成可能である。似たような間隔を設けることは、ガイドスリーブを採用する同様の機構においても必要エネルギーを低減するはずである。しかし、そのような追加の間隔は、結果として生じる機構のサイズを増加させる。

【0061】

本明細書で議論される例示的な機構の多くでは、１つの要素は、１つ以上の有効エッジを有する活性面に接触又は近接する伸長ピン（係合要素として作用）の端部などの相互作用点で別の要素と相互作用する（本明細書の他の場所で議論するように、かかる有効エッジは、露出面から凹んだ構造によって提供可能である）。伸長ピンの使用により、部品の残部を活性面から十分に離間して、表面とのＮＣＦ相互作用をピンとの相互作用のみに効果的に制限することができる。ＮＣＦが主にファンデルワールス引力である分子規模の機構では、ピン（典型的にはカーボンナノチューブから形成）の端部形状を、所望の用途に合わせて調整可能である。多くの分子スケール機構では、丸い端の５－５又は１０－０ＣＮＴをピンとして採用可能であり、ロンズデーライト又はグラフェンの表面と相互作用させることができる。このような丸みを帯びた端部は、ピンが表面と接触している場合に摩擦を減らすのに役立ち、このような接触は一般にピンを安定させるのに役立つ。丸みを帯びた５－５及び１０－１０ＣＮＴは、炭素原子の五角形リングで終端しており、この五角形配列は、それらの原子がロンズダライト又はグラフェンの下地表面における炭素原子の六角形配列と整列するのを防ぐ働きをする。

【0062】

幾つかの場合、ピンに拡大面又は「足部」を提供することが望まれるが、これはピンと表面との間の引力を増加させ、結果的に機構の要素を動かすために利用可能な力の量を増加させるためである。図７Ｊは、板７５２'がピン（７６４'、７６８'）と係合するゲート７５０'の一部を図示していて、各々のピン（７６４'、７６８'）が拡大した足部７７２を有しており、これがピン（７６４'、７６８'）と成形板７５２'との間のＮＣＦを増加させる。ピン（７６４'、７６８'）が変性ＣＮＴによって形成される場合、各足部７７２は、ＣＮＴに取り付けられたグラフェン延長部によって形成可能である。板７５２'は板本体７７４を具備可能であり、板本体７７４は、ロンズデーライトのような六角形原子配列を有するダイヤモンドイド材料で形成され、摩擦低減のためのグラフェン表面被覆７５４'を有する。足部７７２が板７５２'と接触しているときに、足部７７２の六角形格子は、その炭素原子の六角形配列が下地の面７５４'の六角形配列に対して約９０度回転されるように構成可能であり、炭素原子が整列して結合を引き起こす状況を回避できる。

【0063】

図７Ｋ及び図７Ｌは、一組のトランスミッションゲート７８２及び７８４を採用するスイッチゲート７８０の一例を示し、各々のゲートはトランスミッションゲート７００'及び７５０と同様の態様で動く。ゲート（７８２、７８４）は、互いに反対向きに配置され、何れも入力７８６によって動かされる。各ゲート（７８２、７８４）は、成形板７８８と出力７９０とを有する。両方のゲート（７８２、７８４）は、被駆動要素７９２によって係合される。入力７８６の位置に応じて、ゲート（７８２、７８４）のうち一方は、被駆動要素７９２がＮＣＦの変化なしに板を横切って動くことを許容するように板７８８が位置決めされることとなり、それらのうち他方は、被駆動要素７９２の動きがそれをエッジに突き当てて板７８８を動かし、かかる動きが今度は対応付けられた出力７９０を通して伝達されるように位置決めされる。図７Ｋはスイッチゲート７８０を示す図であり、この図では、トランスミッションゲート７８２の板７８８がＮＣＦの変化を避けるために被駆動要素７９２の動きをその出力７９０に伝えるような位置に、入力７８６が置かれており、その一方で、トランスミッションゲート７８４の板７８８は、ＮＣＦの変化なしに被駆動要素７９２の動きを収容するように位置決めされている。図７Ｌは、入力７８６の代替位置を示し、ここでトランスミッションゲート７８２は現在、被駆動要素７９２の動きを収容するように位置付けられ、トランスミッションゲート７８４は、その出力７９０に動きを伝達するように配置されている。入力７８６の位置によりどの経路に沿って運動が導かれるかが決まるので、スイッチゲート７８０の基本方式は、多数の入力値に基づいて出力値を提供するロックアンドバランス方式を採用するロジック機構の形成に採用可能である。高次コンピュータ構造を形成するために、どのように（代替要素を用いる論理機構のための）そのようなロックアンドバランス論理機構を組み合わせ可能であるかの例は、米国特許第１０，４８１，８６６号、米国特許第１０，６６４，２３３号、米国特許第１０，９４９，１６６号及び米国特許公開２０２１／０１４９６３０号で教示されている。

【0064】

本明細書で教示されるメカニズムの多くは、米国特許第８，１７１，５６８号、米国特許第８，２７６，２１１号、米国特許第９，６７６，６７７号、米国特許第１０，０６７，１６０号、同第１０，０７２，０３１号、同第１０，１３８，１７２号、米国特許第１０，１９７，５９７号、米国特許第１０，３０８，５１４号、米国特許第１０、３０９，９８５号、米国特許第１０，８２２，２２９号、米国特許第１０，８２２，２３０号で教示されるようなメカノシンセシス技術による分子製作を含めて、ナノスケール製作に良く適している。図８Ａ及び図８Ｂは、そのような製作に適した機構の２つの例を示す。一例として、図８Ａは、図７Ｈ及び図７Ｉに示されたゲート７５０と同様に機能するトランスミッションゲート８００を示し、摩擦低減のためのグラフェン面８０４を具備可能な成形板８０２を備え、更に、ＣＮＴで形成可能な入力８１０の入力ピン８０８に係合する円筒状ソケット８０６を有する。被駆動ピン８１４を持つ被駆動要素８１２及び出力ピン８１８を持つ出力８１６は、共に板８０２に係合し、ピン（８１４、８１８）がファンデルワールス引力を介して板８０２に係合するようにＣＮＴでの形成も可能である。分子モデリングは、図示のようなゲートが３０ｎｍの立方体内に収まるように製作され得ることを指摘する。

【0065】

入力８１０、被駆動要素８１２及び出力８１６は、何れもガイドスリーブ８２０にスライド可能に取り付けられる。これらのスライド要素（８１０、８１２、及び８１６）が１０－０ＣＮＴから形成される場合、スリーブ８２０は１８－０ＣＮＴから形成可能である。スリーブ８２０は順に支持体８２２に取り付けられ、支持体８２２はアンカー８２４（これらは単一の剛性構造の部品であり得る）に貼付される。アンカー８２４は、例えばロンズデーライト等のダイヤモンドイド材料の表面であり得る。被駆動要素８１２の支持体についてラベル付けしたように、支持体８２２は、９－０ＣＮＴで形成されたベース部８２６を採用してアンカー８２４に結合可能であり、ロンズデーライトの六角形配列に密接に一致する炭素原子の配列を提供する。支持体８２２はそれぞれ、１８－０ＣＮＴの短部分によって形成された遷移部８２８と、１０－０ＣＮＴの部分によって形成されたスリーブ取付部８３０とを有する。１０－０ＣＮＴは、スリーブ８２０として機能する１８－０ＣＮＴと安定したＴ分岐を形成し、１０－０及び９－０ＣＮＴの両方が遷移部８２８の１８－０ＣＮＴに移行可能である。さらに、遷移部８２８の１８－０サイズは、スリーブ８２０の１８－０ＣＮＴのサイズと一致するので、各組のスリーブ８２０を互いに接触させて配置すると、遷移部８２８が互いに接触することにもなり、支持体８２２の間隔を安定させる役割を果たす。

【0066】

図８Ｂは、分子規模の製造にも適した代替トランスミッションゲート８４０を示す。ゲート８４０は、再び、グラフェン面８４４及び円筒状ソケット８４６を持つ成形板８４２と、ソケット８４６に係合する入力ピン８５０を持つ入力８４８とを備える。ゲート８４０はまた、被駆動ピン８５４を持つ被駆動要素８５２と、出力ピン８５８を持つ出力８５６とを備え、被駆動ピン８５４及び出力ピン８５８は、板８４２のグラフェン面８４４に係合する。ゲート８００よりも単純でコンパクトな機構を提供するために、ゲート８４０は、各スライド要素（８４８、８５２、８５６）を単一のガイドスリーブ８６０に取り付けており、これらは支持体８６４によってアンカー８６２に取り付けられ、アンカー８６２上に形成されたトラック８６８に係合するガイドピン８６６によって安定化される。トラック８６８は、ガイドピン８６６とスライド可能に係合するためのグラフェン面８７０を有してもよい。対応するガイドスリーブ８６０内で要素（８４８、８５２、８５６）がスライドすることで生じる動きの制限と組み合わせて、トラック８６８は、後述する図１４Ａ～図１４Ｃで示すガイド（１４０４、１４３２）と同様の方法でガイドピン８６６を導くのに役立つほどの狭さに形成可能である。

【0067】

図８Ｃはトランスミッションゲート８８０を示しており、上述したゲート（７５０、８００、８４０）と同様に動作するが、しかし、板８８６が入力８８８によって活性位置に置かれたときに、被駆動要素８８４の動きに関連する出力８８２の変位に機械的利得を提供する。被駆動要素８８４が板８８６に係合する位置は調整可能であり、エッジ８９０が被駆動要素８８４の経路内に位置するように板８８６が配置されたときに、板８８６が入力８８８にピボット運動可能に係合する位置からの距離の違いによって被駆動要素８８４と出力８８２とで変位に差が生じる。出力８８２が被駆動要素８８４の２倍ほど入力８８８から離れている場合、被駆動要素８８４の約２倍の変位が生じる。入力８８８はまた、連続経路８９２が被駆動要素８８４の動く経路と整列する位置へ板８８６を配置可能であり、板８８６が、上述のゲート（７５０、８００、８４０）で説明したのと同様の方法で、いずれのエッジも越えることなく、被駆動要素８８４の動きを収容可能となる。そのような位置では、非接触力エネルギー障壁を乗り越えることなく、したがって、動きを出力８８２に伝達することなく、被駆動要素８８４の動きを収容可能である。

【0068】

図９Ａ及び図９Ｂは機構９００を示し、上述の機構（７００、７５０、８００、８４０）と同様の、被駆動要素９０２から出力９０４への動きを収容又は伝達する原理を使用するものである。機構９００は、コネクタ９０８の位置を制御する入力９０６を有し、このコネクタは、被駆動板９１０及び出力板９１２と非接触力（ＮＣＦ）を介して係合し、これらの何れか又は両方は、入力９０６の位置に対して望ましいロジック応答を提供するように成形可能である。被駆動要素９０２の動きが出力９０４に伝達されるか否かは、コネクタ９０８の位置及び板（９１０、９１２）の構成により決定される。機構９００において、被駆動板９１０は、エッジ９１４と経路領域９１６を有するＬ字形である。コネクタ９０８が図９Ａに示すように（被駆動要素９０２及び出力９０４の動き経路に垂直な方向に関して）その非変位位置にあるとき（典型的には入力値０を符号化）、被駆動板９１０の変位は、コネクタ９０８の方向にエッジ９１４を動かすように働く。コネクタスリーブ９１８を介して入力９０６とスライド可能に係合するコネクタ９０８は、被駆動板９１０と共に動き、これによりエッジ９１４を越えて動くためにＮＣＦ障壁に打ち勝つことを必要としない。同様に、コネクタ９０８と出力板９１２との間のＮＣＦ力は、出力板をコネクタ９０８と共に動かすように作用し（仮想線参照）、被駆動要素９０２の動きは、出力９０４に伝達される。コネクタ９０８には、板（９１０、９１２）に係合するための拡大端部９２０が形成されている。

【0069】

入力９０６の変位によりコネクタ９０８が変位すると、図９Ｂに示すように、（典型的には出力値１を符号化する）。被駆動板９１０の経路領域９１６と整列させられ、経路領域９１６がコネクタ９０８を通り過ぎて動くだけでＮＣＦが変化せず、被駆動板９１０の動きを収容可能である。コネクタ９０８が動かないので、出力板９０４に動きが伝達されることがない。

【0070】

入力がコネクタを複数の位置に位置決めするように構成されている場合、被駆動板及び／又は出力板は、そのような各位置に適切な応答を提供するように構成可能である。図９Ｃは、ＮＡＮＤロジック関数を提供する１つの考えられうる機構９３０を図示しており、ＮＡＮＤロジック関数は２つの入力９３２で実行され、２つの入力９３２は天秤９３４に接続しており、天秤９３４は、入力９３２の組み合わされた位置に基づいてコネクタリンク９３６及びコネクタ９３８を順に位置決めする。被駆動板９４０はエッジ９４２と経路領域９４４を有し、機構９３０は、両方の入力９３２の変位時にのみコネクタ９３８が経路領域９４４に整列するように構成される。入力値（１、０）について図９Ｃに示されるような、入力９３２が何れも変位しないか又はその一方のみが変位する場合には、エッジ９４２は、被駆動板９４０が変位するときにコネクタ９３８の動きを強制するように位置し、出力板９４６も変位させる。両方の入力９３２が変位すると、コネクタ９３８は経路領域９４４と整列して位置決めされ、コネクタ９３８に関連する被駆動板９４０の動きを収容する。この場合、コネクタ９３８は動きを強いられることがないので、出力板９４６も動かない。入力値に対する機構の応答は、被駆動板及び／又は出力板の構成によって決定され、代替的な応答を提供するように構成可能である。一例として、２つの経路領域をエッジ両側に設けた板は、ＸＯＲ論理関数（図７ＦのＸＯＲゲート７３０'に類似）を提供可能であろうし、又は短いエッジと広い経路領域（１つ又は両方の入力が変位した場合にコネクタが当該経路領域と整列するようなもの）を有する板は、ＮＯＲ論理関数を提供可能であろう。

【0071】

図９Ｄは、機構９００と機能的に類似する機構９５０を示すが、しかし、出力板９５２が被駆動板９１０の上に部分的に重ね合わされており、コネクタ９５６の拡大端部９５４が板（９１０、９５２）の間に配置される。板（９１０、９５２）を重ね合わせることで、機構９００と比較して機構９５０の全体的な体積を縮小可能である。

【0072】

ＮＣＦを管理することにより（望ましくない動きに対して選択的に妨害を生じさせて）要素の動きを制限のためにエッジを使用する効果は、他の運動制限構造と組み合わせ可能であり、機構を設計する上でより大きな柔軟性を提供する。一例として図１０Ａ～図１０Ｄは機構１０００を示し、ヒンジを形成するピボット運動可能に接続したリンクの動きを選択的に制限するために、ＮＣＦとエッジを採用する。そのような拘束は入力１００２の位置に基づくものであり、被駆動要素１００６が動かされたときに出力１００４の位置を決定する役割を果たす（この例では、トランスミッションゲートの機能を提供する）。被駆動要素１００６は、出力１００４と整列し、ヒンジ１００８によって出力１００４に接続される。ヒンジ１００８は、伸長ピン１０１０及び１０１２（ここでは出力１００４と一体的に形成）を有し、これらはＮＣＦを介して成形板１０１４と相互作用する（ただし、ピン１０１０及び１０１２は板１０１４と接触してもよい）。ピン１０１０及び１０１２は、板１０１４によって提供される活性面と相互作用する係合要素としての役割を果たす。板１０１４は、入力１００２によって位置決めされ、図示のように第１位置（図１０Ａ及び図１０Ｂ参照）と第２位置（図１０Ｃ及び図１０Ｄ参照）の間を移動する。成形板１０１４は制御要素又は制限構造とみなすことが可能であり、当該要素又は構造は、（ピン１０１０及び１０１２を介して）ヒンジ１００８の許容運動を決定して、出力１００４の動きを強いることなしに被駆動要素１００６の変位を収容可能かどうかを決定する。

【0073】

板１０１４がその第１位置にあるとき（図１０Ａ及び図１０Ｂ）、ヒンジ１００８の屈曲は、ピン１０１０が板第１エッジ１０１６に近接していることによって阻止される。被駆動要素１００６が変位すると、ピン１０１０が板第１エッジ１０１６に近接していることで、ピン１０１０の動きを制限し、ヒンジをさらに曲げるためにピン１０１０が動くこと（図示方向では上向きの動き）を妨げる。被駆動要素１００６の変位は、ヒンジ１００８全体を並進させることによって収容され、これにより出力１００４をも動かす（図１０Ｂ参照）。板第１エッジ１０１６は、利用可能な動きを、出力１００４の可動方向に制限すると考えることができる。板１０１４は板第２エッジ１０１８を有するように構成され、板第２エッジ１０１８は、ヒンジ１００８の残りの部分の動きを収容するようにピン１０１２に関連して位置決めされる。板１０１４の当該位置は、機構１０００を活性動作状態又は運動伝達状態に置くとみなすことが可能であり、そこでは被駆動要素１００６の動きに応答して出力１００４が動く。

【0074】

板１０１４が第２位置にあるとき（図１０Ｃ及び図１０Ｄ）、板第１エッジ１０１６はピン１０１０から離れた位置にあり（図１０Ｃ参照）、その一方で、板第３エッジ１０２０は、ヒンジ１００８が単に並進するのを防ぐためにピン１０１２の動きを制限するように位置決めされ、したがって出力１００４の動きが阻止される。この場合、被駆動要素１００６の変位は、ヒンジ１００８の屈曲によって収容され、ピン１０１０を板第１エッジ１０１６に近づくように動かす（図１０Ｄ参照）。板第３エッジ１０２０は、利用可能な動きを、出力１００４の利用可能な運動方向とは非整列な方向へと制限すると考えることができる。板１０１４の当該位置は、機構１０００を非活性動作状態又は運用収容状態に置くとみなすことが可能であり、そこでは被駆動要素１００６がＮＣＦの変化なしに出力１００４に関連して動くことができる。板１０１４が両方の位置でピン（１０１０及び１０１２）と相互作用することは注目すべきことである。ヒンジ１００８及び板１０１４は制御要素とみなすことも可能であり、そこではヒンジ１００８は、入力１００２の位置で設定される機構１０００の構成に応じて、（第２入力とみなし得る）被駆動要素１００６の動きを出力１００４へ選択的に伝達する。

【0075】

板１０１４は板傾斜エッジ１０２２を任意的に具備可能であり、板傾斜エッジ１０２２は板第３エッジ１０２０に隣接し（図示の板１０１４では板第２エッジ１０１８までのびる）。板傾斜エッジ１０２２は、入力１００２が板１０１４を第２位置に動かすときに、（図１０Ｂのように既に非変位位置にいない場合に）出力１００４を非変位位置に動かすようにピン１０１２に作用することとなり、ピン１０１２のそのような動きは、板傾斜エッジ１０２２を越えてピン１０１２を動かすのに生じうるピン１０１２と板１０１４との間のＮＣＦの引力に打ち勝なたくともよくするために役立つ。この動きは、本明細書で議論される他の機構（図１１Ａ～図１２Ｆ参照）と同様であり、そこでは、ＮＣＦが、エッジを有する第１要素の動きが別の要素の動きを強制することを可能とする。機構１０００は、板１０１４用にダイヤモンドイド材料（摩擦低減のためにグラフェンで覆われる可能性がある）から作製可能であろうし、残りの要素は変性ＣＮＴから形成可能であろう。

【0076】

板傾斜エッジ１０２２に関して指摘したように、１つの部品は、別の部品の動き方向に対して傾いた有効エッジを伴って構成可能であり、それ故に、動きを本質的に方向転換又は強制するカムとして機能する。典型的には、引力ＮＣＦを採用する場合、第１部品の動きは引力部分又は要素をエッジに向かって動かすので、第１部品の動きが第２部品を強制的に動かし、その結果、引力部分又は要素がエッジに接触するか又はエッジを越えて動くのを防ぐように第２部品が動くことが必要となる。

【0077】

図１１Ａ～図１１Ｂは可動リンク機構１１００を示し、被駆動部品１１０４を動きに応答する応答部品１１０２を動かすためにＮＣＦに頼るものである。リンク体１１００において、被駆動部品１１０４は、それに貼り付けられた成形板１１０６（活性面を提供）を有し、応答部品１１０２は、そこに組み込まれた引力要素１１０８（係合要素として機能）を有する。ナノスケールの構造では、引力要素は応答部品１１０２上の単に拡大領域又は伸長ピンであり得るとともに、ファンデルワールス引力がＮＣＦを提供するのに十分である。より大規模な構造の場合、図示されるように、引力要素１１０８は磁石とすることが可能であり、成形板１１０６は、引力を与えるための強磁性材料で形成可能である。この機構における応答部品１１０２と被駆動部品１１０４は、並進運動に限定されている（図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、応答部品１１０２は水平方向の動きに制限され、被駆動部品１１０４は垂直方向の動きに制限され、当該制限はガイドによって又は動き制限用の同様の手段によって行われるとともに、この場合、板１１０６は斜め方向にのびるように形成される）。被駆動部品１１０４が（垂直方向に）並進運動するとき、部品（１１０２、１１０４）間の引力の変化を避けるために、応答部品１１０２が対応する（水平方向の）動きをする必要がある。もし仮に応答部品１１０２が動かなかった場合、被駆動部品１１０４の動きは、板１１０６を引力要素１１０８から離す（必然的に引力要素１１０８を板１１０６のエッジを越えて動かす）ことになり、これは引力要素１１０８と板１１０６を共に引くような引力に打ち勝つことを要する。引力に打ち勝つための必要エネルギーを生じさせないために、板１１０６の動きにより、引力要素１１０８が板１１０６に沿って引き寄せられ、応答部品１１０２が動かされる。板１１０６と引力要素１１０８との間の引力は、板１１０６の形状が引力要素１１０８の動きをガイドすることを可能にし、図１１Ｃに示される従来の可動リンク体１１００'のように、斜めスロット１１０６'にガイドされるピン１１０８'の効果と似た効果をもたらす。部品の機能は、引力要素が被駆動部品に設けられ、板が応答部品に設けられるように、逆にすることが可能なことを理解されたい。

【0078】

図１１Ｄ～図１１Ｇは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すリンク機構１１００に採用される基本的な運動強制原理を拡張した一つの例を示している。データリーダ機構１１５０はデータリボン１１５２と一連のビットリーダ１１５４とを採用しており、一連のビットリーダ１１５４各々は引力要素１１５６を有し、引力要素１１５６はデータリボン１１５２に引き付けられる（且つ係合要素として機能する）。今度はデータリボン１１５２に一連の対応する切り抜き１１５８が形成されていて、当該切り抜き１１５８は、ビットを符号化するように機能し、ビットリーダ１１５４の１つが動いた後におけるデータリボン１１５２の位置が符号化ビットを示すように構成される（一連の活性面として機能し、引力要素１１５６で提供される係合要素と相互作用する）。データリボン１１５２上で符号化された各ビットは、対応するビットリーダ１１５４を動かすことで読み取り可能である。そのビットの切り抜き１１５８の形状は、基準線１１６０に対して非変位位置（図１１Ｇのように、図示例ではそのビットの０値を示す）、或いは下降位置（図１１Ｅ又は図１１Ｆのように、そのビットの１値を示す）の何れかの位置に、データリボン１１５２を置くように設計されている。図示されたデータリボン１１５２は、値（１、１、０、０）を符号化する切り抜き１１５８を有する。ビットで符号化された正規位置にデータリボン１１５２が既に置かれている場合、対応するビットリーダ１１５４が変位しても、その位置に留まることができる。データリボン１１５２が正規位置にない場合、ビットリーダ１１５４とこれに対応する切り抜き１１５８との相互作用により、符号化ビットの正しい位置にデータリボン１１５２が動かされることとなるが（値０の場合は基準線１１６０に位置し、或いは値１の場合は基準線１１６０を越えてのびる）、これが図１１Ａ及び図１１Ｂに示す板及び引力要素の場合と同様の手法で、しかし被駆動部品と応答部品とが逆にされて（及び被駆動要素が左側にずらされて）実現されている。

【0079】

ビットリーダ１１５４を順次動かすことによって、図１１Ｅ～図１１Ｇのように切り抜き１１５８によって符号化されたビットの読み取りが可能であり、第１～第３のビットリーダ１１５４が対応するビットを読み取るために個別に順次動かされた際に結果的に生じるデータリボン１１５２の位置及び出力値がそれぞれ図示される。図１１Ｅは、第１のビットリーダ１１５４－１の動きに応答するデータリボン１１５２の変位を示す。ビットリーダ１１５４－１が左に動かされると、切り抜き１１５８－１によって形成されたエッジを越えて引力要素１１５６－１が動かないようにするために、データリボン１１５２が強制的に下方へ動かされる。留意すべき点として、切り抜き１１５８はデータリボン１１５２が非妨害垂直領域を持つように構成され、非妨害垂直領域は残りの引力要素（１１５６－２、１１５６－３及び１１５６－４）に対して垂直方向に移動可能であり、データリボン１１５２が垂直下方に動く際に非移動の引力要素（１１５６－２、１１５６－３及び１１５６－４）のいずれもがエッジに遭遇することがない。切り抜き１１５８－１は、ビットリーダ１１５４－１が初期位置に戻されたときにデータリボン１１５２を初期位置に戻すように構成され得るか、或いは引張ばねなどの独立した手段によってデータリボン１１５２が戻され得る。代替的には、データリボン１１５２は、ビットリーダ１１５４－１が戻されると単にその場に留まり得るとともに、その場に放置されるか、或いは次のビットリーダ１１５４－２の移動時に上方移動して基準線１１６０の上部位置に戻るか（図１１Ｆ参照）の何れかとされる。図１１Ｇに示す切り抜き１１５８－３の場合のように、特定のビットに対する切り抜き１１５８が０値出力を提供するように設計されている場合、対応するビットリーダ１１５４－３の動き方は、第３ビットを読む前に下部位置にあった場合はデータリボン１１５２を上部位置に動かすか、既にその上部位置にあった場合はその場所に残留するかの、何れかである。切り抜き１１５８－２、１１５８－３を図示したように切り抜きが隣接している場合、対応するビットリーダ（１１５４－２、１１５４－３）の動きに応答してデータリボン１１５２を適切に配置するように切り抜き（１１５８－２、１１５８－３）のエッジが構成されている限り、それら切り抜き１１５８－２、１１５８－３は単一の切り抜きに統合され得る。切り抜き１１５８－４は、切り抜き１１５８－３と同様に設計されており、第４のビットリーダ１１５４－４が動かされたときに、データリボン１１５２を同じ上方位置に配置する役割を果たす。図示の目的で４ビットのデータリボンが示されているが、任意の数のビットをこのような方法で符号化し得るであろう。同様に、図示した例は、上方位置で０値を表し下方位置で１値を表すものを採用しているが、代替的な方向及び割当て値を採用可能である。幾つかの場合、或る方向に動く部品は異なる方向に動く部品と相互作用する可能性があり、したがって、特定の方向に割り当てられた値は特定の部品に依存する。例えば、下方位置にあることで出力値１を表す部品は、左方位置にあることで出力値１を表す別の部品と、相互作用してもよい。さらに、データリボンは、中立位置から何れかの方向に動いて－１、０、又は＋１の出力値を符号化するように設計可能であろう。

【0080】

図１１Ｈはデータリーダ機構１１７０の例を示しており、この機構はデータリボン１１５２に加えて第２のデータリボン１１７２をも採用し、一度に複数のビットを読み取ることができるようにしている。２個のデータリボン（１１５２、１１７２）が示されているが、任意の個数を採用可能である。データリーダ１１７０は再び一連のビットリーダ１１７４を有するが、この場合、各ビットリーダ１１７４は、各データリボン（１１５２、１１７２）に対して１つずつ設けられた一組の引力要素１１７６、１１７８を有する。引力要素１１７６は、データリボン１１５２に設けられた切り抜き１１５８と相互作用してデータリボン１１５２を位置決めするように構成され、その一方で、引力要素１１７８は、第２のデータリボン１１７２に設けられた切り抜き１１８０と相互作用して第２のデータリボン１１７２を位置決めするように構成されている。この場合、各行の切り抜き（１１５８及び１１８０）はビットに対応し、列は４バイト（バイト数はビットリーダ１１７４の個数で定義される）に対応し、各バイトは、各データリボン（１１５２、１１７２）に対して１つずつ設けられた２ビットの情報で構成される。図１１Ｈは、切り抜き１１５８－２、１１８０－２によって定義されるように第２のバイトを読み取るために、第２のビットリーダ１１７４－２が動いたときのデータリーダ１１７０を示すものである。この場合、切り抜き１１５８－２は、下側位置にデータリボン１１５２を配置するために引力要素１１７６－２と相互作用するように構成され、当該下側位置は（先に示した図１１Ｆ参照）出力値１を表しており、一方、切り抜き１１８０－２は、引力要素１１７８－２に作用して、データリボン１１７２を（未だそこに位置していなければ）上方位置に配置するように構成され、当該情報位置は出力値０を表している。データリボン（１１５２、１１７２）は、メモリの第２のバイトについて（１、０）の値を記録する。

【0081】

図１２Ａ～図１２Ｆは、クロック位相間の値を記憶するように作用するラッチ機構１２００の一例を示している。ラッチ機構１２００は、コピー要素１２０６によって接続される入力１２０２及び出力１２０４を有する。図示のように、入力１２０２は入力ピン１２０８を有し、入力ピン１２０８はＮＣＦを介してコピー要素１２０６と相互作用し、その一方で、出力１２０４は、コピー要素１２０６とピボット運動可能に係合される。コピー要素１２０６は、今度はコピーピン１２１０（図示では出力１２０４と一体的に形成）を有し、コピーピン１２１０はＮＣＦ（ナノスケールの機構におけるファンデルワールス引力、又はより大規模な機構における強磁性など）を介してロック板１２１２に係合する。ロック板１２１２はＵ字形であり、ロックアクチュエータ１２１４によってロック位置（図１２Ａ及び図１２Ｃ参照）と非ロック位置（図１２Ｂ及び図１２Ｄ参照）との間で動かされる。ロック板１２１２が自身のロック位置にあるとき、ロック板のエッジは、コピーピン１２１０の動きを制限し、入力１２０２及び出力１２０４の動き方向におけるコピー要素１２０６の並進運動を阻止するように作用するが、これは、出力１２０４がその０値位置（図１２Ａ及び図１２Ｂ参照）にあるか又はその１値位置（図１２Ｃ及び図１２Ｄ参照）にあるかにかかわらない。留意すべき点として、機構１２００は、フローティング又は非フローティングの何れかであり得る部品間における接続を提供するために、ロック板１２１２なしで採用され得る。

【0082】

ロック板１２１２が非ロック位置にあるとき、コピー要素１２０６及びこれに接続された出力１２０４は、出力１２０４の０値位置と１値位置との間を自由に並進運動するが、このときコピーピン１２１０はロック板１２１２のエッジに遭遇することはない。このとき、コピー要素１２０６はコピーアクチュエータ１２１６によって出力１２０４に関連してピボット運動可能であり、（下側の）自由位置（図１２Ａ及び図１２Ｃ参照）と（上昇した）コピー位置（図１２Ｂ及び図１２Ｄ参照）との間をコピー要素１２０６が動くこととなる。コピー要素１２０６は三角形のコピー板１２１８を有し、コピー板１２１８はエッジ１２２０及び１２２２を有し、エッジ１２２０及び１２２２は、コピー要素１２０６がそのコピー位置に対してピボット運動する際に、入力１２０２の位置で決まる位置にコピー要素１２０６及び出力１２０４を動かすために入力ピン１２０８と相互作用する（コピー板１２１８は、有効エッジ１２２０及び１２２２を有する活性面を提供し、且つ、係合要素として作用する入力ピン１２０８と相互作用するが、その一方で、コピーアクチュエータ１２１６は被駆動要素又は第２入力とみなされ得る）。入力１２０２が０値位置にある場合、エッジ１２２０は、コピー要素１２０６がピボット運動する際にコピー要素１２０６及び出力１２０４を動かして、出力１２０４を（未だその位置にない場合に）０値位置に配置するように作用する。同様に、入力１２０２が１値位置にある場合、エッジ１２２２は、コピー要素１２０６及び出力１２０４を動かして、コピー要素１２０６がピボット運動する際に（未だその位置にない場合に）出力１２０４を１値位置に配置するように作用する。コピー要素１２０６は制御要素とみなされ得るものであり、当該制御要素は、入力１２０２の位置（同様に出力１２０４の現在位置）に部分的に基づいてコピーアクチュエータ１２１６の動きを出力１２０４に選択的に伝達する。入力１２０２及び出力１２０４の相対位置は、機構１２００を（入力１２０２が現在の出力１２０４の位置に合致し、且つ、出力１２０４を動かすことなくコピーアクチュエータ１２１６の動きを収容可能な場合の）非活性動作状態若しくは運動収容状態に置くか、又は、機構１２００を（入力１２０２が現在の出力１２０４の位置と合致せず、且つ、入力ピン１２０８がエッジ１２２０又は１２２２の一方に逆らって動こうとするときに生じうるＮＣＦ変化が生じないようにするために、コピーアクチュエータ１２１６の動きを出力１２０４に伝達する場合の）活性動作状態若しくは運動伝達状態に置くと、みなし得る。

【0083】

一旦、出力１２０４が入力１２０２の値を反映するために正規位置に（必要に応じて）動かされた状態になると、ロック板１２１２がロック位置に戻ることが可能となり、コピーピン１２１０のさらなる並進運動が防止され且つ出力１２０４を現在位置に効果的にロック可能となる。コピー要素１２０６は、その後、コピーアクチュエータ１２１６を後退させることによってその自由位置にピボット運動で戻ることができ、このとき入力１２０２はその０値位置と１値位置との間で自由に動くことが可能であり、その一方で、前回値は出力１２０４のロック位置によって記憶される。機構１２００は、入力１２０２、出力１２０４、ロックアクチュエータ１２１４及びコピーアクチュエータ１２１６のような要素にはＣＮＴを用いて、ロック板１２１２及びコピー板１２１８のような平面的要素にはダイヤモンド、ロンズデーライト又はダイヤモンドイド構造を用いて、分子規模で形成可能である。

【0084】

このようなラッチ１２００の１つの使用法は、図１２Ｅに示されるように、２つのラッチ１２００を連鎖させてＤ型フリップフロップ１２３０を提供することであり、各ラッチ１２００の出力１２０４は他のラッチの入力１２０２を定義し、ロック板１２１２は順次動かされる。束縛を避けるために、各ラッチ１２００のロック板１２１２は、対応する入力１２０２を自由に運動可能とする非ロック位置に動かされるが、その前に、他のラッチ１２００のコピーアクチュエータ１２１６が、コピー要素１２０６をピボット運動するために活性状態に置かれ、このコピー要素１２０６は、対応する出力１２０４と非対応ラッチ１２００の自由に動く入力１２０２とを設定するように作用する。

【0085】

順次、第１ラッチ１２００－１のロック板１２１２－１がその非ロック位置に配置され（図１２Ｅ参照）、第１コピー要素１２０６－１がそのコピー位置にピボット運動させられて第１出力１２０４－１がセットされる。一旦設定されると、第１ロック板１２１２－１はそのロック位置に動かされ、出力１２０４－１を設定して（これは入力１２０２－２も設定する）、第１コピー要素１２０６－１はその自由位置に戻され、第１入力１２０２－１の動きが可能になる。次に、第２ロック板１２１２－２はその非ロック位置に動かされ、第２コピー要素１２０６－２はそのコピー位置に動かされ、これらが作用することで、第２出力１２０４－２（これは第１入力１２０２－１も決定する）が、第２入力１２０２－２（第１出力１２０４－１により決まる）により決定される位置に置かれる。

【0086】

図１２Ｆはラッチ１２００を採用する機構の別の例を示しており、グリッドメモリ１２５０の一部である（図示は、メモリ構造全体における４列のうちの２列である）。この場合、ラッチ１２００は、トランスミッションゲート１２５２の配列と組み合わせて使用され、トランスミッションゲート１２５２は、図７Ｈ～図７Ｉ、図８Ａ～図８Ｂに示されるゲート（７５０、８００、８４０）と同様の構成が可能である。メモリ１２５０において、ラッチ１２００は、これらの値がデータ線１２５４に「読み返される」まで、一組のデータ線１２５４から受け取った値を記憶することができる。この方式では、出力１２０４の位置は読み取られず、出力１２０４はコピー要素１２０６の動きを制限するためだけに機能する。図１２Ｆは、２つのメモリアドレス（００及び０１）を図示しており、同様の追加のメモリアドレスの組（１０及び１１であり、右側の省略部分に配置される）は図示されていない。各メモリアドレスは２ビットのデータを格納できる。各メモリアドレスは、２つのデータ入力１２０２を有する一組のラッチ１２００を有し、各々がそのビットの情報のためのデータ線１２５４に接続される。各データ線１２５４は、メモリアドレスの各々について、そのビットのためのデータ入力１２０２を一緒に接続する。

【0087】

トランスミッションゲート１２５２は、各々がメモリアドレスの１ビットを識別する２つのアドレスバー１２５６の位置に基づいて、現在の動作のためにメモリアドレスの一つを選択するように配置される。アドレスバー１２５６－０の位置は、現在活性なメモリアドレスの第１ビットを決定し、アドレスバー１２５６－１の位置はその第２ビットを決定する。図示のように、両方のアドレスバー（１２５６－０、１２５６－１）は、それらの０値位置にあるので、メモリアドレス００が現在選択される。各々の場合、アドレスバー（１２５６－０、１２５６－１）の位置によって、非活性メモリアドレス用のトランスミッションゲート１２５２における少なくとも１つの伝達板１２５８が、メモリ選択バー１２６０からセル選択器１２６２内のトランスミッションゲート１２５２への運動伝達を中断する位置に配置される（図７Ｃに示すＮＯＲゲート７２０における鎖状のトランスミッションゲート７００Ａ－７００Ｃと同様の方法による）。そのような位置では、伝達板１２５８は、伝達板１２５８を動かすことなくメモリ選択バー１２６０自体又はメモリ選択リンク１２６４の何れかの動きを収容するように配置される。例として、図示の位置では、現在は非活性なメモリアドレス０１について、下側の伝達板１２５８はメモリ選択バー１２６０の動きをメモリ選択リンク１２６４に伝達するように配置されるが、しかし上側の伝達板１２５８は、かかる動きをセル選択器１２６２に伝達することなくメモリ選択リンク１２６４の動きを収容するように配置される。メモリアドレス１０及び１１用の伝達板は、アドレス００及び０１用の伝達板と同様に配置されているが、アドレスバー１２５６－０がその０値位置にあるときにメモリセレクトバー１２６０の動きを収容可能となるように下側の伝達板が配置されており（したがって図示の状況ではそれらは非活性である）、しかしアドレスバー１２５６－０がその１値の位置にあるときにメモリ選択リンクに動きを伝達し、（アドレスバー１２５６－１によって位置決めされる）上側の伝達板の位置により、何れのメモリ選択リンクが収容可能であり何れが動きを伝達するように作用するかが決定される。メモリ選択バー１２６０が上方に変位すると、トランスミッションゲートを通る１つの経路のみが存在し、アドレスバー（１２５６－０、１２５６－１）の位置に基づいて活性メモリアドレスが定まる。

【0088】

セル選択器１２６２において、被選択経路におけるトランスミッションゲート１２５２の変位は、結合された一組のトランスミッションゲート１２５２に作用する。このような作用は、一組のゲート１２５２を非活性位置（図示のように、伝達板１２５８を動かすことなくロック解除バー１２６６及びコピーバー１２６８の動きを収容可能）から活性位置へと動かし、そこでは伝達板１２５８の作用により、ロック解除バー１２６６の動きがロック解除リンク１２７０へと伝達され、コピーバー１２６８の動きがコピーリンク１２７２へと伝達される。動かされると、ロック解除リンク１２７０は、活性メモリアドレス内のラッチのロック板１２１２を動かすロックアクチュエータとして機能し、その一方で、コピーリンク１２７２は、コピー要素１２０６を動かすコピーアクチュエータ（又は被駆動要素）として機能する。

【0089】

データ線１２５４の現在位置によって符号化された値を、現在の被選択メモリアドレスのコピー要素１２０６に格納するために、データ線は、まずデータロック１２７４によって固定される。次に、ロック解除バー１２６６が上げられて、被選択アドレスのコピー要素１２０６における並進運動が自由になる。次に、コピーバー１２６８が上げられて、コピー要素１２０６がコピーリンク１２７２によって上方にピボット運動させられることで、コピー要素１２０６と入力１２０２（データロック１２７４により位置が固定）との相互作用によりコピー要素１２０６が入力１２０２の位置（データ線１２５４の位置で設定される）に対応する位置まで動かされる。次に、ロック解除バー１２６６が下げられて、コピー要素１２０６が位置間で並進運動することが防止され、符号化された値が記憶される。その後、コピーバー１２６８が下降可能となり、データロック１２７４を解除して、データ線１２５４を新しい値にリセット可能となる。

【0090】

記憶した値を取り出すために、コピーバー１２６８とロック解除バー１２６６との動作を逆にすることが可能である。データ線１２５４のロックを解除して入力１２０２を動かせるようにし、次にコピーバー１２６８を上げる。ロック解除バー１２６６はまだ上げられていないので、被選択メモリアドレスのコピー要素１２０６は並進運動しないように阻止され、したがって各々のコピー要素１２０６は、それらの現在値（対応する入力１２０２の値をコピーした後に、前回記憶した値）を反映する位置を保持する。コピーバー１２６８が上げられると、各コピー要素１２０６のピボット運動は、コピー要素１２０６によって現在符号化されている値（この場合、入力１２０２は実質的に出力として機能する）と合致するように、対応する入力１２０２を０値又は１値の何れかの位置に動かすように作用する。次に、入力１２０２は、データロック１２７４を作動させることによって所定位置にロックされ、次にコピーバー１２６８が下降可能となり、その後に、メモリ選択バー１２６０が下げられて、値を取り出すための新しいメモリアドレスの選択が可能となる。

【0091】

シンプルなモーターを提供するために、ＮＣＦ相互作用を用いるカム作用を利用可能である。図１３Ａは回転子機構１３００の一例を示しており、並進運動を回転運動に変換するためにＮＣＦ相互作用が採用される。回転子機構１３００は、駆動体１３０２と被駆動要素１３０４を有する。駆動体１３０２は引力要素１３０６を有し、その一方で被駆動要素１３０４は螺旋ねじ山１３０８を有し、螺旋ねじ山１３０８はエッジ１３１０によって境界付けられ、螺旋ねじ山１３０８に引力要素１３０６が引き付けられる。図示の機構では、引力要素１３０６は磁石であり、螺旋ねじ山１３０８は強磁性材料で形成されている。被駆動要素１３０４は、軸１３１２を中心に回転するように設置され、駆動体１３０２は、軸１３１２と平行に並進運動可能である。駆動体１３０２が並進運動するとき、並進運動する引力要素１３０６と螺旋ねじ山１３０８との間のＮＣＦを一定に保つために、複数のエッジ１３１０の何れかを越えて引力要素１３０６を動かさないように、被駆動要素１３０４が回転する。螺旋ねじ山１３０８は活性面を提供しており、係合要素としての引力要素１３０６が複数のエッジ１３１０の一方に押し付けられるのを避けるために強制的に動かされる。実際には、螺旋ねじ山１３０８は、もし仮に成形板１１０６が細長く且つ円筒状に巻かれていたとする場合における、図１１Ａ及び図１１Ｂに示される機構の成形板１１０６と、同様のカム動作を提供する（先に記したように、多くの機構は平板又は円筒を用いて同様の方法で機能し、幾つかの用途では球形又は半球形などの他の形状への適用も実用的であり得る）。また、回転要素が動かされるようにして他方の要素の並進運動を生じさせるなど、動きを逆にすることも可能である。

【0092】

図１３Ｂ及び図１３Ｃは回転体機構１３５０を示しており、回転体機構１３５０は単一の入力１３５２と複数の出力１３５４との間で回転運動を選択的に伝達する役割を果たし、機械式マルチプレクサとして採用され得る。伝達方式を逆にし、複数の入力が単一の出力に回転運動を選択的に伝達することも可能である。入力１３５２は、入力シャフト１３５６と細長い入力ヘッド１３５８を有する。同様に、出力１３５４の各々は、出力シャフト１３６０および細長い出力ヘッド１３６２を有する。複数の出力１３５４がそれらの出力ヘッド１３６２を整列させつつ配置された場合、出力ヘッド１３６２と平行に入力ヘッド１３５８がのびるように入力１３５２を配置可能であり、選択した１つの出力ヘッド１３６２に並べて入力ヘッド１３５８を配置するように入力１３５２を（図示しない手段によって）動かすことが可能である。出力ヘッド１３６２が形成するラインには小さな途切れがあるだけなので、入力１３５２のそのような動きは、入力ヘッド１３５８が対応する出力ヘッド１３６２のエッジを超えて移動する時に打ち勝つべき僅かなＶＤＷ障壁をもたらすだけである。選択された出力ヘッド１３６２に一旦整列すると、入力１３５２は回転可能となり（図１３Ｃ参照）、ヘッド（１３５８、１３６２）を互いの整列から外すために必要となるであろうヘッド間のＶＤＷ引力に打ち勝たないように、ＶＤＷ力によって出力ヘッド１３６２が入力ヘッド１３５８と共に回転させられる。回転運動は、選択された出力シャフト１３６０に伝達される。機構１３５０は、出力ヘッド１３６２の整列位置で入力ヘッド１３５８及び整列した出力ヘッド１３６２が静止するように、増加幅１８０°で入力１３５２を回転させるように設計可能である。次に、入力１３５２は、入力ヘッドを別の出力ヘッド１３６２と対向させるように移動可能であり、その後、入力１３５２の回転によりその出力１３５４が強制的に回転させられる。

【0093】

入力ヘッドを１つの出力ヘッドと並んだ状態から別の出力ヘッドと並んだ状態へと動かすために打ち勝つべきＶＤＷ力をさらに低減するために、入力ヘッド又は出力ヘッドの形状は、出力ヘッド間の移動時の障壁を低減するように調整可能であろう。一例として、図１３Ｄは、出力ヘッド１３７２の形状においてのみ機構１３５０と異なる回転体機構１３７０を示しており、複数の出力ヘッド１３７２が面取りされて、出力ヘッド１３７２の隣接部位が重なるようになっている。入力ヘッド１３５８が複数の出力ヘッド１３７２の間を移動する際に、出力ヘッド１３７２間のギャップを横切る移動に対するＶＤＷ障壁がより緩やかになり、ＶＤＷ力の抵抗に打ち勝つために必要な力がより少なくなる筈である。

【0094】

図１３ＥはＮＣＦエネルギー障壁の他の使用法を示し、有効エッジを越えて要素を動かすためにエネルギー障壁に打ち勝つ必要のないように部品を動かすための使用法である。ベルト駆動機構１３９０は一組の滑車１３９２を採用し、滑車歯１３９４が形成されたエッジを有している。ベルト１３９６はベルト歯１３９８のエッジを有しており、ベルト１３９６は滑車１３９２に係合する。ベルト歯１３９８は、滑車歯１３９４と合致し且つ滑車歯１３９４の上に重ねられており、滑車歯１３９４のエッジを越えて動かされることに対するＮＣＦ障壁を作り出す。このエネルギー障壁は歯（１３９４、１３９８）の整列を保つように作用し、滑車１３９２の一方を回転させるとベルト１３９６が動いて歯（１３９４、１３９８）の整列を保ち、ベルト１３９６のそのような動きにより他方の滑車１３９２も共に動かされる。分子スケールの機構の場合、滑車１３９２をＣＮＴから形成可能であろうし、ベルト１３９６をグラフェンから形成可能であろう。滑車１３９２の間隔がより大きい場合、ベルト１３９６の側面が互いに引き合うことを打ち消すために、ベルト１３９６に沿ってのびるＣＮＴガイドを使用可能であろう。

【0095】

ＮＣＦは、部品の動きをガイド又は制限することにも採用可能であり、或る部品のＮＣＦに反応する部分又は要素が別の部品のエッジに接触することが回避されるようにする（議論の意図のために、このような第２部品は動かないものとみなす）。図１４Ａ及び図１４Ｂはガイド機構１４００を図示し、図１１Ａ及び図１１Ｂに示したリンク体１１００の部品と同様の部品を採用する。ガイド１４００は、再び、成形板１４０４（活性面を提供）を持つ第１部品１４０２と、引力要素１４０８（係合要素を提供）を持つ第２部品１４０６とを有する。しかし、ガイド１４００では、第１部品１４０２は固定されており、第２部品１４０６は、その伸長軸に沿った並進運動に限定されない（図示の例では、第２部品１４０６の動きはピボット運動及び移動の両方であり、左側視界外にある軸を中心にピボット運動し、このピボット軸が並進運動する際に移動をする）。第２部品１４０６のピボット軸を並進運動させる力が加えられると（図１４Ｂ参照）、引力要素１４０８と成形板１４０４との間のＮＣＦが作用して第２部品１４０６の動きをガイドし、成形板１４０４のエッジに引力要素１４０８が接触することが回避される。図１４Ｃは、同じ原理を拡張するガイド機構１４３０を示しており、ガイドトラック１４３２が、所定位置に固定される第１部品として機能する。ガイドトラック１４３２は、また、第２部品１４０６の動きをガイドして、引力要素１４０８とガイドトラック１４３２の間のＮＣＦに打ち勝つことが必要となるであろう引力要素１４０８とガイドトラック１４３２のエッジとの接触を回避するために、第２部品１４０６を所望運動経路に沿って導く役割を果たす。この場合、ガイドトラック１４３２は、第２部品１４０６のピボット軸が並進運動する際に、曲線を含む経路に沿って引力要素を導く。

【0096】

トラックが動き且つトラックに追従する要素が固定されるように、構成部品の相対位置を変更することによって、同じガイド効果を達成することができる。そのような方式の一例として、図１４Ｄはデータリーダ機構１４５０を図示しており、データリーダ機構１４５０に組み込まれた構成部品は、図１１Ｈのデータリーダ機構１１７０の構成部品と機能的に類似しているが、ＮＣＦとしてファンデルワールス引力を採用するナノスケール製作用に設計されている。機構１４５０は、２組の引力垂直ガイド要素１４５２（ロンズデーライト等のダイヤモンドイド材料で形成され得る）を有し、各々が、２つのデータリボン１４５４（グラフェンテープから形成され得る）の１つと係合するように位置決めされる。ガイド要素１４５２は、データリボン１４５４の動きが本質的に垂直な動きに制限されるように、データリボン１４５４における障害物無しの垂直領域とは反対の側に固定及び配置されるが、その理由は、軸から外れた動きをするにはデータリボン１４５４のエッジの１つをガイド要素１４５２の１つに接触させてＮＣＦに打ち勝つ力が必要となるからである。データリーダ１４５０において、ガイド要素１４５２のガイド効果は、４つのビットリーダ１４５６（変性ＣＮＴから形成され得る）に対してデータリボン１４５４がドリフト移動する問題を回避するのに役立つ。図１４Ｄはまた、スリーブ１４５８（これはより大きなＣＮＴで形成され得る）に取り付けられたビットリーダ１４５６を示す。ファンデルワールス引力が要素を最大重なり位置に向かって引き寄せる傾向があり、重なりを減少させる動きに対して復元力をもたらすので、各ビットリーダ１４５６が対応するスリーブ１４５８内を動くことで両要素の重なり深さが変化する場合、入れ子式ＣＮＴがばねとして採用され得る。このような復元力は、図示のスリーブ１４５８を用いて、或いはビットリーダ１４５６の別の部位に重なる別のスリーブのセットを用いて、ビットリーダ１４５６に張力を与えるのに使用され得る。

【0097】

部品がＮＣＦの変化なしに一方の種類の動きが可能であるが他方の種類の動きを可能とするにはＮＣＦに打ち勝つ必要があるように構成されている場合、同様のガイド作用を利用して２つの部品の間の動きを回転運動又は並進運動のいずれかに制限することができる。これは、動きを所望の種類及び／又は範囲に制限するための必要部品数を減らすことによって機構を簡素化する目的で採用可能であり、また、部品が回転運動と並進運動との両方の動きを可能とするものの一方の場合は自由に動くが他方の場合は動くために力を必要とするような機構を設計することもできる。図１５Ａは、内側部品１５０２と外側部品１５０４を有するロータリージョイント１５００を示す。内側部品１５０２は軸１５０６に沿って細長であり且つ内側部品軸受部１５０８を有し、内側部品軸受部１５０８は軸１５０６まわりに拡径し且つ対称な形状である。外側部品１５０４は、外側部品通路１５１０を有するとともに、その通路１５１０の端部付近に配置された引力要素１５１２を備えている。部品（１５０２、１５０４）は軸１５０６を中心にして互いに関して回転自在であるが（接触している場合は摩擦力を受ける）、これは、そのような回転運動が内側部品軸受部１５０８と引力要素１５１２との間のＮＣＦを変化させることがないからである。しかしながら、軸１５０６に沿った並進運動をするためには引力要素１５１２と軸受部１５０８との間のＮＣＦに打ち勝つことが必要であり、その理由は、そのような運動により、通路１５１０の一端における引力要素１５１２が、軸受部１５０８の終端する有効エッジと接触することになるからである。ＮＣＦに打ち勝つための十分な力が加わらない限り、部品（１５０２、１５０４）は回転可能であるが、互いに関して並進運動ができない。留意点として、並進運動に対するこのような制限は、機構を複雑にするような追加の運動制限部品なしで達成されている。ナノスケールの機構では、変性ＣＮＴが、回転ジョイントの内側要素及び外側要素（図５Ｃ及び図５Ｄに示す要素５５２、５５４及び５６４と同様であり得る）に使用可能であり得るとともに、ＶＤＷ力が内側部品をその軸方向位置に保持するＮＣＦｓを提供する。留意点として、軸受部１５０８と通路１５１０の相対的な長さは、回転運動と限定範囲の並進運動とを可能にするために、変更可能であろう。図１５Ｂはロータリージョイント１５３０を図示し、内側部品１５３２と、同じ外側部品１５０４とを採用している。この例の内側部品１５３２は、拡径した２つの軸受部１５３４を有し、その何れかが外側部品通路１５１０によって回転係合可能である。外側部品１５０８は、内側部品１５３２に関連する２つの異なる位置の間で強制的に並進移動可能であり、何れかの長手方向位置にあるときに回転自在である。

【0098】

図１５Ｃはスライドジョイント１５５０を図示しており、図１５Ａのロータリージョイント１５００と機能を逆にしたものであり、（限られた範囲内で）自由並進運動を可能とするが、回転運動には抵抗する。スライドジョイント１５５０では、内側部品１５５２及び外側部品１５５４が、軸受部１５５６及び通路１５５８をそれぞれ備え、部品（１５５２、１５５４）はＮＣＦに打ち勝つことなく軸１５６０に沿う並進運動が可能となるように構成されるが、部品（１５５２、１５５４）が互いに関して回転運動するためには力を必要とする。スライドジョイント１５５０では、このような構成は、外側部品１５５４に引力要素１５６２を配置するとともに、引力要素１５６２に対向して位置する軸受面１５６４により軸受部１５５６を構成することによって、達成される。部品（１５５２、１５５４）の並進運動は、ＮＣＦを大きく変化させることなく、軸受面１５６４を引力要素１５６２に沿って動かすが、その一方で、部品（１５５２、１５５４）の回転運動は、引力要素１５６２を軸受面１５６４のエッジに接触させて有効に動かすことが必要であろうし、かかる回転には抵抗が生じる。引力要素１５６２と４つの軸受面１５６４とにより４つの組が設けられているので、部品（１５５２、１５５４）は、互いに関して４つの角度位置の間を強制的に回転可能であり、当該４つの位置の何れかにあるときに限られた距離を自由に並進運動可能である。

【0099】

説明のために特定の例を採用した上記の議論は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲を限定するものとして理解されるべきではない。

【0100】

Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｌｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇと題する出願人の同時出願（ドケット番号ＣＯＭＰ－００２－ＰＣＴ及びＣＯＭＰ－００３－ＰＣＴ）、米国特許１０，４８１，８６６号、同１０，６６４，２３３号、同１０，９４９，１６６号、同８，１７１，５６８号、同８，２７６，２１１号、同９，６７６，６７７号、同１０，０６７，１６０号、同１０，０７２，０３１号、同１０，１３８，１７２号、同１０，１９７，５９７号、同１０，３０８，５１４号、同１０，３０９，９８５号、同１０，８２２，２２９号、同１０，８２２，２３０号、及び米国特許出願公開２０２１／０１４９６３０号は、組み込みが適切な法域において参照により本願に組み込まれる。

【手続補正書】

【提出日】2023-03-31

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

機構であって、
第１部品と、
第２部品と、を備え、
前記第２部品は、規定した動作範囲において前記第１部品に対して可動であり、前記第１部品に対して、ファンデルワールス力に起因する、引力性の非接触力を発生させ、
前記第１部品と前記第２部品は、前記規定した可動範囲に亘って動いても、一方の部品の何れの部分も、ファンデルワールス引力の実質的変化を引き起こすように他方の部品の有効エッジに近接するようには動かされず、且つそれ故に部品間の前記非接触力が前記規定した動作範囲に亘って実質的に変化しないように、互いに関連して構成され、
前記機構は、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式入力の形態でデータを受け入れ、位置によって値を符号化する１つ以上の機械式出力の形態でデータを出力するように構成され、
前記機構は、前記入力の少なくとも１つに論理演算を行うことによって少なくとも１つの出力の前記位置が決定されるように構成され、前記論理演算が、組み合わせ論理演算、順序論理演算及びブール論理演算からなる群のなかの少なくとも１つの演算を含む、機構。

【請求項2】

請求項１に記載の機構であって、
前記第１部品が、少なくとも非活性位置と活性位置との間で動くことができ、
前記非活性位置では、前記第２部品が部品間の前記引力を実質的に変化させずに前記第１部品に関連して相対的に可動であり、
前記活性位置では、前記第１部品に関連する前記第２部品の動きは、前記引力の著しい変化に打ち勝つことを必要とする、機構。

【請求項3】

請求項２に記載の機構であって、
前記第１部品は、前記第１部品がその活性位置にある場合に、少なくとも１つの方向において前記第２部品の動きを阻止する、機構。

【請求項4】

請求項１に記載の機構であって、
前記第１部品及び前記第２部品は、少なくとも前記機構の活性動作状態において、前記第１部品の動きが、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の対応する動きを必要とするように、互いに関して構成される、機構。

【請求項5】

請求項４に記載の機構であって、
前記機構は、非活性動作状態に設定可能であり、
前記非活性動作状態において、前記第１、２部品間の前記引力を実質的な変化なく維持するために前記第２部品の動きを必要とせずに前記第１部品の動きを収容可能である、機構。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の機構であって、
被駆動要素を備え、
前記入力（複数可）の前記位置（複数可）が、前記被駆動要素の変位が複数の前記出力のうち選択された１つに伝達されることなく収容可能であるか否かを決定するための前記機構内の許容動作範囲を決定する、機構。

【請求項7】

機構であって、
第１部品と、
可動である第２部品と、を備え、
前記第２部品は、前記第１部品に対して可動であり、前記第１部品と前記第２部品との間にファンデルワールス引力に起因する非接触力を生成するように前記第１部品と相互作用し、
前記第１部品と前記第２部品とのうち一方が、少なくとも１つの活性面を持ち、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、
前記第１部品と前記第２部品とが、部品間の前記非接触力が前記第１部品に対する前記第２部品の許容動作範囲を規定するように互いに関して構成され、
前記第２部品の前記動作範囲は、前記第１部品と前記第２部品との間のファンデルワールス引力に実質的な変化が引き起こされるように前記第１部品と前記第２部品とのうち何れか一方の部分が前記活性面の前記有効エッジ（複数可）へと十分に近傍に近づくように前記第１部品に関連して前記第２部品を動かすことのない動作範囲として規定され、且つそれ故に前記動作範囲内における前記第２部品の動きは前記部品間の前記非接触力を実質的に変化させない、機構。

【請求項8】

請求項７に記載の機構であって、前記有効エッジは、前記有効エッジを越えて続く表面の下に存在する構造によって提供される、機構。

【請求項9】

機構であって、
可動である第１部品と、
可動である第２部品と、を備え、
前記第１部品及び前記第２部品のうち一方が少なくとも１つの活性面を持ち、前記第１部品及び前記第２部品のうち他方が少なくとも１つの係合要素を持ち、前記活性面（複数可）は少なくとも１つの有効エッジを持ち、
前記係合要素（複数可）及び前記活性面（複数可）は、ファンデルワールス引力に起因してそれらの間に非接触力を生成し、
前記第１部品及び前記第２部品は、少なくとも前記機構の活性動作状態において、前記第２部品が前記第１部品の動きに応答して強制的に動くように構成され、前記第２部品が動かなかった場合に前記有効エッジ（複数可）に関連して前記係合要素（複数可）が動く結果生じるであろう、前記第１部品と前記第２部品との間に生ずる前記ファンデルワールス引力の実質的な変化を回避するように、前記第２部品が動く、機構。

【請求項10】

請求項９に記載の機構であって、
前記機構は、活性動作状態と非活性動作状態とに選択的に構成されることが可能であり、
前記活性動作状態では、前記第１部品の動きに応答して前記第２部品が動き、
前記非活性動作状態では、部品間の非接触力の実質的変化を回避するために前記第１部品の動きに応答して前記第２部品が動くことを必要とするであろう部品間の非接触力の実質的変化を生じさせることなく、前記係合要素（複数可）の動きを収容可能である、機構。

【請求項11】

請求項９又は請求項１０に記載の機構であって、
前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方は、少なくとも１つの入力によって位置決めされる、機構。

【請求項12】

請求項１１に記載の機構であって、
前記第１部品の動きに応答する前記第２部品の動きは、１つ以上の入力の位置に対して行われるブール関数で決定される、機構。

【請求項13】

請求項１１に記載の機構であって、
前記機構は、機械式のクロック信号により駆動され、前記クロック信号のサイクル間に前記第１部品と前記第２部品とのうち少なくとも一方の位置が記憶されるように構成される、機構。

【請求項14】

請求項９から請求項１３のいずれか１つに記載の機構であって、
前記機構は、前記第１部品の動きに応答して前記第２部品を動かすために、１μＮを超えない力を要する、機構。

【請求項15】

機構であって、
第１部品と、
第２部品と、を備え、
前記第２部品は、規定した動作範囲を通じて前記第１部品に対して可動であり、
前記第１部品及び前記第２部品は、部品間で、ファンデルワールス引力に起因する引力性の非接触力を発生させ、
前記第１部品及び前記第２部品は、前記規定した動作範囲に亘って、ＶＤＷ引力が実質的に及ばない程の十分に大きな距離を離間した前記第１部品及び前記第２部品の部分だけが互いに対して距離を変化させるように、互いに関連して構成され、
前記機構の体積は０．００１ｍｍ^３を超えない、機構。

【国際調査報告】