納米技術:信息與物理世界的交匯

奇點臨近作者：Ray Kurzweil 投票推薦加入書簽留言反饋

無窮小的作用無窮大。

 ——路易斯·巴斯德

 但是我不怕考慮那個終極的問題，即最終在遙遠的未來，是否可以按照我們的期望來排列原子，原子按照我們的方式排列！

 ——理查德·費因曼

 納米技術具有增強人類行為的潛力，可以帶來資源、能源和食物的可持續發展，可以保護人們免受未知的細菌和病毒的侵害，甚至是（通過為全人類創造幸福生活）消除破壞和平的緣由。

 ——美國國家科學基金會納米技術報告

 納米技術能夠提供重建物理世界的工具——包括我們的身體和大腦——一個分子片段接著分子片段，甚至是一個原子接著一個原子。我們縮小了技術上的關鍵特征尺寸，與加速回歸定律一致，具有大約每10年4倍線性度量的指數率。68以這種速率，到2020年，大多數電子和許多機械製造的關鍵技術尺寸將會到達納米技術的範圍（電子技術已經跌破這個閾值，盡管還沒有實現三維結構和自裝配）。與此同時，特別是在過去的幾年中，在為迎接納米技術時代的到來而籌備的概念框架和設計理念等方麵，取得了飛速的進展。

 與前麵所述的生物技術革新一樣重要的是，一旦它的技術完全成熟，就會遇到生物技術本身的局限性。盡管生物係統具有非凡的智力，但是我們同時也發現了它們非常不令人滿意的一麵。我已經提到過，大腦裏的交流速度極其緩慢，在後麵的內容中我還會討論，用機器人代替我們的紅細胞比它們的相應生物成分要高效數千倍。69一旦我們充分理解了生物的運轉規則，我們所能改變的是生物本身永遠無法與之相比的。

 然而，納米技術的革命可以徹底使我們以分子的方式來重新設計和組建我們的身體和大腦以及與我們所交互的世界。70這兩個革命相互重疊，但是對納米計算的認識要落後於生物技術革命大概十年左右的時間。

 大多數納米技術曆史學家把納米技術概念的誕生日定為曆史學家理查德·費因曼在1959年的創新性演講《theres plenty of room at the bottom》，他描述了在原子水平上創造機械的必然性及其影響：

 據我所知，物理學的原則與在原子水平來操縱事物的可能性並不相悖。物理學家可以合成任何化學家寫下的化學物質，原則上這將是可能的。如何做呢？把原子放到化學家說的地方，然後我們就創造了物質。如果我們的顯微能力以及在原子的水平操作的能力都能得到發展（我認為這種發展勢在必得），那麽化學和生物學的問題就可以得到極大地解決。71

 一個更早的關於納米技術概念的基礎是由信息理論學家約翰·馮·諾伊曼闡述的，早在20世紀50年代，他就用他的模型闡述了這個概念。這是一個基於通用構造器、與通用計算機相結合的自複製係統。72在這個方案中，計算機運行一個指示構造器的程序，反過來這個程序構造了計算機（包括它的自我複製程序）和構造器的複製品。在這個層次的描述上，約翰·馮·諾伊曼的建議非常抽象——計算機和構造器可以以多種方式來構造，就像種類繁多的物質，甚至可以是一個數學理論的構造。但是，他將這一概念做了發展，提出了“運動學構造器”：一個具有至少一個機械手（臂）的機器人，將會從“海量部分”中，建立一個其自身的複製品。73

 埃裏克·德雷克斯勒在20世紀80年代起草了一份具有裏程碑意義的博士論文，最終由他開創了現代納米技術領域。在論文中他基本上結合了這兩個有趣的建議。埃裏克·德雷克斯勒描述了一個馮·諾依曼運動學構造器，其大量地使用分子和原子片段，正如費因曼的演講中所建議的那樣。德雷克斯勒的設想跨越了許多學科的界限，而且意義深遠，以至於除了我的導師馬文·明斯基外，沒有人敢為他指導論文。德雷克斯勒的論文（在1986年成為他的著作《engines of creation》，並在1992年出版的《nanosystems》做了技術闡釋）闡述的納米技術的基礎，為今天的發展提供了路線圖。74

 德雷克斯勒的“分子匯編器”可以製造世界上幾乎任何的物質。它被稱為是“通用匯編器”，但德雷克斯勒和其他納米理論家不用“通用”這個詞，因為這種係統的產物一定會受到物理和化學規律的約束，隻有原子的穩定結構才是可行的。此外，盡管使用單個原子的可行性已被證實，但任何具體的匯編器從其海量部分來構建產物都將受到限製。然而，這樣的匯編器可以做出幾乎任何我們想要的物理設備，包括高效電腦和其他匯編子係統。

 德雷克斯勒雖然沒有提供關於匯編器的詳細設計——這種設計還沒有完全具體化，但是他的論文的確為每個分子匯編器的主要成分提供了大量可能需要的參數，這包括下麵的子係統：

 ●計算機：提供控製匯編過程的智能。同這個設備的所有子係統一樣，計算機要小而且簡單。正如我在第3章所提及的，德雷克斯勒對機械計算機提出了一個有意思的概念描述，他使用了分子“鎖”代替晶體管門。每個鎖隻需要16立方納米的空間，而且可以每秒轉換100億次。盡管由三維碳納米管陣列建造的電子計算機似乎會有更高的計算密度（即每秒每克的運算），但該提議依然比任何已知的電子技術更有競爭力。75

 ●指令體係結構：德雷克斯勒和他的同事拉爾夫·梅克爾已經提出了一種simd（單指令流多數據流）的體係結構，其中單一數據存儲將記錄指令並且同時把他們傳遞給數以萬億計的分子級的匯編程序（每一個都擁有它們自己簡單的計算機）。我在第3章中已經討論了simd體係結構的局限性，但是這種設計（相對於靈活的多指令多數據的方法，這實現起來要簡單得多）對於通用納米技術的匯編程序中所用到的計算機來說已經足夠。運用這種方法，每一個匯編程序都必須存儲創建所需產品的全部程序。一種所謂的“廣播”的結構也可以解決關鍵的安全性問題：如果自我複製的過程失去了控製，那麽可以通過終止複製指令的方法來關閉這個過程。

 然而正如德雷克斯勒所指出的，一個納米級的匯編程序沒有必要擁有自我複製的能力。76自我複製存在固有的危險，前瞻學會（埃裏克·德雷克斯勒和克瑞斯汀·彼得森成立的一個智囊團）提出了相應的倫理標準，特別是在自然環境中，禁止無限製地自我複製。

 正如我在第8章將要討論的那樣，這種方法應該合理有效地應用於對付那些容易被疏忽的危險上，雖然一些堅決的資深對手有可能會避免這些問題。

 ●指令傳輸：指令從中央數據存儲區到每一個匯編程序的傳輸，對於電子計算機來說是用電子的方式完成的，而如果德雷克斯勒的機械計算機的概念付諸實現，那麽可以通過機械震動的方式傳輸。

 ●構建機器人：構造器將是一個簡單的分子機器人，擁有一個手臂，很像馮·諾依曼的運動學構造器，但它是小型的。正如我前麵說的那樣，現今已經有分子級實驗係統的樣品，例如可以作為發動機或者機器人的腿，我在接下來的內容中會討論。

 ●機械手臂的末端：德雷克斯勒在《nanosystems》一書中為機器手臂的末端提供了一些切實可行的化學過程，使它有能力抓住一些分子片段，甚至一個單一的原子，然後將其放到預定位置。在人造鑽石的化學汽相沉澱過程中，個別的碳原子或者分子片段通過在末端的化學反應向其他位置轉移。製造人造鑽石是一個混沌的過程，涉及數萬億的原子，但是羅伯特·弗雷塔斯和拉爾夫·梅克爾提出一種概念，在建造分子機器中，希望機械手臂末端可以從源材料中去掉氫原子，然後將它們安放到需要的地方。在該提議中，可以用鑽石材料來建造微型機器。除了擁有極好的強度之外，還可以在某種精確地模式下將一些雜質摻進這種材料中，從而創造出電子元器件，如晶體管。仿真結果顯示，分子級的齒輪、杠杆、電動機和其他的機械係統一樣，都可以按照預期正常運轉。77最近，人們更多地關注起碳納米管，它主要由三維空間上的碳原子按六角形排列組成。碳納米管可以在分子級別提供機械和電子的雙重功能。我以下給出的一些分子規模的機器都是已經成功實現的。

 ●匯編程序的內部環境需要防止環境雜質，以免影響到精巧的編譯過程。德雷克斯勒的提議需要維護近似的真空環境，並且用與鑽石同樣的材料來構建匯編程序圍牆，匯編程序自身就有能力去製造這堵圍牆。

 ●編譯過程所需的能量可以由電能或化學能來提供。德雷克斯勒提出了一種化學工藝，即將燃料與建築源材料相混合。最近很多提案都使用了納米工程的燃料電池，有的是氫和氧混合，有的是葡萄糖和氧混合，還有的是使用超聲波頻率中的聲學能量。78

 盡管已經提出許多構造模型，但是典型的匯編程序已經被描述成了一種桌麵單元，它可以幾乎製造任何我們可以用軟件描述出來的產品，從計算機、衣服、藝術品到烹飪。79再大一點的商品，像家具、汽車甚至是房子，都可以通過模塊的方式或者更大的匯編程序來建造。匯編程序特殊的重要性在於它可以創造自己的副本，除非在它的設計中明確禁止了這項功能（為了避免自我複製所帶來的潛在的危險）。創造任何物質產品，包括匯編程序本身，附加成本主要是原始材料成本，大約是每鎊幾便士。德雷克斯勒估計，不管製成品是衣服、大規模並行計算機還是另外其他的製造係統，一個分子製造過程的總共製造成本大約每千克花費（10～15）美分。80

 當然，實際成本主要是那些描述每種產品信息的價值，即控製匯編過程的軟件。換句話說，世界上的任何東西包括物體本身，本質上都是基於信息的。今天我們離這種情況已經不遠了，因為產品的信息內容正在快速增長，正在逐漸趨近於價值的100%。

 用於控製分子製造係統的軟件設計必須可以自動擴展，如同今天的芯片設計一樣。芯片的設計者不需要確定數億電線和部件中每一個的位置，但必須詳細地設計它的功能和特性，計算機輔助設計係統（cad）會將它們翻譯成實際的芯片設計（版麵布線）。同樣，cad係統可以通過高級設計說明書生產出分子製造控製軟件。這是一種反向製造產品的能力，即通過掃描它的三維構造，可以生成複製其全部功能的軟件。

 在匯編程序運行的過程中，中央數據存儲係統將同時向數以萬億計（有些估計已經高達1018這樣的數量級）的機器人發送指令，並且每一個機器人都將同時接收到同樣的指令。匯編程序生產這些分子機器人的方法是，開始的時候先創建出一小部分，然後將這一小部分用迭代的方式去創建另外的部分，直到所需數量的機器人全部創建出來。每一個機器人都具有一個本地數據的存儲單元，用於指定它正在建造的機械裝置的類型。這個存儲單元將把所有從中央數據存儲係統發送過來的統一指令進行掩碼操作，以便阻塞某些指令並且將本地參數填充進去。通過這種方式，即使是所有的匯編程序收到同樣的指令序列，但每一個分子計算機正在生產的部分都會有自己定製的標準。這個過程類似於生物係統中基因表達的過程。盡管細胞擁有全部的基因，但是隻有那些與特殊細胞類型相關的基因才會得到表達。每一個機器人會從源材料中選取它們所需的原材料和燃料，其中包括獨立的碳原子和分子片段。

 生物學的匯編程序

 自然界表明，分子可以起到機器的作用，因為生物就是依靠這樣的機器工作的。酶就是分子機器，它可以通過製造、破壞或者重新排列的方式與其他分子結合。分子機器可以通過相互拖拉纖維的方式來驅動肌肉活動。dna充當數據存儲係統，向分子機器——核糖體（用於生產蛋白質分子）傳遞數字指令。這些蛋白質分子又反過來組成了大多數的分子機器。

 ——埃裏克·德雷克斯勒

 分子匯編程序可行性的根本依據就是它生命的本身。事實上，隨著不斷加深對生命過程的信息基礎的認識，我們正在挖掘一些具體想法來應用到普遍的分子匯編程序的設計要求中。例如，有人提議，像生物細胞那樣利用葡萄糖和atp作為分子能源。

 考慮一下生物學是如何解決德雷克斯勒匯編程序中的每個設計所麵臨的挑戰。核糖體代表著計算機和結構機器人。生命不需要中央數據存儲，而是給每一個細胞提供完整的代碼。將納米技術機器人的本地數據存儲限製在一小段匯編代碼（利用“廣播”的結構），特別是當它們自我複製的時候，這是納米技術可以比生物技術設計得更為安全的一種臨界方法。

 生命的本地數據存儲當然是dna鏈，即染色體上分布著特殊的基因。指令隱藏的任務（阻塞那些對於特殊細胞類型沒有作用的基因）是通過短的rna分子和管理基因表達的多肽來控製的。可供核糖體發揮作用的內環境是細胞內維護的一種特殊的化學環境，它需要酸堿平衡（人類細胞的ph值大約為7）以及其他的化學平衡。細胞膜負責排除幹擾以保護細胞的內環境。

 通過納米計算機和納米機器人升級細胞核。這是一種簡單的概念上的提議，它用於戰勝除了朊病毒（一種自我複製的病態的蛋白質）以外的所有生物病原體。隨著2020年納米技術的全麵到來，將可能利用納米工程係統來代替細胞核內生物遺傳信息的倉庫，它可以用來維護遺傳密碼，並且模擬rna、核糖體行為，以及生物匯編程序的計算機中其他元素的行為。一台納米計算機將維護基因代碼，實現基因表達的算法。然後，納米機器人就可以為表達基因而構建氨基酸序列（見圖5-2）。

 圖　5-2

 采用這種機製將帶來很大益處。我們可以消除dna轉錄錯誤的積累，這是老化過程的一個主要因素。我們可以引導dna去重組基因（將來，我們可以通過使用基因療法，先於錯誤發生之前完成對dna的編碼）。我們也可以通過阻止所有有害的遺傳信息複製，進而來戰勝生物病原體（細菌、病毒和癌細胞）。

 這種推薦的納米工程係統的廣播結構可以讓我們關閉有害的複製過程，從而戰勝癌症、自身免疫反應以及其他疾病。盡管這些疾病的大多數都可能被前麵所提到的生物技術所征服，但是用納米技術的再設計生命計算機將克服餘下的障礙，並且體現出一種超越生物體固有屬性的持久性與靈活性。

 機械手臂的末端可以利用核糖體的能力來實現酶分解個體氨基酸的反應，它的每一部分都必然是一段特殊的trna，並且可以通過肽鍵與相鄰的氨基酸連接。因此，這種係統有能力利用核糖體本身的一部分來創造出自己所需的氨基酸片段。

 然而，分子製造的目標不僅僅是複製生物學中分子匯編的能力。生物係統需要通過蛋白質來構建而受限，即在強度和速度上受到極大限製。盡管生物蛋白是三維結構的，但是生物學局限於化學的分類，可以將它拆成一個一維的氨基酸鏈。盡管納米機器人由鑽石型的齒輪和軸構成，但它依然可以比生物細胞的速度和強度好上千倍。

 關於計算方麵的對比或許更加生動：基於納米管的計算速度是哺乳動物神經元之間極慢的電化學交換速度的幾百萬倍。

 前麵描述的鑽石型匯編程序的概念所使用的是統一的原料（結構和燃料方麵），這是在外界不受限製的環境下，用來防止機器人分子級複製的方法之一。在生物界複製機器人以及核糖體同樣需要小心地控製原料和能源材料，而它們由消化係統提供。基於納米的複製基因變得越來越精致，它們擁有更強的能力，從少數控製得很好的原材料中提取碳原子或者基於碳元素的分子片段，並且能夠在受控的複製基因的圍牆以外操作，例如生物界，它具有嚴重威脅生物界的潛能。一個顯著的事實是，基於納米的複製基因比任何生物係統都具有更加強大的強度和速度。當然這種能力正是引起第8章爭論的原因所在。

 在德雷克斯勒的《nanosystems》發布的十年間，他通過額外的設計方案81、超級計算機模擬和相關分子機器的實際建造，對概念設計的每一部分都做了驗證。波士頓大學的化學教授羅斯·凱利在報告中提到，他運用78個原子建造出了一個由化學供能的納米發動機。82一個由卡洛·夢迪馬諾領導的生物分子研究小組創造出了一種把atp當做燃料的納米發動機。83另一個分子級的發動機是荷蘭格羅寧根大學的本·弗瑞格利用58個原子創造的，它利用太陽能。84其他的分子級的機械組件也取得了相似的進步，例如齒輪、軸和杠杆。證明化學能和聲能用途的係統已經通過設計、仿真（正如德雷克斯勒最初的描述）並實際建造出來。在材料上，利用分子級設備開發各種各樣的電子元件也取得了巨大進步，特別是在由理查德·斯莫利所倡導的碳元素納米管領域中。

 作為結構組件，納米管證明了其功能的多樣性。近期，一條由納米管建造出來的傳送帶通過了美國勞倫斯伯克利國家實驗室科學家的驗證。85這種納米級的傳送帶用於從一個地點向另一個地點傳送極小的銦元素微粒，這種傳送帶還可以用於傳送各種各樣的分子級的物體。通過控製設備電流，就可以調整移動方向和速度。其中的一個設計者克裏斯·裏根曾經說過：“對於納米級的質量傳輸，這與旋轉門把手是一樣的，可以進行宏觀控製。它們都是可逆的過程，可以通過改變當前的極性使銦元素回到原來的位置。”建立分子匯編流水線重要的一步是，能夠將分子級別的建築材料迅速地傳送到準確的位置。

 在美國通用動力公司為nasa（美國國家航空和宇宙航行局）所做的一份調查中，納米級機器自我複製的可行性已經得到了證實。86通過計算機的模擬，研究者們闡述道：這種由分子構成的精密的機器人在運動學上稱為細胞的自動機，它由可以重構的分子模塊構成，具有自我生成的功能。這種設計同樣用到了廣播結構，使更加安全的自我複製成為可能。

 對於構建分子結構來說，已經可以證明dna與納米管同樣具有很多功能。dna具有與自己相連的傾向，使得它成為了一個有用的結構組件。將來的設計可能結合這種屬性，也會結合存儲信息的能力。無論是納米管還是dna，除了可以用來構建堅固的三維結構以外，它們在信息存儲和邏輯控製的方麵都具有顯著的特性。

 慕尼黑路德維格·馬克西米蘭大學的一個研究小組設計出了一種“dna手”，它可以通過命令從一些蛋白質中選擇一個，將其捆綁住，在接到命令後再將其釋放。87與核糖體類似，構建dna匯編程序機器的關鍵步驟最近已經被兩位納米技術研究者論證，他們分別是廖世平和艾德裏安·西蒙88。在受限製的規則下，抓取和放回分子物質對於分子納米技術的匯編來說是另一個重要的能力。

 美國斯克利普斯研究院的科學家通過製造許多條dna的1669個核苷酸序列的方法，論證了創造dna構建模塊的能力，它們被小心地放置在自我補充的區域內89。這些自我組合的序列理所當然地被放在了正八麵體中，它可以作為模塊來構建精確設計的三維結構。這個過程的另一個應用就是它可以當做箱子一樣來運送蛋白質，正如斯克利普斯研究院的一位研究員傑拉德·喬伊斯稱它為一種“反向病毒”。病毒也是自我組合，通常情況下它有蛋白質的外殼，內部是dna或者rna。喬伊斯還指出，有了這種技術就可以讓dna在外麵，蛋白質在裏麵。

 一個令人印象深刻的、關於用dna構成納米級設備的論證表明，這種設備是一種微小的僅有十納米長的兩足機器人90，它可以用腿來走路。它的腿和它走路的軌跡都是用dna建造的，選擇這些dna是因為它們能在人們的控製下使自己連接或者斷開。在紐約大學化學教授艾德裏安·西蒙和威廉·謝爾曼的一個項目中，納米機器人可以在軌道上拆下它的腿，再向下走，然後再連上它的腿繼續走路。這個項目再一次生動地證明納米機器人可以執行精確的任務。

 另一個設計納米機器人的方法就是向自然學習。（美國）橡樹嶺國家實驗室的納米技術科學家邁克爾·辛普森描述了利用細菌的可能性。如同一台準備就緒的機器一樣，細菌是一種天然的納米級的生物，它可以移動、遊動，還可以抽取液體91。哈佛羅蘭環學會的一位名叫琳達·特納的科學家關注它們線狀的胳膊，稱其為傘。它們可以執行各種各樣的任務，包括搬運其他納米級的物質或者攪拌液體。另一種方法就是隻用細菌的一部分。華盛頓大學一個名叫vi vogel的研究小組僅用大腸杆菌的四肢就構建了一個係統，可以根據不同的型號對納米級顆粒進行分類。因為細菌是天然的納米級係統，可以實現各種功能，這項研究的最終目標是反向操作加工細菌，可以用同樣的設計原則來設計我們的納米機器人。

 胖手指和粘手指

 隨著未來納米係統各個方麵的快速發展，在德雷克斯勒的納米匯編程序概念中並沒有發現嚴重的缺點。諾貝爾獎得主理查德·斯莫利於2001年《scientific american》月刊中指出了一個廣為人知的缺陷，但這是基於對德雷克斯勒92想法的一種曲解，這並沒有涉及過去十年中大部分的努力。作為碳納米管的先驅者，斯莫利一直熱衷於納米技術的各種應用，他曾說過“納米技術將給我們帶來答案，解決我們對於能源、健康、通信、運輸、食物和水等緊迫的物質需求”，但是他對於分子匯編納米技術仍然持懷疑態度。

 斯莫利認為德雷克斯勒的匯編程序由5～10個所謂的“手指”（機械手）組成，他們用來支撐、移動或者放置構成機器的每一個原子。然後他繼續指出，分子匯編機器人工作的狹窄空間並不能容納這麽多手指（他稱其為“胖手指”問題），同時由於分子引力的存在，這些手指很難擺脫它們的原子貨物（他稱其為“粘手指”問題）。斯莫利還指出了通過5～15個原子在普通的化學反應中就能實現複雜的三維模型。

 事實上德雷克斯勒的想法並不像斯莫利所批評的那樣一文不值。德雷克斯勒的想法，包括大部分他此後的提議，都隻用了一個簡單的詞匯“手指”來描述。此外，還有關於可行的尖端化學反應的描述和分析，但並不包括像放置機械物質一樣去提取和放置原子。除了我上麵所提到的例子之外（例如，dna手），利用德雷克斯勒的氫原子提取的方法來移動氫原子的可行性問題，在這幾年中已經得到了廣泛的認證93。1981年ibm開發了掃描式探針顯微鏡（spm），以及更加先進的分子力顯微鏡（afm），它們都可以通過在一個分子級結構尖端的具體反應來放置個別的原子，這些都為研究提供了一些概念上額外的證據。最近大阪大學的科學家借助分子力顯微鏡移動了單個的絕緣原子，他用到的就是機械技術而不是電子技術94。無論是移動絕緣還是非絕緣的原子或分子都將在未來的分子納米技術中得到應用95。

 事實上，如果斯莫利的批評是正確的，假設像斯莫利所說的生物匯編程序確實不可能實現的話，我們就不會有人再在這裏討論了，因為生命它本身就是不可能的了。

 斯莫利也反對“盡管瘋狂地工作，生產很少的產品（納米機器人）也需要數百萬年”的說法。當然，斯莫利是正確的，一個匯編程序如果僅擁有一個納米機器人的話，那麽它是生產不出來任何有質量的東西的。然而，納米技術基礎的概念是我們將使用數以萬億計的機器人來實現一個遠大的目標，這也正是其安全問題受到廣泛關注的原因。使用合理的花銷來製造這麽多的納米機器人，必須要在某一級別內采用自我複製技術。在解決經濟上的問題的同時，可能會引發更大的潛在危機，這一點我將在第8章中說明。生物學中運用了同樣的方法，它們使用數萬億個細胞組成生物有機體，而且事實上我們發現所有的疾病都因為生物體在自我複製的過程中出錯而產生的。

 人們已經很好地解決了早先提出的有關納米科技概念的挑戰。評論家們指出，納米機器人將會成為原子核、原子和分子的熱振動炮轟的對象。這正是納米技術概念設計者強調要使用鑽石型或碳納米管技術來構建結構成分的原因之一。通過提高係統的強度和剛度來減少熱效應對其的影響。分析表明，這些設計在熱效應中的穩定性比生物係統要好千萬倍，所以它們能夠運轉的溫度範圍更加廣泛96。

 類似的挑戰來自於在量子的影響下所發生的位置的不確定性，它是針對那些型號極小的納米設備來說的。對於電子來說，量子的影響是非常重要的，但是一個單獨的碳原子核是一個電子重量的兩萬倍。一個納米機器人將由數百萬到數十億個碳或其他原子構成，這使得他的重量是電子的數萬億倍。考慮到這個比率，量子未知的不確定因素就顯得不是那麽重要了97。

 功率是另一個挑戰。在設計中所包括的葡萄糖-氧氣的能源細胞已經在弗雷塔斯等人的可行性研究中等到了驗證98。葡萄糖-氧氣這種方法的一個優勢就是，在納米醫藥應用中所使用的氧氣、葡萄糖和atp等原料人類的消化係統就可以提供。一個納米級的發動機就通過鎳來做推進劑，用基於atp的酶來做能源實驗的99。然而，最近在微米級或納米級葡萄糖-氧氣能源細胞的應用中，所取得的進步提供了另一種方法，我將在接下來的內容中報告這方麵的內容。

 爭論越發激烈

 2003年4月德雷克斯勒在一封公開信100中向斯莫利在《scientific american》發表的文章提出挑戰。信中引用了20多年來他本人和其他人的研究成果，關於斯莫利的胖手指和粘手指的問題做了具體回答。正如我上麵所討論的，分子組裝從未被描述成擁有手指，而是依賴具有活性分子的精確定位。德雷克斯勒引用生物酶和核糖體作為在自然界精確分子匯編的例子。德雷克斯勒在文章結尾引用了斯莫利自己的實驗觀察，他認為：“當科學家說某事可行時，他們很可能低估了使其變為可行要花費的時間。但是，如果他們說這不可行，則他們很可能錯了。”

 2003年有3個多回合的類似辯論。斯莫利在回應德雷克斯勒的公開信時，收回了他的胖手指和粘手指的說法，並認識到酶和核糖體確實作用於精確的分子匯編，斯莫利早些時候指出這種情況是不可能的。斯莫利認為，生物酶隻能在水中發揮作用，這種水基化學局限於如木質、肉質和骨質的生物結構。正如德雷克斯勒曾表示的一樣，這也是錯誤的101。許多酶，即使是那些通常在水中工作的酶，亦可以在無水有機溶劑中發揮作用，並且某些酶可以以蒸汽為基層發揮作用，而不依賴任何液體102。

 斯莫利接著說，（無任何起源或引用）類似酶的反應隻能在生物酶存在時且有水的化學反應中進行，這也是錯誤的。麻省理工學院的化學和生物工程教授亞曆山大·巴諾夫於1984年展示了這種無水（不包含水）酶的催化作用。巴諾夫在2003年寫道：“顯然（斯莫利）關於無水酶催化作用的闡述是不正確的。20年前我們第一篇論文發表以後，出現了成百上千篇關於無水酶催化的論文103。”

 這很容易理解為什麽生物是通過水基化學進化的了。水是我們這個星球上非常豐富的物質，並構成我們身體的70%～90%，我們的食物，以及事實上所有的有機物質。水的三維電屬性能相當強大，可以斷開其他化合物的強化學鍵。水被認為是“普遍的溶劑”，因為在我們體內多數生化方式都需要水，我們可以把星球上生命中的化學認為是水化學。然而，我們的技術的主要目的是開發出不受生物進化限製的係統，因為生物進化的基礎就是水基化學和蛋白質。生物係統可以成功飛翔，但如果你想以每小時數百或數千英裏的速度飛行在三萬英尺的高度，你將可以使用我們的現代技術，而不是蛋白質。生物係統如人類的大腦一樣，可以記憶、計算，但是如果你想要處理的是數十億的信息數據，你可能需要使用電子技術，而不是毫無幫助的人類大腦。

 斯莫利忽視了過去十年中，在利用精確製導分子反應來定位分子片段的其他方法的研究。人們廣泛地研究了如何精確控製鑽石結構合成材料，包括從氫化鑽石表麵104移除一個單獨的氫原子，並能夠將一種或多種碳原子添加到鑽石表麵。105人們已經開展了關於支持氫遊離的可行性相關研究，並通過精確製導合成鑽石結構。這些已在如下機構中完成：加州理工學院材料和過程仿真中心、美國北卡羅來納州立大學的材料科學和工程學院、肯塔基大學分子製造研究所、美國海軍學院以及施樂公司帕洛阿爾托研究中心。106

 斯莫利避而不提前麵提到的行之有效的掃描探針顯微鏡，該顯微鏡用於精確控製分子反應。在這些概念上，拉爾夫·梅克爾描述了可能出現的尖端反應，這可能涉及四個反應物。107很多文獻都講述了位置確定的反應具有精確製導的潛能，能用於尖端化學的分子匯編。108近年來除了spm還有很多工具能夠可靠地操縱原子和分子片段。

 在2003年9月3日，德雷克斯勒再一次指出了大部分斯莫利沒有解釋的文獻，以此作為斯莫利對自己第一封公開信的答複的回應。109他引用了納米級現代化工廠的比喻。他引用過渡狀態分析，認為選定的適當反應物的位置控製在兆赫的頻率下是可行的。

 斯莫利再次做出了回應，他在信中對具體的引用和最近的研究提到的較少，而是做了很多不準確的比喻。110例如，他寫道：“不能僅僅通過簡單的機械動作就使得兩個分子發生預想的化學變化，同樣也不能通過把它們簡單地擠壓在一起來實現。”他再次承認事實上酶確實能夠實現這些，但是他卻拒絕接受這樣的反應可以在生物係統以外的類似環境中發生：“這就是為什麽我讓你去使用真實的酶來討論真實的化學，任何這樣的係統都需要一個液體介質。對於我們所了解的酶來說，所需的液體必須是水，可以在水環境中合成的東西的類型不可能比生物學中的骨頭和肉更加廣泛了。”

 斯莫利的論點是：“我們沒有x天，因此x是不可能的。”我們曾多次在人工智能的領域遇到過這樣的論點。現今，評論家們將引用這個係統的局限性作為證據，以說明這樣的局限性是固有的，並且是不能夠戰勝的。例如，這些評論家都無視當代的一些關於ai（人工智能）的例子，而是在過去的十年中，僅僅把在商業上可行的係統作為研究的重點。

 那些嚐試著用完備的方法論去設計未來的人們，都處於一種不利的地位。也許，未來的現實有些無法避免，但是他們沒有辦法去證明這一切，所以他們經常會被否認。有一小部分人在20世紀初堅持認為比空氣重的飛行是可行的，但是主流的一些懷疑者提出了質疑，如果這是可行的，那麽它為什麽還沒有成為現實呢？

 斯莫利在他最近的來信的末尾，至少在部分上展示了他的動機，他在信中是這樣說的：

 幾周前我為學區內的約700名初中生、高中生做了一個關於納米技術和能量方麵的演講，題目是“作為一名科學家，我們應該保護世界”，這個學區是休斯頓地區一個很大的公共學校係統。同學們去觀看我演講的準備工作是，每人要求寫一篇名叫“為什麽我是納米狂人”的評論。在數百篇文章中，我有特權閱讀前30篇比較出色的文章，並從中選出我最喜歡的5篇。在我讀到的評論中，有將近一半認為，自我複製的納米機器人是可能實現的，並且大部分人對納米機器人在全世界得到普及時，我們的未來將會發生些什麽，表示深切的擔憂。盡管我盡可能地減少他們的恐慌，但是毫無疑問，青年人都被灌輸了非常糟糕的想法。

 你和你身邊的人們已經嚇到了我們的孩子們。

 我向斯莫利指出，早期的評論家也表達過對於計算機網絡和軟件病毒在世界範圍內傳播的可能性的擔憂。在今天看來，我們從計算機網絡中受益，又遭受了來自軟件病毒的損失。然而，隨著軟件病毒的擴散，免疫係統也隨之產生了。在這些益處與危險交融的例子中，我們得到的收獲遠比受到的傷害多得多。

 斯莫利安撫公眾不要對未來可能出現技術的濫用現象感到擔心，但這並不是一個正確的策略。這不僅否認了基於納米技術的匯編過程的可行性，也否認了它的潛力。同時否定分子匯編過程的益處和危險將最終起到反作用，並且不能夠把研究引導到所需要的建設性的方向上去。截止到21世紀20年代，分子匯編過程將在有效抵抗貧窮、保護環境、戰勝疾病、延長人類壽命以及許多其他值得追求的方麵提供工具。與人類所發明的任何其他的技術類似，它也可能會起到破壞性的作用。所以重要的是，我們要運用知識從這項技術中獲得更多的收獲，同時避免它所帶來的危險。

 早期使用者

 盡管德雷克斯勒納米技術的概念基本上解決的是在製造過程中對於分子的精確控製問題，但是它已經擴展到任何可以用納米來衡量的技術的關鍵指標（一般少於100納米）。當代的電子學已經悄然進入這個領域，生物學和醫學的各項應用已經進入到納米粒子的時代，人們正在開發納米級的設備，以便用於檢測和治療。盡管納米粒子使用的是統計學的製造方法而不是匯編程序，但是它仍然依靠原子級的特性來發揮作用。例如，納米粒子如同標簽一樣用於生物學實驗，這極大地提高了檢測蛋白質等物質的敏感性。例如，可以用具有磁性的納米標簽與抗體捆綁，然後通過磁探針來檢測抗體是否還在身體內。用金製的納米粒子捆綁在dna片段上，可以快速地檢測出dna序列，這已經通過實驗得到驗證了。被稱為量子點的小納米珠可以通過不同的顏色進行編碼，這類似於一種顏色的條形碼，可以很輕鬆地透過物體來跟蹤某種物質。

 結合納米級的通道形成微流體設備，可以在給定的物質上獲取極小樣本，同時進行上百個實驗。有了這些設備，可以進行更加廣泛的實驗，例如近乎無創的血液取樣。

 納米級的支架可以用於培養生物學的組織，例如皮膚。將來的治療可以運用這些微小的支架來培養身體內部修複時所需要的任何類型的組織。

 一個非常令人振奮的應用就是利用納米粒子來為身體的某一具體部位實施治療。納米粒子可以引導藥物進入細胞壁，通過腦血管障壁。蒙特利爾麥吉爾大學的科學家們展示了一顆納米藥丸，其結構範圍在（25～45）納米。111這顆納米藥丸足夠的小，可以穿過細胞壁並且直接將藥物傳遞給細胞內的目標結構。

 日本的科學家已經運用110個氨基酸分子建造出一個納米籠子，可以用來放置藥物的分子。粘附在納米籠子表麵的是一個縮氨酸分子，可以用來識別人體內部目標的具體位置。在一次試驗中，科學家用縮氨酸精確地鎖定到人體肝髒細胞。112

 馬薩諸塞州貝德福德微芯片生產公司開發出一種嵌入在皮下的計算機設備，並且通過設備中數百個納米級的儲存庫精確地傳送藥物的混合物。113人們希望未來這些設備可以用來測量像葡萄糖這樣的物質的血液含量。這個係統可以用在人工的胰腺上，根據血糖反饋來控製釋放胰島素的數量。它同樣可以用於模擬任何可產生荷爾蒙的器官。

 另一個創新性的建議是，引導金質的納米粒子到腫瘤的位置，然後通過紅外線加熱的方式殺死癌細胞。可以設計納米級容器來承載藥物，保護它們通過胃腸道，引導它們到達精確的位置，然後按照計劃將其釋放，並允許它們接受體外的指令。阿拉楚阿縣（佛羅裏達州）的納米治療學已經用這種方法開發出了一種僅僅幾納米厚的可以被生物分解的聚合體。114

 推動奇點發展

 全世界每天生產的能量大約為14萬億瓦特，其中33%來自石油，25%來自煤，20%來自天然氣，7%來自核裂變反應，15%來自生物和水力資源，隻有0.5%來自可再生的太陽能、風能和地熱能。115其中礦物燃料占能源總數的78%，絕大多數空氣汙染和嚴重的水汙染以及其他形式的汙染，均來自礦物燃料的提煉、運輸、加工和使用的過程。原油資源會帶來地緣政治緊張，同時，這些石油每年2萬億美元的價格也帶來一些其他問題。隨著以納米技術為基礎的新的提煉、轉化和傳輸技術的出現，工業時代的能源資源在能源生產中的統治地位會越來越明顯，但是隨著未來能源需求的大量增加，可再生能源才是解決能源問題的關鍵。

 到2030年，比起現在，運算和通信的性價比將很可能以億倍的係數增長，其他技術在性能和效率上也會有大幅增長。由於不斷提高能源使用效率，能源需求的增長速度將遠比不上技術的增長速度，這方麵的問題我會在後麵討論。納米技術革命主要影響的是物理技術，像製造業和能源業，將由加速回歸定律所支配，包括能源在內的所有技術都會徹底變成信息技術。

 據估算，到2030年全球能源需求將達到現在的兩倍，遠遠落後於經濟增長期望，與技術能力的增長相比更是遙不可及。116而增加的能源需求很可能由新的納米級的太陽能、風能及地熱能提供。有一點我們必須要意識到，即絕大多數能源雖然形式多樣，但都是太陽能的載體。

 礦物燃料中存儲的能源是太陽能經過動物、植物和上百萬年的演化轉化而來的（盡管最近礦物燃料源自活體組織的理論遭到挑戰）。然而，高質量油井中石油開采量已經達到了頂峰，一些專家甚至認為峰值已然過去了。很明顯我們正在迅速消耗一部分比較容易獲取的礦物燃料。當然，我們還有更多難以提煉的礦物燃料資源（比如煤和頁岩油），這需要更尖端的技術才能進行清潔、高效地提煉，這些能源也將成為未來能源的一部分。一個正在建造的價值10億美元的示範工廠——未來電力，有望成為世界上第一個使用礦物燃料的零汙染能源工廠。117擁有2.75億瓦特發電能力的未來電力，不會像現在一樣直接燃燒煤炭，而是將煤炭轉化成由氫氣和一氧化碳組成的混合氣體，然後將與蒸汽相互作用，在密閉的環境中生成相分離的氫氣和二氧化碳氣流。氫氣可以用做燃料電池，它可以轉化為電能和水。工廠設計的關鍵是一種用於分離氫氣和二氧化碳的新薄膜材料。

 納米技術的出現使發展清潔、可再生、分布式和安全的能源技術成為可能，我們關注的重點也在於此。在過去幾十年中，能源技術一直在工業時代的s形曲線上緩慢發展（一種專項技術發展的中後期，其發展能力已經接近極限）。雖然納米技術的發展需要新的能源資源，但是到2020年，在能源的各個方麵——生產、儲存、運輸和利用——將產生新的s形曲線。

 我們應該從能源的利用方麵開始反思能源需求問題。由於納米技術在原子、分子量級上具備處理物質和能量的能力，因此能源使用率將大大提高，這就間接降低了能源的需求。幾十年之後，計算將過渡到可逆計算（見第3章）。如我所言，具有可逆邏輯門的計算，消耗的能量主要是用於更正量子力學上的偶然性錯誤，因此相對於不可逆計算，可逆計算有望減少達10億數量級的能量消耗。並且未來的邏輯門和存儲單元將更小，每個維度至少小到原來的十分之一，這又將減少1000倍的能源需求。因此高度發達的納米技術將使每一次bit轉換消耗的能量減少1兆倍。當然我們增加的計算量也許比這還多，但是能源使用率大大提高將抵消計算量的增加程度。

 當代製造業移動散裝材料會造成能源浪費，相對於此，分子納米製造技術將提高製造業的能源使用率。當代製造業將價格低廉的能源資源用於生產像鋼鐵這樣的基本材料。一個典型的納米工廠將是一台能生產從電腦到衣服的桌麵裝置，而較大的產品（如汽車、房屋甚至其他的納米工廠）將生產成模塊子係統，由較大的機器人進行組裝。而在納米製造過程中占主要能量消耗的廢熱將會回收再利用。

 納米工廠的能源需求可忽略不計。據德雷克斯勒估計，分子製造業將會製造能源，而不消耗能源。德雷克斯勒說：“分子量級製造過程可以由原材料的化學能量驅動，而電能將作為副產品產出（哪怕隻是為了減少散熱負擔）……使用典型的有機原料，假設剩餘的氫都被氧化，加上合理高效的分子製造工藝，這就成為了淨能源生產。”118

 產品可以使用納米管和納米複合材料為原料，這樣就避免了現今製造鋼、鈦、鋁而消耗大量能源的情況。基於納米技術的光源將使用體積較小的冷光發光二極管、量子點或其他創新光源來取代發熱、低效的白熾燈和熒光燈。

 雖然工業產品的功能和價值會增加，但是其物理尺寸一般不會增大（甚至大多數的電子產品尺寸還會變小）。工業產品價值的提高很大程度上源於產品信息內容具有的擴展價值。雖然在這個時期內，信息化產品和服務會有大概50%的通貨緊縮率，但是那些有價值的信息不但會抵消通貨緊縮還會以更快的步伐增長。

 在第2章曾討論過適用於信息交流的加速回歸定律，由於用於交流的信息總量會呈指數倍的增長，且交流的效率也會以相當的速度提高，因此信息交流的能量需求則會增長得很慢。

 能量在傳輸方麵將會更有效率，由於石油運輸的低效率以及電力傳輸時電線產生熱量，使得大量能量在這些過程中丟失，同時產生環境汙染。盡管斯莫利對分子製造業持批評態度，但卻非常支持用於製造、轉換能量的新的納米技術模型。他闡述道：基於線狀碳納米管的新輸電纜將會更強韌、更輕便，最重要的是，相對於傳統的銅製電纜，其能量傳輸效率將大大增加。119斯莫利所展望的納米能源的未來包括了一大批納米新技術的功能：120

 ●太陽能發電：將太陽能電池板的價格降低到原來的1/100～1/10。

 ●氫氣製造：從太陽光和水中高效提取氫氣的新技術。

 ●氫氣存儲：為燃料電池提供氫氣儲存的輕便、堅韌的材料。

 ●燃料電池：將燃料電池的價格降低到原來的1/100～1/10。

 ●存儲電能的電池和超級電容器：將電能存儲密度增加10～100倍。

 ●通過使用堅韌、輕便的納米材料提高汽車、飛機等交通工具的性能。

 ●在月球等地方用堅韌、輕便的納米材料製造大規模能量收集係統。

 ●使用納米級電子器件的智能機器人可以在太空或月球上自動建造發電廠。

 ●新的納米塗料將極大地減少深井勘探的開銷。

 ●在超高溫下，納米催化劑可獲取更多從煤中產生的能量。

 ●納米過濾器可以收集提取高能煤炭時產生的煤煙，煤煙中大部分為碳，而碳是大多數納米技術產品設計的基礎材料。

 ●新材料使幹燥、堅硬的岩石地熱資源得以利用（將地核中的熱量轉化為能量）。

 另一種傳輸能量的方式是以微波的形式進行無線傳輸，這種方法特別適用於太空中巨型太陽能板產生的高效射束能量（在後麵內容中介紹）。121美國聯合國大學理事會的千年項目將微波能量傳輸技術看做是“清潔、豐富能源的未來”的一個關鍵。122

 如今高度集中的能儲也有其弱點，液化天然氣罐和其他儲能設備經常被用作恐怖襲擊的工具，並造成了災難性後果。油罐車和油船都很暴露。最終脫穎而出的能儲方式將是燃料電池，它將廣泛用在基礎裝置上，這又是一個從低效且危險的存儲裝置轉向高效穩定的分布式係統的實例。

 近年來，由甲醇和其他安全型高氫含量燃料提供氫氣的氫氧燃料電池已經取得突破性進展。麻省一家名為集成燃料電池科技的小公司發明了一種基於mems（微型電子機械係統）的燃料電池。123每一個郵票大小的設備中包含了幾千個微燃料電池以及電線和控製電路。nec計劃引進納米管燃料電池以作為筆記本電腦和其他一些便攜式電子產品的電源。124據稱，這種小型電源能支持設備連續運轉40小時，東芝也正準備為其便攜式電子產品引進燃料電池。125

 供電設備、交通工具甚至家庭使用的燃料電池的研究也取得了顯著進展。美國能源部2004年的一份報告指出，基於納米技術的科技有助於氫燃料電池汽車在各方麵性能上的提升。126例如，氫氣必須存放在強韌、輕便的容器中才能抵抗產生的高壓，而像納米管或納米複合材料等這些納米材料便可以滿足這種容器的要求。報告還設想燃料電池將能以兩倍於汽油發動機的效率提供能量，而副產品隻有水。

 很多燃料電池都由甲醛來提供氫氣，氫氣再與空氣中的氧氣結合產生水和能量，但是由於甲醇（木精）具有毒性和可燃性，因此其很難掌控，並且容易產生安全隱患。聖路易斯大學的研究者們用普通乙醇（可飲用酒精）製作出一種穩定的燃料電池。127這種電池使用脫氫酶將氫離子從乙醇中分離，然後同空氣中的氧氣互作用產生能量。這種電池幾乎可以使用任何可飲用酒精。曾經在這個項目中工作的尼克·埃克斯說，“各種類型的酒精我們都進行了實驗，除了碳酸啤酒和葡萄酒外，其他的效果都不錯。”

 得克薩斯大學的科學家們研製出一種納米級燃料電池，隻需通過人體血液中的葡萄糖氧化反應便可產生電能。128這種稱作“吸血蝙蝠”的電池可以提供滿足一般電子產品需求的電力，今後它能用在血液納米機器人中。日本科學家也在進行一個類似的項目，從理論上估計，這個係統在一個人的血液中最高可產生100w電力，當然可植入設備遠遠用不了這麽多電能。（悉尼一家報紙寫道：這個項目為電影《黑客帝國》中將人體作為電池提供了理論基礎。）129

 馬薩諸塞州大學的斯韋德·查德胡利和德裏克·拉維尼正在研究另一種方法，可以將自然界中產出的大量的糖轉換為電能。他們的燃料電池實際上是一種微生物（名為rhodoferax ferrireducens的細菌），他們自稱擁有令人驚奇的81%的轉換效率，且在空閑時不消耗任何能量。這種細菌可直接將葡萄糖轉化為電能，而不會產生任何不穩定的中間產物。它們還能利用糖提供的養料來繁殖、進行自我補充、保證穩定持續的電量供應。用果糖、蔗糖、木糖等其他糖類做的實驗也同樣成功。基於這種研究的燃料電池可使用實物細菌，或者模擬細菌的化學過程直接進行化學反應。除了為在含糖量高的血液中的納米機器人提供能量外，這種設備還擁有利用工業和農業廢料生產電能的潛力。

 碳納米管也已被證實具有作為納米級電池存儲能量的能力，它很可能與納米工程燃料電池形成競爭關係。130納米管已經在超高效運算、信息傳輸、電力傳輸以及製造超強結構材料方麵展示了它超凡的能力，而這個功能更加證實了納米管具有萬能特性。

 納米應用中最有前途的能源是太陽能，它是一種可再生、免費、分布式的能源，有能力滿足我們未來的大量能源需求。照射到太陽能發電板上的陽光是免費的，大約有1017 w，約為人類消耗的能量的一萬多倍，太陽光傳送到地球的能量比我們所需的總能量還要多。131如前麵所說，盡管在25年後，計算和通信將會有巨大發展，同時也帶動經濟發展，但是由於納米技術大大提高了能源的使用效率，到2030年能量需求僅僅會增加到30萬億（3x1013）w。132我們僅僅需要獲得太陽傳遞到地球總能量的萬分之三，就能滿足所有的能源需求。

 將這些數據與人類新陳代謝所產生的能量進行對比非常有趣，羅伯特·弗雷塔斯估算出人類新陳代謝產生的總能量為1012w，而地球上所有生物新陳代謝的總能量為1014w。弗雷塔斯還估算出在不破壞當前生態環境能量平衡（氣候學家稱為“熱力極限”）的情況下，我們所生產和使用的能量大約為1015w，這些能量可供每個人使用大量的納米機器人來提升智力、提供醫療服務、能源製造和清理環境等。對於100億的人口總量，弗雷塔斯估計每人可使用的機器人數量極限為1016個，而我們隻需要1011個納米機器人就可以在每個神經元上放置一個。

 到掌握這個量級的技術時，我們就可通過收集納米機器人和其他納米機器產生的大部分熱量，應用納米技術將其又轉換回電能，以便進行回收利用。最行之有效的方法可能就是納米機器人自己進行能量回收。133這與運算中的可逆邏輯門相似，每個可逆邏輯門都會立刻回收上一次計算所使用的能量。

 我們可以將大氣中的二氧化碳提取出來以便為製造納米機械提供碳原料，這樣可以抵消現今工業時代增加的二氧化碳排量。但是我們必須謹慎行事，所抵消的二氧化碳量不能超過這幾十年增加的排放量，以免趕走溫室效應卻帶來冷藏室效應。

 目前的太陽能電池板還相對低效、價格昂貴，但是太陽能技術在快速進步。矽光能電池的光電轉換率一直在穩步提升，從1952年的4%提高到1992年的24%。134如今的多層電池達到了34%的光電轉換率。目前，一種分析表明，納米晶體應用於太陽能轉換的轉換效率有可能達到60%。135

 當前每瓦太陽能轉換的電能耗費大約2.75美元。136一些公司正在研究納米級太陽能電池，希望將太陽能成本降至低於其他能源的成本。工業電源表明，一旦太陽能能源成本每瓦低於1美元，就將具備直接向國家電網提供電力的競爭力。納米太陽能公司的一種基於二氧化鈦粒子的設計，可用於超薄彈性薄膜的大規模生產。據該公司ceo馬丁·洛切森估計，到2006年，他們的這項技術可能將太陽能成本降至每瓦約50美分，低於天然氣成本。137納米太陽能公司的競爭對手納米係統公司和科納卡公司也有類似計劃。不管這些商業計劃是否成功，隻要我們掌握了以納米分子技術為基礎的製造技術，都可以以極低的成本和使用最原始的材料生產太陽能板（或者其他所有東西），其中價格低廉的碳將是最主要的原料。假設其厚度為幾微米，太陽能板的成本將便宜至每平方米一便士。我們可將高效太陽能板放置在大部分產品的表麵，如建築、交通工具，甚至將其做到服裝中為移動設備供電。因此，用較低的成本轉換萬分之三的太陽能是完全可行的。

 空間中的巨型太陽能板可增大地球表麵積，nasa已經設計出了一種太空太陽能衛星，可以用於將太空中的陽光轉化為電能再以微波的形式傳回地球。這種衛星每個可提供上百萬瓦電力，足夠上萬家庭使用。138使用納米製造技術，我們可以造出一條環繞地球軌道的巨大的太陽能板，隻需將原始材料用航天飛船裝運到空間站，也有可能通過計劃中的太空電梯運輸，太空電梯是從地球同步軌道上的平衡裝置的船用錨延伸出的一條薄帶，由碳納米管複合材料製成。139

 桌上型融合也可能會變為現實。橡樹嶺國家實驗室的科學家們用超聲波使一種液體溶劑產生振動，從而使氣泡產生高壓和達到幾百萬度的高溫，這可以導致氧原子的核聚變並且產生能量。140盡管大眾對1989年關於低溫核聚變的原始報告持懷疑態度，但如今超聲波方法已經被一些評估報告所接受。141然而，由於我們還沒有掌握足夠的方法來應用這項技術，因此它在未來能源中的角色還無法確定。

 生態環境中的納米技術應用

 新興的納米技術將對生態環境產生深遠影響，原因在於新的製造和生產技術的出現會極大地降低有害排放物的排放，同時還可以治理工業時代汙染造成的影響。正如前麵所介紹的，提供基於納米技術的像納米太陽能板一樣可再生、幹淨的能源資源，是達到此目的的重要努力方向。

 製造分子級的粒子和設備，不光是尺寸的縮小和表麵積的增加，還會涉及新的電力、化學和生物特性。納米技術最終將給我們提供一種強大的擴展工具，以便實現改良型催化劑、化學品和原子的結合、傳感和工業製造，還能通過強大的微電子設備進行智能控製。

 我們最終將重新設計所有的工業生產流程，用最小的代價實現工業品的預期功能，而不會產生無用的副產品和環境汙染。在前麵的內容中我們討論了生物技術中的一種趨勢：智能型藥物製造過程可以在極大減小副作用的情況下生產出效果很好的生化藥劑。實際上，通過納米技術實現的分子製造將極大加快生物技術的革命。

 當代納米技術的發展和研究隻涉及相對簡單的“設備”製造，例如，使用納米管和納米層製造的納米粒子和分子。由10～100個原子組成的納米粒子在性質上與一般的晶體一樣，在還沒有掌握精確的納米分子製造技術之前，我們可以使用晶體生長技術來製造。其納米結構為自組裝的多層結構，這種結構由於氧或碳的結合以及其他的原子力而組合到一起，像細胞膜和dna結構就是這種多層納米結構的自然實例。

 同所有的新技術一樣，納米粒子也有負麵效應：產生毒素和其他對環境和生命有害的影響。廢棄電廠產生的像砷化镓一類的很多有毒物質已經進入了生態係統。納米技術能使納米粒子和納米層獲得更好效果的新特性的同時也可能帶來不可預見的影響，特別是在食物供應方麵和我們自身身體這樣的生態係統中。雖然現存的規則在很多方麵能控製它們帶來的影響，但是真正需要擔心的是我們對大量未知影響的無知。

 然而，現實中已經有數百個應用納米技術的項目在改進工業生產過程和處理現有的汙染形式。一些實例如下：

 ●很多機構調查了納米粒子在處理、降解及消除大多數種類環境毒素中的使用情況。以氧化劑、還原劑和其他活躍物質形式存在的納米粒子已經顯示出了其在轉換許多種類有害物質方麵的能力。由光驅動的納米粒子（比如二氧化鈦、氧化鋅等）能夠去除有機毒素，並且這些粒子本身毒性非常小。142具體來說，氧化鋅納米粒子可作為排除氯化酚毒素的強大催化劑。這些粒子既可進行探測又可作催化劑，可以將其設計成為隻轉換目標雜質。

 ●相對於使用廢水沉澱和澄清池的傳統方法，納米過濾膜在淨水過程中去除顆粒汙染物方麵有顯著改善。納米粒子設計成具有催化作用，可吸收和清除雜質。為防止納米粒子本身變為汙染物，利用磁分離技術，它們還可以重複使用。例如，稱作沸石分子篩的納米矽鋁酸鹽用於碳氫化合物的約束氧化（例如，將甲苯轉化為無毒的甲醛）。143這種方法消耗更少的能量，並且降低了低效光致反應與廢物的產量。

 ●目前正在廣泛進行用於製造催化劑的納米晶體材料的研究，以支持化學工業的發展。這些催化劑可提高化學品產量，減少有毒的副產品，去除雜質。 144例如，mcm-41在石油工業中用於去除超細雜質，這是其他減汙方法無法做到的。

 ●據估計，在汽車結構材料中，納米複合材料的廣泛使用每年可減少15億升汽油消耗，在其他環境效益中，每年將減少50億kg二氧化碳的排放量。

 ●納米機器人可用於協助核廢料的處理，納米過濾器在核燃料生產中可用於分離同位素，納米流體可提高核反應堆的冷卻效果。

 ●納米技術用於家庭和工業照明，既可降低使用的電量，又可每年減少大約2億噸的碳排放量。145

 ●與傳統的半導體製造方法相比，完善的自組裝電子設備（如自組織生物聚合物）在製造和使用過程中將需要更少的能量和產生更少的有毒物質。

 ●使用基於納米管的場發射顯示器（feds）的新計算機屏幕將提供優質的顯示效果，同時消除了傳統顯示器中使用的重金屬和其他有毒物質。

 ●雙金屬納米粒子（如鐵/鈀和鐵/銀）還可作為多氫聯苯、殺蟲劑和鹵化有機溶劑的還原劑和催化劑。146

 ●納米管在吸附二惡英方麵的表現顯得大大優於傳統的活性炭。147

 這是關於納米技術的應用對環境的有益影響研究的示例，一旦我們超越了簡單的納米粒子和納米層，而能使用精確控製的分子納米組裝技術製造出更加複雜的係統時，我們將進入能夠大量製造解決相對複雜任務的智能設備的時期，清理環境理所當然也是任務之一。

 血液中的納米機器人

 納米技術已經給了我們工具……與自然界中的最原始的玩具——原子和分子——打交道，所有物品都由它組成……將無限可能地創造新的物品。

 ——諾貝爾獎獲得者霍斯特·斯托默

 納米醫學的幹預將會持續影響所有生物性老化，隨著病人可將生物年齡隨意減小到任何新的年齡變成可能，時間與健康的關係將永遠被斬斷。幾十年後，這種幹預可能是普遍現象。利用每年的檢查和清除以及偶爾一次的大型修複，你的生物年齡將大致恢複到你選擇的生物年齡階段。你可能最終還是會死於意外，但是你會比現在活得至少10倍久的時間。

 ——羅伯特·弗雷塔斯148

 在血液中布置10億或萬億的納米機器人，是製造業中分子精確控製的重要應用實例，這些如血細胞大小或者更小的納米機器人可以在血管中通行。這種想法並不像聽起來那麽縹緲，因為動物實驗的成功已經證實了這種觀念，而且許多這種量級的小設備也正在動物體內發揮作用。至少有四個主要的生物微電子係統會議在研究人類血液中所使用的設備。149

 我們來看幾個可能在25年內實現的納米機器人技術的實例，這些機器人都趨向於小型化和低成本化。除了描述人類大腦以促進其逆向工程外，這些納米機器人將擁有各種各樣的診斷和治療功能。

 羅伯特·弗雷塔斯是一位納米技術的先驅理論家和納米醫學（通過分子的係統工程重新構造我們的生物係統）的支持者，他還著有一本名叫《nanomedicine》150的書，在書中他設計了一種能代替人類血液細胞的機器人，這種機器人的效率比血液細胞高出成百上千倍。使用弗雷塔斯的呼吸細胞（機器人血紅細胞），一個運動員不用呼吸就可以在奧林匹克競賽中連續奔跑15分鍾。151弗雷塔斯的機器人巨噬細胞叫做"microbivores"，其對付病原體的效果將遠超過白細胞。152他的dna修複機器人可以修補dna的轉錄錯誤，甚至對dna進行必要的修改。他設計的其他機器人可以用於清潔、移除人體細胞中不需要的殘渣和化學物（如朊病毒、缺陷蛋白質和原細纖維）。

 弗雷塔斯提供了大量醫學納米機器人詳細的概念設計，以及大量解決製造過程中各種難題的方法。例如，他提供了大約12種方法來進行指揮和導向移動，153其中一些采用了像推進纖毛一類的生物方法。我將在第6章詳細介紹這些應用。

 喬治·懷特賽德斯在《scientific american》中抱怨說：“對於納米級物體來講，即使製造出了推進裝置，一個新的嚴重問題將會出現：水分子產生的隨機振動。水分子雖然比這些納米潛艇小，但並不小多少。”154懷特賽德斯的分析是由誤解產生的，所有的醫學納米機器人，包括弗雷塔斯的納米機器人，都至少比水分子大上萬倍。由懷特賽德斯和其他人分析指出的相鄰分子布朗運動的影響可以忽略不計。事實上，納米級醫學機器人將比血細胞或者細菌穩定和精確幾千倍。155

 還應指出，醫學納米機器人在維持消化和呼吸等新陳代謝過程時，並不需要生物細胞那麽大的開銷。它們也不需要支持生物繁殖係統。

 雖然自從弗雷塔斯的設計概念到現在已經過去幾十年，但是血液中設備的研究已經取得了實質性的進展。例如，芝加哥伊利諾伊大學的研究員利用結合了胰島細胞的納米工程設備治愈了老鼠的1型糖尿病。156這種設備帶有七個可以打出胰島素的孔，但是不會讓破壞胰島細胞的抗體進入。還有許多其他類似項目也在進行中。

 莫利2004：那麽在我的血液中將會存在所有這些納米機器人，它們除了能在我們的血液裏麵坐上幾小時外，還能為我做什麽？

 雷：它能讓你保持健康。它們會除去細菌、病毒的病原體和腫瘤細胞，並且不會受到如自身免疫反應等各種免疫係統陷阱的影響。它們與你的生物免疫係統不同，如果你不喜歡納米機器人正做的事，你可以讓它們去做別的事。

 莫利2004：你的意思是，給我的納米機器人發送一封郵件？就像——喂，停止破壞我腸胃裏麵的細菌，因為那些是對我的消化有益的。

 雷：對，你舉的例子很好。納米機器人會在我們的管控下工作，它們會通過互聯網彼此交流，甚至現在，我們通過神經嵌入（比如帕金森氏症）的方式來給病人下載新的軟件。

 莫利2004：這種方式使軟件病毒事件更加嚴重，對嗎？現在，如果我受到了軟件病毒的攻擊，我不得不運行病毒清除程序並裝載備份文件。但是，如果我血液裏的納米機器人得到一個流氓信息，它們可能就會破壞我的血細胞。

 雷：對，這就是你想要機器人血細胞的另外一個原因，但是這個問題我們已經很好地考慮了，這並不是一個新問題。甚至在2004年，我們已經有了關鍵任務軟件係統來監護管理911種應急係統：控製核能發電站、飛機著陸和引導巡航導彈。因此軟件完整性已經是相當重要。

 莫利2004：對，但是在我的身體和大腦裏麵運行程序似乎挺令人畏懼的。在我的電腦裏麵，我每天會收到一百多封的垃圾郵件，其中的一些還包含惡意軟件病毒。如果我身體裏的納米機器人感染了病毒，那麽我會真的不舒服的。

 雷：你考慮的是常規互聯網的接入方式。隨著虛擬專用網的使用，我們現在想建立安全防火牆。不然的話，實施當代的關鍵任務軟件係統也是不可能的。它們確實運行得相當不錯，因特網的安全技術會不斷地演變。

 莫利2004：我認為一些人會對你的防火牆的信任度展開爭論。

 雷：誠然，它們不是盡善盡美的，而且永遠也不是。但是在把我們的軟件廣泛應用於身體和大腦之前，我們還有很長的時間來研究。

 莫利2004：哦，但是病毒作者也會增強它們的攻擊能力啊。

 雷：毫無疑問，這是一個不可調和的矛盾，但明顯的是，益處要多於壞處。

 莫利2004：明顯在哪呢？

 雷：哦，沒有人與我嚴肅的爭論是否要因為因特網上存在軟件病毒這樣一個大問題而廢除網絡。

 莫利2004：我承認你說的有道理。

 雷：納米技術成熟以後，就可以解決一些生物學問題：克服生物病原體，清除毒素，更正dna錯誤和逆轉老化源。就像因特網產生軟件病毒的危險一樣，我們也會爭論納米技術產生的新危險。這些新陷阱包括具備自我複製的納米技術失控的可能性，也包括強有力的軟件控製、分布式納米機器人的完整性。

 莫利2004：你剛才說逆轉衰老？

 雷：你注意到了一個關鍵的好處。

 莫利2004：那麽納米機器人下一步會怎麽做？

 雷：我們實際上已經完成了大多數的生物技術和方法，比如通過核糖核酸幹擾抑製破壞性的基因，通過基因治療來更換遺傳密碼，通過治療性克隆來再生細胞和組織，通過智能藥來改編代謝途徑的指令序列，還有很多其他的新興技術。但無論如何生物技術也不可能完成所有的工作，我們已經在納米技術裏麵找到了竅門。

 莫利2004：比如？

 雷：納米機器人可以在我們的血液裏流動，那麽就可以在細胞的內部或周圍完成各種不同的服務，比如清除毒素、掃除殘骸、更正dna錯誤、修複細胞薄膜、改善動脈硬化、修正荷爾蒙、神經傳遞素和其他新陳代謝物質，還包括許多其他的功能。對於每一種老化過程，我們可以給納米機器人描述一種方法來逆轉這個過程，直到個體單元、細胞成分和分子這樣的級別。

 莫利2004：那麽我就可以永遠年輕？

 雷：正是這個意思。

 莫利2004：你說什麽時候我可以得到這些？

 雷：我以為你會擔心納米機器人防火牆的安全性。

 莫利2004：是的，我有時間去擔心，那麽什麽時候會再現？

 雷：大約20～25年吧。

 莫利2004：我現在25歲了，因此我大約要等到45歲，並保持在那個年齡上。

 雷：不，並不完全是這個意思，你可以通過獲取我們已經存在的知識來減緩衰老。在10～12年裏，生物技術革命將提供更強的手段，可以在許多情況下抑製和扭轉各種疾病和衰老過程。這並不意味著與此同時什麽也不會發生，我們每年都會有更強的技術，而且進程也會加速。納米機器人就會完成這項工作。

 莫利2004：是的，當然，我們很難避免在一個句子中不使用“加速”這個詞。那麽我們將是一個什麽樣的生物年齡？

 雷：我想你可能停留在30多歲，並保留一段時間。

 莫利2004：30多歲，聽起來不錯。我覺得比25歲更加成熟一些，不管怎麽說，這是一個好主意。但“保持一段時間”是什麽意思呢？

 雷：抑製和扭轉老化僅僅是一個開始，使用納米機器人來保持健康和長壽，隻是把納米技術和智能計算引入身體和大腦的早期適用階段。更深刻的含義是，我們會加強我們的思維過程，使納米機器人能夠彼此間以及同我們的生物神經元通信交流。一旦非生物智能得到一個立足點，可以說，在我們的大腦層麵，這將受製於加速回歸並且以指數方式擴張。從另一方麵來說，我們的生物思想就基本上停滯了。

 莫利2004：你又提到事物加速，但是當它真正開始的時候，相比較而言，生物神經元的思維將是微不足道的。

 雷：確實如此。

 莫利2004：那麽，未來的莫利女士，什麽時候我可以甩掉我的生物之身和大腦呢。

 莫利2104：哦，你並不希望我講出你的未來，對嗎？何況它實際上也不是一個簡單的問題。

 莫利2004：怎麽會這樣？

 莫利2104：在2040年代，我們發展的手段是立即創造出自己新的一部分，無論是生物還是非生物，很顯然，我們真正的本質是信息的模式，但我們仍需要表現出一些實體形式的自己。不過，我們可以迅速改變這一物理形式。

 莫利2004：如何改變？

 莫利2104：通過應用新的高速微納米製造，我們可以很容易而又迅速地重新設計我們的實體形式。因此，我可以在一段時間是這樣的生物體，而別的時間又是其他的，擁有它，改變它，如此而已。

 莫利2004：我想我能理解你的意思。

 莫利2104：關鍵在於，我到底能擁有我的生物大腦和肌體還是不能擁有。這並不是一個放棄任何東西的問題，因為我們總是可以獲得我們放棄的東西。

 莫利2004：所以，你仍然在這樣做？

 莫利2104：有些人仍然這樣做，但現在2104年，是有點不合時宜的。生物學的模擬是完全不能與實際生物學區分開來的，所以為何要為身體實例而費心？

 莫利2004：是的，這有些混亂是不是？

 莫利2104：當然。

 莫利2004：我不得不說，能夠改變身體的體征聽起來有些奇怪，我是說，你我的連續性在哪裏？

 莫利2104：這與你在2004年是有相同連續性的。你也在時時刻刻改變著你所有的部分，這在於你的信息模式是有連續性的。

 莫利2004：但在2104年你可以迅速改變你的信息模式。我還不能這樣做。

 莫利2104：這實在沒有什麽不同，你變更記憶、技能、經驗，甚至個性的模式需要時間的推移，但有一個連續性，核心隻能逐步改變。

 莫利2004：不過，我想你可以在瞬間改變你的外表和個性？

 莫利2104：是的，但是這隻是一個表麵的表現。我的真正核心隻能逐步改變，就像我在2004年的你。

 莫利2004：嗯，很多次，當我瞬間改變我的外觀的時候我都很高興。

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