“納米霧”,離我們有多遠(yuǎn)

“我想要一桌酒菜!”于是，你眼前出現(xiàn)了一桌豐盛的宴席；“我想再要一座城堡!”于是，你眼前就出現(xiàn)了一座魔幻城堡……也許你以為我在講笑話，但我要告訴你，這是約翰·霍爾基于目前納米科技發(fā)展趨勢(shì)提出的一種構(gòu)想。

霍爾是美國(guó)一位知名的計(jì)算機(jī)專(zhuān)家，他為自己的這一構(gòu)想取名為“實(shí)用霧”，也叫做“納米霧”。根據(jù)霍爾的設(shè)想，“納米霧”由一大群能自我復(fù)制的智能型納米機(jī)器人組成。這些機(jī)器人身上有12只手臂，還有接收天線，因此可以通過(guò)無(wú)線電遙控。它們平時(shí)飄浮在空中，或者附在地板上，單憑人類(lèi)的肉眼無(wú)法覺(jué)察。當(dāng)需要什么的時(shí)候，你只要往電腦中輸入一個(gè)指令，電腦向空中發(fā)出無(wú)線電波，接到命令后的納米機(jī)器人會(huì)立刻聚攏來(lái)變出你想要的東西。這些納米機(jī)器人是如此之微小，以至于可以通過(guò)程序控制來(lái)細(xì)膩地模擬任何宏觀物體的大多數(shù)物理性質(zhì)，甚至可精確到人眼無(wú)法分辨真假的程度。

1990年，首屆國(guó)際納米科技會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科技的誕生。經(jīng)過(guò)近20年的飛速發(fā)展，如今，納米科技已在材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、計(jì)量學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域取得了諸多重大的成就。

那么，我們不禁要問(wèn)，以當(dāng)今的科技水平，科學(xué)家能制造出這樣的“納米霧”機(jī)器人嗎?制造中還存在哪些技術(shù)難點(diǎn)?“納米霧”到底離我們還有多遠(yuǎn)?

人造生命取得突破，納米霧仍任重道遠(yuǎn)

根據(jù)霍爾的設(shè)想，“納米霧”是一大群能自我復(fù)制的智能型納米機(jī)器人。它們具有相似的結(jié)構(gòu)，具有遺傳、繁殖及對(duì)外的應(yīng)激能力(接受外部指令形成各種各樣的物體)。此外，從出生、繁衍、執(zhí)行各種任務(wù)，到最終衰亡，它們還需要不斷地與外界進(jìn)行能量和物質(zhì)交換。也就是說(shuō)，它們還具有新陳代謝、生長(zhǎng)、演變等特性。上述種種跡象表明，霍爾的“納米霧”機(jī)器人實(shí)際上已屬于人造生命范疇，而且屬于高級(jí)智能型的人造生命。

一般認(rèn)為，人造生命至少應(yīng)有三個(gè)基本特征：外殼(細(xì)胞膜)、遺傳物質(zhì)(基因)、基因控制下的代謝和繁殖能力。人造生命的外殼解決起來(lái)相對(duì)容易，人造基因和人造基因控制下的代謝與繁殖問(wèn)題，解決起來(lái)則相當(dāng)困難。2008年10月，美國(guó)科學(xué)家克雷格·文特爾宣布，他的研究小組在實(shí)驗(yàn)室中成功合成了人造基因，并將其植入細(xì)菌的外殼中：在這些基因的控制下，新細(xì)菌能攝食、代謝和繁殖，已經(jīng)具備了生命的三個(gè)基本特征，堪稱(chēng)人類(lèi)歷史上第一個(gè)“人造生命”。文特爾的工作具有深遠(yuǎn)的意義，它標(biāo)志著人類(lèi)在最低級(jí)人造生命方面已取得重大突破。

既然第一個(gè)人造生命都造出來(lái)了，那么，是不是下一步就可以開(kāi)始著手制造霍爾的“納米霧”機(jī)器人了呢?顯然，兩者之間還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。

首先，文特爾的人造生命是低級(jí)的，它雖初步具備了生命的某些特征，但僅限于實(shí)驗(yàn)室。這些人造生命在自然環(huán)境中的攝食、代謝、存活和繁殖能力到底如何，尚不得而知。要知道，目前地球上所有生命都是經(jīng)歷了億萬(wàn)年自然法則挑選的結(jié)果。

其次，我們僅能勉強(qiáng)地將文特爾的人造生命歸類(lèi)為細(xì)菌。該“細(xì)菌”智能化程度極低，連自身“生存問(wèn)題”都尚不能保障，就更談不上讓它接受人類(lèi)的指令去執(zhí)行某種特定的任務(wù)了。

繁殖與可控繁殖

先說(shuō)繁殖問(wèn)題。根據(jù)物質(zhì)守恒定理，霍爾的“納米霧”機(jī)器人要在自然環(huán)境中存活，并在需要時(shí)快速自我復(fù)制，即一個(gè)變?yōu)槎鄠€(gè)，就必須從外界大氣中補(bǔ)充、攝取新的物質(zhì)。眾所周知，大氣的主要成分為氮?dú)狻⒀鯕狻⑺搴投趸嫉龋饕幕瘜W(xué)元素為氮、氧、氫、氬和碳等元素；生命遺傳基因DNA為脫氧核糖核苷酸雙鏈結(jié)構(gòu)，主要化學(xué)元素為氮、氧、氫、碳和磷。對(duì)比大氣和DNA的成分可以發(fā)現(xiàn)，大氣中嚴(yán)重缺~_DNA中的磷元素，這意味著DNA無(wú)法在，大氣中順利進(jìn)行自我復(fù)制，此因素很可能成為“納米霧”機(jī)器人在大氣環(huán)境下無(wú)法繁殖的重要原因。此外，為了方便人造DNA復(fù)制和人造生命存活，文特爾為他的人造生命創(chuàng)造了最為適宜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，比如合適的實(shí)驗(yàn)溫度、酸堿度、化學(xué)成分等，和這種“優(yōu)越”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相比，大氣環(huán)境對(duì)于人造生命來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就太惡劣了。這也必然會(huì)直接影響人造生命的生存和繁殖。

下面我們?cè)僬f(shuō)可控繁殖。

在近期的《應(yīng)用生態(tài)學(xué)雜志》上，英國(guó)劍橋大學(xué)動(dòng)物學(xué)家威廉·薩瑟蘭列舉了未來(lái)25大環(huán)境威脅。其中，最危險(xiǎn)的隱患就是人造生命和仿生納米機(jī)器人。薩瑟蘭認(rèn)為，人造生命和仿生納米機(jī)器人極可能成為未來(lái)新的入侵物種，進(jìn)而影響我們的生態(tài)系統(tǒng)。

事實(shí)上，霍爾的“納米霧”機(jī)器人也存在同樣的問(wèn)題。試想，如果“納米霧”機(jī)器人“體質(zhì)”太弱，它就無(wú)法在自然界中存活；但反過(guò)來(lái)，如果其繁殖能力過(guò)強(qiáng)，加上在自然界中又沒(méi)有天敵，一旦人類(lèi)對(duì)其復(fù)制失控，這種納米機(jī)器人將有可能迅速占領(lǐng)地球上的生存空間，直接威脅到其他生物，甚至人類(lèi)的生存。為此，一些預(yù)言家危言聳聽(tīng)地預(yù)言，納米技術(shù)產(chǎn)生的這種納米生物機(jī)器人，最終將會(huì)使得地球變成一大團(tuán)灰色的、黏黏糊糊的物質(zhì)所覆蓋的納米怪物。與外界的能量交換

“納米霧”機(jī)器人要在大氣中生存、必要時(shí)迅速繁殖，并執(zhí)行人的指令，能量來(lái)源問(wèn)題首當(dāng)其沖。從可能的途徑來(lái)看，“納米霧”機(jī)器人的能源可依賴太陽(yáng)能、攝取外界含能物質(zhì)或由人類(lèi)提供。

在太陽(yáng)能利用方面，近年來(lái)的納米技術(shù)已經(jīng)取得了許多重大成果，如，科學(xué)家已經(jīng)可以利用納米印刷技術(shù)將太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換電路印制在塑料薄膜上，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能；再如，以色列科學(xué)家已將金屬線埋置于玻璃中，制造出了所謂的“納米太陽(yáng)能電池”，這種電池效率極高，是常規(guī)太陽(yáng)能電池的100倍等等。然而遺憾的是，對(duì)于“納米霧”機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這些納米太陽(yáng)能裝置仍顯得太龐大了，根本無(wú)法攜帶和利用。

再來(lái)看能量來(lái)源的第二種途徑：“納米霧”機(jī)器人通過(guò)攝取大氣中的物質(zhì)，并經(jīng)過(guò)新陳代謝的方式來(lái)獲得能量。這種方案的可行性較小。因?yàn)閺哪芰康慕嵌葋?lái)看，大氣中的氮?dú)狻⒀鯕狻⑺搴投趸嫉榷紝儆诘秃芪镔|(zhì)，其中氧氣、二氧化碳等分別為植物和動(dòng)物“呼吸”利用過(guò)的“廢氣”。顯然，“納米霧”機(jī)器人要利用這些“廢氣”來(lái)獲取能量，可能性不大。那么，“納米霧”機(jī)器人是不是可以從地面上直接自行獲取能量呢?這也不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榈厍蛏喜煌牡胤剑镔|(zhì)環(huán)境往往千差萬(wàn)別，除非我們“教會(huì)”這些機(jī)器人使用“吸功大法”。退一步講，即便它們學(xué)會(huì)了“吸功大法”，萬(wàn)一發(fā)生了“納米機(jī)器人從我們?nèi)梭w上直接吸取能量”的緊急情況，又該怎樣辦?

第三種能量來(lái)源途徑是“納米霧”機(jī)器人通過(guò)人工電磁波等方式獲取能量。這種方案相對(duì)可行。那么“納米霧”機(jī)器人如何通過(guò)電磁波從人類(lèi)那兒獲取能量呢?我們不妨從已有的微波(電磁波的一種)動(dòng)力飛機(jī)說(shuō)起。微波動(dòng)力飛機(jī)的原理如下：地面高功率發(fā)射機(jī)通過(guò)天線將微波能量匯聚，并射向高空飛行的飛機(jī)；然后，飛機(jī)借助機(jī)體上的特種天線把微波能量接收下來(lái)，并通過(guò)電磁裝置使之變成直流電，再由直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛機(jī)的螺旋槳。目前，微波動(dòng)力飛機(jī)已經(jīng)在加拿大、美國(guó)等國(guó)家成功誕生。微波動(dòng)力飛機(jī)的思想在“納米霧”機(jī)器人能量獲取問(wèn)題上是值得借鑒的，現(xiàn)在面臨的最大問(wèn)題是如何將這套電磁波能量裝置微型化。

通訊與動(dòng)力裝置

“納米霧”機(jī)器人要能夠接收人類(lèi)的無(wú)線電波指令，迅速完成復(fù)制，并到達(dá)指定的位置，還需要解決通訊和動(dòng)力問(wèn)題。

首先來(lái)看通訊問(wèn)題。

要讓“納米霧”機(jī)器人能夠接收無(wú)線電波指令，我們必須要給“納米霧”機(jī)器人設(shè)計(jì)和安裝接收天線。設(shè)計(jì)這種天線，納米碳管似乎是最為合適的選擇。近來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)成功制造出了納米碳管“可見(jiàn)光波接收天線”；他們發(fā)現(xiàn)，這種納米碳管天線具有極高的傳輸效率和信號(hào)質(zhì)量。“納米霧”機(jī)器人通過(guò)這種天線接收指令后，只有通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)將該指令傳達(dá)給自身的能量系統(tǒng)、動(dòng)力裝置，機(jī)器人才能開(kāi)啟馬力，向特定的目標(biāo)位置迸發(fā)。至于納米機(jī)器人的神經(jīng)系統(tǒng)，則可借助業(yè)已發(fā)現(xiàn)的樹(shù)狀納米碳管來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，樹(shù)狀納米碳管的構(gòu)形和我們?nèi)祟?lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頗為相似，中間最粗的主干可作為“神經(jīng)中樞”，其他枝權(quán)則為“神經(jīng)末梢”。

下面我們?cè)賮?lái)討論動(dòng)力裝置問(wèn)題。

接收指令后，“納米霧”機(jī)器人要迅速到達(dá)指定的位置。在行進(jìn)中，“納米霧”機(jī)器人需要配備有動(dòng)力裝置(納米／分子馬達(dá))來(lái)驅(qū)動(dòng)。

事實(shí)上，納米／分子馬達(dá)早已廣泛存在于生物細(xì)胞內(nèi)，它們的功能是實(shí)現(xiàn)微觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多形形色色納米馬達(dá)，如驅(qū)動(dòng)肌肉的肌球蛋白馬達(dá)、參與DNA解鏈的DNA解旋酶馬達(dá)、ATP(三磷酸腺苷，一種生物能量分子)分子馬達(dá)等。上述納米／分子馬達(dá)是不是可以直接應(yīng)用于“納米霧”機(jī)器人呢?顯然沒(méi)這么簡(jiǎn)單。這里至少需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題。第一，納米／分子馬達(dá)如何“安裝”到機(jī)器人上?第二，機(jī)器人納米／分子馬達(dá)的能量供給問(wèn)題。此外，馬達(dá)的功率問(wèn)題也要考慮，因?yàn)椋鼇?lái)筆者的一項(xiàng)研究表明，納米尺度下，物體的運(yùn)動(dòng)黏性阻力要比宏觀物體高出若干個(gè)數(shù)量級(jí)，這就好比我們?nèi)嗽谟倌嘀行羞M(jìn)一樣困難。

環(huán)境污染與毒性

準(zhǔn)確地講，每個(gè)漂浮在空氣中的“納米霧”機(jī)器人實(shí)際上就是一個(gè)納米顆粒。納米顆粒的一個(gè)顯著特點(diǎn)是表面積大，粒子表面的原子數(shù)多，周?chē)鄙傧噜徳樱跃哂泻軓?qiáng)的吸附能力和很高的化學(xué)活性。

最近，華中科技大學(xué)的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，煤燃燒后會(huì)產(chǎn)生20～150納米的球形或近球形顆粒，而其聚結(jié)體的尺寸在500納米以上。由于微尺度效應(yīng)，燃煤納米顆粒物可輕易進(jìn)入人或動(dòng)物體的器官內(nèi)，可能產(chǎn)生比粗顆粒更為嚴(yán)重的健康危害，如使眼、黏膜和皮膚產(chǎn)生十分強(qiáng)烈的刺激性反應(yīng)，導(dǎo)致哮喘病、動(dòng)脈硬化、癌癥及神經(jīng)變異等嚴(yán)重疾病。另一方面，醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藥物制劑的粒徑變小后，藥效雖然增加了，但其毒副作用也顯著增大。如，常規(guī)藥物被納米顆粒物裝載后，急性毒性、骨髓毒性、細(xì)胞毒性、心臟毒性和腎毒性等均明顯增強(qiáng)。

作為納米顆粒，“納米霧”機(jī)器人實(shí)際上也存在上述類(lèi)似問(wèn)題。這些機(jī)器人(納米微粒)在空中飄浮，不知不覺(jué)中會(huì)以熱運(yùn)動(dòng)的方式擴(kuò)散進(jìn)入食品、水源和生物內(nèi)部，進(jìn)而進(jìn)入人或動(dòng)物體細(xì)胞內(nèi)。它們?cè)谌嘶騽?dòng)物體內(nèi)將“如同幽靈一樣游走”，如果潛伏在細(xì)胞內(nèi)就有可能誘發(fā)細(xì)胞病變，甚至可能導(dǎo)致癌癥。到那時(shí)候，也許“如何盡快消滅這些可惡的‘納米霧’機(jī)器人”便會(huì)成為我們的頭號(hào)大事了。(文章代碼：100205)

責(zé)任編輯 趙菲