互动科普

分子纳米技术的一位先驱者预言，最微小的机器人将使制连技术发生根本的变革并使人类社会改观。

1959年，物理学家Richard Feynman在一次宴后演说中探讨了微型化的最终极限。他从已知的技术入手(当时一部加法机可以勉强塞进口袋里)，考察了物理学定律所确定的极限，最终得出结论说，“一个原子一个原子的建造方式是可以实现的，甚至是无法避免的。

在Feynman的时代这一设想实在是过于惊人，令人觉得荒谬之至，匪夷所思，但近年来它却成了人们普遍追求的目标。数十年的技术进展已经使微电子器件的尺寸缩小到接近分子尺度，而分子水平上的科学研究的成果——特别是对生命系统的分子机器的研究成果——则使许多年以前只有一位天才所设想的前景清楚地展现在许多人面前。

受到分子生物学的启发，对高级纳米技术的研究现在已集中在“从下至上”这种建造方式上采用这种建造方式时，分子机器将分子的基本结构单元装配起来以制造出各种产品，包括新的分子机器生物学向我们显示，分子机器系统及其产品可以廉价地大量生产。

越过了与生物学相对应的这一阶段后，下面一个目标很自然就是设法把每个原子搁在某一预定的位置上，使它成为某一活性成分或结构成分的一部分。逐个原子的建造方式不允许任何无所事事的多余分子存在，以免它们四处游荡妨碍整个机器的运行。这样一种系统既非液体也非气体，因为系统中没有可以随机运动的分子，但它也不是分子有固定位置的固体。这种新的机器相物质将显示现今只存在于液体和气体中的那类分子运动，同时又具有通常是固体才有的那种机械强度。它的内部将充满活性机器。

如果能够以分子精度建造各种物品，那将使制造技术发生翻天覆地的变化，大大改进材料特性和器件性能。此外，当生产流程实现了对每个原子的控制时，就不可能把有毒废物排放到空气中或水中了。制造技术的进步也将降低太阳能电池和能量存储系统的生产成本，减少对煤和石油的需求，从而进一步减轻污染。这些进展使生活在发展中国家的人们有希望达到发达国家的生活水平而不致造成环境灾难。

强度极高的低成本轻型材料可以大大节省各类运输所需的能量，最终使空间运输变得经济可行。把生物圈扩展到我们这个脆弱的星球以外的古老梦想突然一下子又变成了一个有望实现的目标。

或许最激动人心的目标是对人体进行分子修复。人们设想的纳米机器人能够消灭病毒与癌细胞，修复受损的人体结构，将大脑中积聚起来的废物清除掉，使人的身体返老还童，青春永驻。

纳米技术还有另一项出人意料的医学用途：最终该技术或许能够治愈那几位现在处于“定格”状态(目前在法律上视为已经去世)的先驱者并使其起死回生，即使他们是采用上世纪60年代起引进的较原始的冷冻存储法保存的。如今的玻璃化技术——这类技术可防止有害的冰晶形成——应当使修复工作更加容易，但即使是原先的方法看来也能把大脑结构保存得相当好，因此脑的恢复不成问题。

最熟悉分子纳米技术这一领域的研究人员认为，实现上述梦想的技术基础可能要在l0年到30年后才会成形。眼下的工作还停留在最初步的阶段上，也就是弄清如何以原子精度建造较大的结构，掌握分子机器的设计方法，确定能带来丰硕成果的中期目标等。

为了认识分子制造技术的潜力，最好是先看看现今工业界所使用的宏观机器系统。想象一下机械手是如何工作的：它先伸向一条传动带，从传动带上拾起一件加载工具，用这件工具去加工一个正在制造的工件，然后将空了的工具放回传动带上，又抬起下一件加载工具，如此反复进行下去。这就是现今自动化工厂里宏观机器工作的情景。

现在我们想象把这整个机器系统(包括传动带在内)逐渐缩小到分子水平上，形成一幅纳米尺度制造系统的图景。只要工具的种类足够多，这个系统便可以充当一台通用建造装置，俗称“装配机”。原则上装配机可以建造任何东西，包括它自己的拷贝。

作为一个技术领域，分子纳米技术并不依赖于这一具体的方案是否可行——一组通用性较差的建造装置合起来也能够执行上面提到的功能。但由于装配机的构想仍然是一个有争议的话题，因此这里值得提一下针对装配机的某些反对意见。

一位声名卓著的化学家在美国科学促进协会最近主办的——一次活动上发言时间道，我们如何能为装配机提供动力并指挥装配机的行动，装配机是否真的能够打开并重新形成强分子键。这些都是非常合乎情理的问题。但是，为了回答这些问题，我们就必须详细描述装配机的设计并进行繁复的计算，而这不是本文所能容纳得下的。幸运的是，至少从1992年起——我的《纳米系统》(Nanosystems)一书就是在这一年出版的——人们就能移找到对上述问题作出看来相当充分的回答的技术文献。

另一位知名化学家提出的反对意见是，装配机需要10根机械“手指”来执行它的操作但是没有足够的空间来容纳所有这些手指。然而，从未有人证明过——甚至也没有认真讨论过——机械手需要有这么多的操纵器。相反，那些经受(并通过)最多的同行评议的设计方案一次只使用一件工具，并且根本不需要任何手指来抓住它们的工具。这些例子说明，要找到对纳米技术设计方案的中肯的批评意见是很不容易的。许多研究人员的研究工作看似与纳米技术有关，而其实他们所提的意见却是牛头不对马嘴——他们在自己那个专业堪称造诣不凡，但却没有多少系统工程的经验。缺少分子系统工程师可能将会成为限制纳米技术发展速度的一个重要因素。

对纳米技术的批评意见应该恰当地表达，这一点是十分重要的，因为一些极为紧要的社会决策与这些意见有关。如果本文中所介绍的纳米技术是正确的，那么某些政策问题就可能与人们一般预料的完全不同。例如，现今大多数人认为全球变暧的趋势将难以扭转，然而，借助纳米技术，不需花多少钱就可以把过量的温室气体从大气中清除掉。社会保障部门目前预测，健康状况不佳的老年公民的数量将与日俱增。但是，有了先进的医疗纳米技术后，未来的老年人可能比今天的老年人更活跃，更健康，从而赋予“黄金年代”以新的含义。

同样，现在我们也需要重视如何避免事故以及如何防止这一功能强大的技术被滥用等问题。关于避免重大的纳米技术事故的问题，目前已经进行了一些扎实的研究工作。“预防方针”(读者可在万维网上查到)概略介绍了一些供考虑的初步安全规则(见下文)。

但是，如何防止纳米技术被滥用——侵略成性的政府及恐怖分子集团或个人等利用纳米技术来达到自己的目的——依然是一个十分严重的问题。目前与这个问题最相似的另外一个问题是，如何控制化学武器与生物武器的扩散也面临着重重困难。分子纳米技术的迅速发展越来越突出地表明，我们迫切需要找到有效的办法来规范功能强大、效益显著但却可能被滥用的新兴技术。

【徐彬／译 郭凯声／校】