納米機(jī)器人的未來 將源源不斷地進(jìn)入人類的日常生活

因山洪暴發(fā)，一群驢友被困山中。干糧早已耗盡，他們又餓又冷，感到支撐不了多久了。幸運(yùn)的是，有一位驢友想起自己帶了一枚納米機(jī)器人儲(chǔ)存膠囊，于是他解開行李，將膠囊中細(xì)粉一樣的納米機(jī)器人撒到腳下的枯枝落葉中。接下來，他用手機(jī)對(duì)納米機(jī)器人發(fā)出指令，使其進(jìn)行自我復(fù)制和食物分子組裝。小半天過后，他們眼前的地面上便長(zhǎng)出了一層細(xì)軟如雪、又甜又香的食物，名叫“嗎哪”。驢友們感激涕零，捧起食物狼吞虎咽，很快恢復(fù)了元?dú)狻?/p>

上文的故事聽起來像天方夜譚，可隨著人類對(duì)于生物的分子機(jī)器仿生學(xué)的不斷探究和技術(shù)上的進(jìn)步，也許這樣的幻想在幾十年后就能成為現(xiàn)實(shí)。早在2001年1月，美國(guó)國(guó)家納米研究機(jī)構(gòu)成立，現(xiàn)在，全世界的研究機(jī)構(gòu)都在想方設(shè)法將這些幻想變成現(xiàn)實(shí)。在未來的世界里，納米機(jī)器人將源源不斷地進(jìn)入人類的日常生活，為我們制造鉆石、艦艇、鞋子、牛排，甚至在我們的血液中穿梭，為我們醫(yī)治疾病。

逼近“小”的極限

1959年，美國(guó)加利福尼亞理工學(xué)院教授理查德費(fèi)曼向全世界的工程師發(fā)出了挑戰(zhàn)，他希望有人能夠設(shè)計(jì)出一種可以裝入邊長(zhǎng)為0.4毫米的立方體中的電動(dòng)機(jī)。他的設(shè)想是，通過設(shè)計(jì)和制造這樣一種電動(dòng)機(jī)，工程師們能夠開發(fā)出新的生產(chǎn)方法，最終生產(chǎn)出納米級(jí)別的機(jī)器人。1960年，比爾麥克里蘭制造出了合乎規(guī)格的電動(dòng)機(jī)。雖然麥克里蘭的這個(gè)電動(dòng)機(jī)是手工制造的，并沒有設(shè)計(jì)出新的生產(chǎn)方法，但費(fèi)曼還是把獎(jiǎng)金授予了他。

現(xiàn)在，人們能夠生產(chǎn)的微小元件已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.4毫米。比如，有一種大小為1.5納米左右?guī)?u>開關(guān)的傳感器，能夠計(jì)算出化學(xué)樣品中的特異分子。最近，美國(guó)萊斯大學(xué)研制了一種由巴基球作為輪子的單分子汽車，它是通過控制環(huán)境溫度和定位掃描顯微鏡的針尖驅(qū)動(dòng)的。巴基球是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的小球，直徑只有1納米左右。今天，借助于掃描隧道電子顯微鏡，納米機(jī)械專家已經(jīng)能將獨(dú)立的原子排列成自然界從未有的結(jié)構(gòu)；此外，他們還設(shè)計(jì)出了只有幾個(gè)分子組成的微小齒輪和馬達(dá)。

科學(xué)家預(yù)計(jì)，在未來二三十年內(nèi)，真實(shí)的、可以工作的納米機(jī)器人就將問世。這些納米機(jī)器人有微小的手指可以精巧地處理各種分子，有微小的電腦來指揮手指如何操作。手指可能由碳納米管制造，它的強(qiáng)度是鋼的100倍，粗細(xì)是頭發(fā)絲的5萬(wàn)分之一；電腦可能由碳納米管作為晶體管和導(dǎo)線，也可能由DNA制造。納米機(jī)器人的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)久耐用，理論上說，它們可以連續(xù)工作幾十年，甚至幾個(gè)世紀(jì)。由于位移較小，納米尺度的系統(tǒng)也比大型系統(tǒng)運(yùn)行得更快。

導(dǎo)航、動(dòng)力和移動(dòng)方式

為了讓納米機(jī)器人具有實(shí)用性，研究人員需要重點(diǎn)解決三個(gè)問題：導(dǎo)航、動(dòng)力和移動(dòng)方式。

導(dǎo)航可以分為外部導(dǎo)航和機(jī)載導(dǎo)航。外部導(dǎo)航系統(tǒng)可以使用很多不同的方法指示納米機(jī)器人到達(dá)正確的位置，其中一種是讓納米機(jī)器人發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，使用者通過使用帶有超聲波傳感器的特殊設(shè)備來檢測(cè)信號(hào)，從而跟蹤納米機(jī)器人的位置，指引它去往正確的目的地。

機(jī)載系統(tǒng)也叫內(nèi)部傳感器，同樣可能在導(dǎo)航方面發(fā)揮重要作用。一個(gè)帶有化學(xué)傳感器的納米機(jī)器人可以探測(cè)并根據(jù)特定的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行追蹤，找到目的地。帶有光譜傳感器的納米機(jī)器人則能夠探知周圍物體發(fā)出的光譜，發(fā)現(xiàn)所要尋找的部位。

盡管有些讓人難以置信，但納米機(jī)器人還可能裝載微型攝像機(jī)。操作員將通過納米機(jī)器人傳回的實(shí)況圖像，指引機(jī)器人移動(dòng)。攝像系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此可能還需要若干年時(shí)間，科學(xué)家們才能設(shè)計(jì)出一套可靠的、能裝入納米機(jī)器人中的系統(tǒng)。

和導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，納米機(jī)器人的動(dòng)力也可以從內(nèi)外兩個(gè)方面來考慮。制造一種小到足以放進(jìn)納米機(jī)器人體內(nèi)的電池是有可能的，但這種方式大概沒有什么前景。因?yàn)殡姵厮芴峁┑哪芰颗c其本身的體積及重量有關(guān)，很小的電池不足以保證納米機(jī)器人所需的全部能量。

納米機(jī)器人內(nèi)部動(dòng)力的另一種選擇是核能。利用核能的想法也許會(huì)讓人擔(dān)憂，但是實(shí)際上由于納米機(jī)器人極其微小，為其提供動(dòng)力的核物質(zhì)是很少的，因此其安全性也容易得到保障。

將來，納米機(jī)器人的動(dòng)力最有可能來自外部，即從周圍環(huán)境中獲取能量。例如醫(yī)用納米機(jī)器人可以直接從人體血液獲取能量，一個(gè)配有電極的納米機(jī)器人利用血液中的電解液就可以變身為一節(jié)電池。

最后，我們來看看納米機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。

一些科學(xué)家正在研究微生物的推進(jìn)系統(tǒng)，希望從中獲取靈感。例如草履蟲可以滑動(dòng)纖毛，在水中自由活動(dòng)；一些細(xì)菌通過舞動(dòng)鞭毛，就可以向任意方向自由移動(dòng)。

納米機(jī)器人還可能通過振動(dòng)膜的交替收縮和擴(kuò)張，來產(chǎn)生微弱的動(dòng)力。對(duì)于納米機(jī)器人來說，這種微小的動(dòng)力已經(jīng)足夠使其移動(dòng)。

其他發(fā)明聽起來更加不可思議。人們可以利用電容器來產(chǎn)生磁場(chǎng)，使導(dǎo)電液體從電磁泵的一頭噴射到另一頭，這種情況下納米機(jī)器人的移動(dòng)看起來就像一架噴氣式飛機(jī)。小型的噴氣泵甚至可以利用人的血漿來移動(dòng)納米機(jī)器人。

必須有快速“繁殖”能力

納米機(jī)器人執(zhí)行任何任務(wù)，都必須動(dòng)用大量的機(jī)器個(gè)體協(xié)同作戰(zhàn)。如果是進(jìn)行疾病的治療，可能需要數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的納米機(jī)器人在血液中工作；在每一個(gè)有毒廢物地點(diǎn)可能需要數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的納米機(jī)器人；要制造一輛汽車可能要調(diào)動(dòng)數(shù)以百億億計(jì)的納米機(jī)器人同時(shí)工作。然而沒有一個(gè)生產(chǎn)線可以生產(chǎn)如此巨大數(shù)量的納米機(jī)器人。

但是納米科學(xué)家眼中的納米機(jī)器可以做到這點(diǎn)。他們?cè)O(shè)計(jì)的納米機(jī)器人可以完成兩件事情：執(zhí)行它們的主要任務(wù)和制造出它們自身完美的復(fù)制體。如果第一個(gè)納米機(jī)器人能夠制造出兩個(gè)復(fù)制體，這兩個(gè)復(fù)制體每個(gè)又可制造出兩個(gè)自己的復(fù)制體，很快就可以獲得億萬(wàn)個(gè)納米機(jī)器人。

但是，假如納米機(jī)器人忘記停止復(fù)制會(huì)發(fā)生什么？如果沒有一些停止信號(hào)，使納米機(jī)器人曉得停止復(fù)制，這種災(zāi)難的后果將是不堪設(shè)想的。納米機(jī)器人在人體內(nèi)快速?gòu)?fù)制能夠比癌癥擴(kuò)散還要快地布滿正常組織；如果制造食物的機(jī)器人集體發(fā)瘋，它們能夠把地球的整個(gè)生物圈變成一塊巨大的奶酪。

納米技術(shù)學(xué)家沒有回避危險(xiǎn)，但是他們相信他們能控制災(zāi)難的發(fā)生。其中一個(gè)辦法是設(shè)計(jì)出一種軟件程序，使納米機(jī)器人在復(fù)制數(shù)代后自我摧毀。另一種辦法是設(shè)計(jì)出一種只在特定條件下復(fù)制的機(jī)器人，例如只有在有毒化學(xué)物質(zhì)以較高濃度出現(xiàn)時(shí)機(jī)器人才能復(fù)制，或者在一個(gè)很窄的溫度和濕度范圍內(nèi)才能復(fù)制。

就像電腦病毒的傳播一樣，所有以上這些努力都無法阻止那些不懷好意的人有意釋放某種納米機(jī)器人作為害人武器。事實(shí)上，一些批評(píng)家指出，納米技術(shù)可能的危險(xiǎn)要大于它的益處。然而，僅僅這些利益就已經(jīng)太具誘惑力了，納米技術(shù)必將超過電子計(jì)算機(jī)和基因制藥而成為新世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展方向。世界可能會(huì)需要一個(gè)納米技術(shù)免疫系統(tǒng)，在這個(gè)微觀系統(tǒng)中，納米機(jī)器人警察將同那些不懷好意的機(jī)器人進(jìn)行不斷的戰(zhàn)斗。