九十年代：亦正亦邪的纳米机器

（文 / 王星）

从理论上看，纳米技术几乎是无所不能(Getty Imaginechina 供图)  

这个世界真的要变得越来越小了。日本丰田公司目前已经制造出长4.8毫米、可以在桌面上跑动的四轮微型汽车。美国斯坦福研究所的微观人造肌肉可利用“扑打”方法，带动微型飞机飞行。美国林肯实验室的燃气轮机只有钮扣般大小，可以产生0.64公斤的推力。麻省理工学院研制的喷气式发动机直径只有1厘米，推力为13克，可带动50克重的微型飞机以300公里时速飞行。来自德国的一种微型直升机只有400毫克重，发动机直径1～2毫米，转速达到每分钟4万转。瑞典皇家理工学院设计出高半英寸的移动机器人，机器人有12条腿，每条腿的长度不到一个硬币的厚度。NASA也已表示准备研制重3.2公斤的超微型航天探测器。

不过，这些还都算不上最有创意的小机器，早在1959年，继爱因斯坦之后最有争议但也最出色的理论物理学家理查德·费曼在一次题为《在物质底层有大量的空间》的演讲中就已经提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，将分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质。这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。按照现在流行的术语来讲，这就是纳米机器。

从理论上看，纳米机器几乎是无所不能的。自然界各种生物的细胞内本来就存在纳米级的结构。就“机器”一词的广义而言，每个细胞都是一台纳米机器。细胞不仅可以将食物转变成能量，还能根据其DNA上的信息制造并输出蛋白质和酶。通过将不同物种的DNA重新组合，人类的基因工程师已经掌握了如何使用生物技术制造新的纳米装置。但是，由于细胞各自具有固有的功能，生物技术的使用受到很多限制。纳米技术的梦想家们有更多也更雄心勃勃的想法。举例说，设想中的一种纳米机器可以把天然碳分子逐个排列，重造一颗完美无瑕的钻石；另一种机器则可以将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分。在医学领域，所谓的“纳米潜艇”是目前最热门的话题之一，这种微小的潜艇可以在人体血液中航行、发现并分解血管壁上沉积的胆固醇。

第一台真正意义上的纳米机器诞生于2000年。当年11月24日出版的《科学》杂志宣布：美国康奈尔大学的科学家把一部微型马达与一个金属螺旋桨组装在一起，并使螺旋桨以每秒8转的速度旋转。该大学生物工程教授兼《科学》杂志资深撰稿人卡洛·蒙泰马尼奥说：“这是一台真正的纳米机器。”由于这台马达是从为细胞提供能量的分子中获得能量的，蒙泰马尼奥教授由此推测：未来人类也许能够制造出具有修复细胞损伤、制造药物或攻击癌细胞能力的纳米机器。同一期的《科学》杂志还描述了科学家在实验过程中发现的另外一种微观运动：一块锡在化学力的推动下，像变形虫一样在铜的表面四处游走，留下一条由铜组成的纤细轨迹。桑迪亚国家实验所的诺曼·巴特尔特博士说：“锡块仿佛活了一样，在铜的表面到处找食吃。它会运动到光洁的区域，吃下表层的铜原子同时吐出以合金形式存在的铜原子。在微观世界中，这种没有生命的物质竟然能够模仿生命系统，这真是令人惊奇。”附在研究报告后的评论认为，实验中锡块的运动可以被看作是一种新的纳米马达，而且这个马达把化学能转化成机械能的效率大致与目前普通汽车的马达效率相当。蒙泰马尼奥的研究小组曾经实验将一些叶片长度750纳米的镍制螺旋桨安装在400个分子马达的中轴上，当这些马达被浸入三磷酸腺苷溶剂中时，虽然有395个马达没有动静，但仍有五个马达开始旋转。在研究人员拍摄的录像中能够看到，一粒尘埃一度被吸入螺旋桨中，后来又被打了出来。以研发纳米技术为主的Zyvex公司对这一实验的结果颇感兴趣。该公司的一位主要负责人拉尔夫·梅克莱就曾表示：“今天是螺旋桨，明天我们就能把其他的东西安装在马达上。纳米技术正在朝着实用的方向发展。”此后不久，纽约大学一所实验室里也研制出了一个纳米级的机器人。该机器人有两个用DNA分子制作的手臂，手臂能在一定区域内旋转。2001年2月15日，美国麻省理工学院的研究生布赖恩·休伯特又以一台纳米组装器获得了学院3万美元的勒梅尔森发明奖。这台纳米机器已经相当接近科学家的梦想，因为它几乎可操作、装配包括小到数千原子的集合体在内的任何物体。

更理想、也更实用的纳米机器人专家预测可以在未来25年内出现。这些纳米机器人长有微小的“手指”，可以精巧地处理各种分子，同时有微小的电脑来指挥“手指”的操作。它们的“手指”可能会用强度是钢的100倍、粗细是头发丝的五万分之一的碳纳米管制造，因为这些碳纳米管既能成为晶体管也能作为连接它们的导线。它们的电脑则可能同样使用碳纳米管制造，或者完全利用DNA制造。

从实际应用考虑，完成一个人体内的血液清理工作可能需要数以百万计的纳米机器人，在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人进行打扫，制造一辆汽车则可能要调动数以一百亿亿计的纳米机器人同时工作。没有哪个生产线可以生产数量如此巨大的纳米机器人，但纳米科学家眼中的纳米机器可以自己解决这个问题。理想的纳米机器人应该可以同时具备两种功能：执行它们的主要任务以及制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体，这两个复制体每个又可以制造出两个自己的复制体，这样人们很快就可以获得万亿个纳米机器人。但是，如果纳米机器人无法停止复制，其后果将是灾难性的：纳米机器人在人体内的快速复制能够比癌细胞扩散还要快地布满正常组织，一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。不过，纳米技术研究人员至少在目前确信他们有办法防止这种灾难的发生。办法之一是设计并植入纳米机器人体内一种程序，使它们在复制数代后自我摧毁；另一种办法是设计一种只能在特定条件下进行复制的机器人，比如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制，或者是在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。

从最好方面来看，纳米机器人可以使我们在科幻小说中经常见到的生活场景变为现实：一台电视在几个小时之内变成了一台电脑，而且几乎不需要额外的开销；从最糟的方面来看，纳米机器人也可能使科幻灾难小说中常见的场面变为现实：纳米机器人复制出无数个自我、侵占了整个地球。纳米机器人带来的远不止是这些小说中的俗套场景。试想一下，如果不同物质之间不再存在形态的差异、而只存在构成目前状态的“信息”上的差异，如果往一块石头中扔进几个纳米机器人就能使它具有生物学定义上的“生命迹象”，如果利用纳米机器人的复制功能比克隆技术更简便地复制人类，地球上会是什么景象？纳米机器的出现重新让人们想起美国计算机科学家比尔·乔伊的警告：纳米技术极可能成为吞噬整个宇宙的癌症。的确，我们难以保证不会有一天成千上亿的纳米机器人会将人类和这个世界作为它们制造“产品”的原料。

在科学家眼中，纳米机器人能解决的问题远不止限于医学领域(Photo by Media Link) 科普纳米机器人纳米技术