文／觀察未來(lái)科技

當(dāng)前，隨著人們更深入地探索由分子和納米粒子構(gòu)成的表層量子宇宙，科技的發(fā)展正朝著微觀世界延伸而去，并重新想象各種可能性。許多人可能并沒(méi)有意識(shí)到，納米技術(shù)已經(jīng)在為我們生產(chǎn)各種日用品了。

現(xiàn)在的很多防曬霜就含有納米粒子，它們可以幫助吸收危險(xiǎn)的紫外線，另外，納米粒子還可以更平滑地覆蓋在人體皮膚表面。類似的納米粒子還被使用在食品的包裝上，以減少紫外線對(duì)食品的照射，從而延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。有些用于碳酸飲料的塑料瓶現(xiàn)在也含有納米黏土，而這種材料可以讓碳酸飲料的保質(zhì)期延長(zhǎng)數(shù)月之久。當(dāng)然，納米技術(shù)的意義遠(yuǎn)不止于此。

基于納米技術(shù)的納米機(jī)器人正在拓寬人類物質(zhì)世界的邊界，并且以很多種不同的方式重塑制造、醫(yī)療等領(lǐng)域的概念，帶來(lái)可以顛覆未來(lái)的想像。

3D打印和納米機(jī)器人

3D打印是根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)字特征，逐層制造產(chǎn)品的技術(shù)。制造時(shí)先鋪設(shè)一層超薄的底層材料，然后層層香加，直到形成完整的立體產(chǎn)品。當(dāng)然，3D打印不僅限于對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行掃描，然后制作成可以放在婚禮蛋糕上或者共他任何地方的玩偶，盡管這看上去非常新潮。

更重要的是，3D打印作為先進(jìn)制造技術(shù)，是未來(lái)制造的必經(jīng)之路，其顛覆效果至少不低于20 世紀(jì)的流水線生產(chǎn)。比如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印能夠?yàn)榛颊咧圃焘伜辖鹣骂�，包括與真實(shí)頜骨相連接的鉸接關(guān)節(jié)，可以容納靜脈和神經(jīng)再生的凹槽等。3D打印在假肢制造也具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

使用3D打印的另一個(gè)例子則是制造原型產(chǎn)品，比如，在風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)試的飛機(jī)原型。3D打印之所以被廣泛用于原型生產(chǎn)，而不是后線的大規(guī)模生產(chǎn)的一個(gè)原因是，原型生產(chǎn)更強(qiáng)調(diào)靈活性，而大規(guī)模生產(chǎn)則更強(qiáng)調(diào)效率。在生產(chǎn)效率方面，3D打印暫時(shí)還無(wú)法與傳統(tǒng)的制造方法相比。

與此同時(shí)，另一個(gè)橫亙?cè)?D打印技術(shù)前的障礙，就是3D打印技術(shù)的精度問(wèn)題。不可否認(rèn)，3D打印許諾了人們一個(gè)美好的制造前景。未來(lái)，當(dāng)我們想要購(gòu)買時(shí)，或許，我們只需要收到一份該產(chǎn)品的數(shù)字設(shè)計(jì)圖文件，然后只要將該文件輸人我們自己的便攜式多功能 3D打印機(jī)，就可以快速將它生產(chǎn)出來(lái)。但不可忽略的因素是，3D打印的精度，決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

當(dāng)然，現(xiàn)在的3D打印設(shè)備所使用的原材料范圍非常有限，并且其精度對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)都不夠。通用3D打印技術(shù)的發(fā)展只有達(dá)到納米技術(shù)領(lǐng)域，即以原子或分子的精度操控物質(zhì)，或者是在操控物質(zhì)時(shí)，其某一個(gè)空問(wèn)的維度至多延伸100納米，才能夠滿足原子級(jí)的精確制造。

而從3D打印機(jī)到原子精確制造，精度上將有一個(gè)非常大的跨度。比如，制造下顎的先進(jìn) 3D 打印機(jī)，其打印的每層厚度約為30微米，相當(dāng)于100000層原子的厚度，因此，要想每次只控制一層原子，意味著精度要提高100000倍。

對(duì)于未來(lái)制造而言，一個(gè)不可回避的問(wèn)題是，人類最終能實(shí)現(xiàn)哪種程度上的原子精確制造？而人們把這個(gè)問(wèn)題聚焦于納米層面的原因在于，納米尺度要比顯微尺度小1 000倍，并且比我們每天體驗(yàn)到的米級(jí)尺度的世界小10億倍。這與我們所知的宏觀世界截然不同，納米是一個(gè)度量微觀世界的長(zhǎng)度單位，納米特殊的長(zhǎng)度，也賦予了納米特殊的性質(zhì)。

而要想實(shí)現(xiàn)高精度的原子精確制造，其中的一個(gè)可行性，就是納米機(jī)器人——納米機(jī)器人的手臂，可以把分子片段或單個(gè)原子輸送并安置到指定位置，其中的關(guān)鍵就是機(jī)器人手臂尖端的化學(xué)性質(zhì)。

不過(guò)，對(duì)于原子精確制造在生物學(xué)之外的可行性，納米技術(shù)專家們則有不同的觀點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院2006年的一份報(bào)告表達(dá)了這種不確定性：

“如今，盡管可以從理論上計(jì)算，但是還不能可靠地預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)最終可達(dá)到的周期范圍、錯(cuò)誤率、反應(yīng)速度，以及這種自下而上的制造系統(tǒng)中的熱力學(xué)效率。因此，雖然可以從理論上計(jì)算所制造產(chǎn)品的完美性和復(fù)雜性，但還不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際產(chǎn)品性能�！�

改變生命的可能

除了在精度制造領(lǐng)域有所作為，納米機(jī)器人更具有前景的應(yīng)用，則表現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域——實(shí)際上，人體才是這個(gè)世界上最為精密的機(jī)器。

在人體中只有43％的細(xì)胞是人體細(xì)胞，而其他細(xì)胞都是極其微小的“殖民者”，這些細(xì)胞包括數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的細(xì)菌、病毒、霉菌以及古生菌。這也給納米機(jī)器人提供了一個(gè)廣闊的用武之地。顯然，在這些除了人體細(xì)胞之外的微生物中，再添加數(shù)百萬(wàn)個(gè)納米機(jī)器人并不是一件不可能實(shí)現(xiàn)的事情，更何況納米機(jī)器人還能夠改善我們的生活和健康狀況。

其中，一個(gè)科學(xué)家們已經(jīng)在跟進(jìn)的研究是，把大量納米機(jī)器人放進(jìn)人類的血液里。美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·弗雷塔斯就是這項(xiàng)研究的最重要的前瞻人物和倡導(dǎo)者之一。弗雷塔斯認(rèn)為，老年化是一種可治愈的疾病，而通過(guò)納米機(jī)器人，或許很快就能治愈衰老：“雖然我們今天還不能制造這樣的微型機(jī)器人，但到 21 世紀(jì)20年代或許可以造出來(lái)�！�

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)給出了明確的結(jié)論，衰老是由于 “基因組不穩(wěn)定、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質(zhì)抑制失調(diào)、營(yíng)養(yǎng)素感應(yīng)失調(diào)、線粒體功能障礙細(xì)胞衰老、千細(xì)胞耗盡、細(xì)胞間通信變化” 等引發(fā)的人體大分子、細(xì)胞和組織的積累性損傷。按照弗雷塔斯的說(shuō)法，所有這些損傷都可以用納米機(jī)器人修復(fù)。

納米機(jī)器人將能夠穿越血液，然后進(jìn)入或接近細(xì)胞，執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，如清除毒素，清掃細(xì)胞碎片，糾正DNA 錯(cuò)誤，修復(fù)和恢復(fù)細(xì)胞膜，逆轉(zhuǎn)動(dòng)脈粥樣硬化，調(diào)節(jié)激素、神經(jīng)遞質(zhì)和其他代謝物的水平，以及其他許多任務(wù)。

另外，在未來(lái)，納米機(jī)器人或許還能夠掃描大腦，包括用來(lái)研究大腦的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的逆向工程，制造廣義人工智能，最終再把人類的思維上傳到計(jì)算機(jī)中�！镀纥c(diǎn)臨近》的作者庫(kù)茲韋爾就在書里這樣展望：數(shù)十億個(gè)納米機(jī)器人可以穿過(guò)大腦中的每一根毛細(xì)血管，近距離掃描每個(gè)相關(guān)的神經(jīng)特征。納米機(jī)器人還將使用高速無(wú)線通信彼此聯(lián)絡(luò)，并與計(jì)算機(jī)相連接，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)編制數(shù)據(jù)庫(kù)。

不過(guò)，就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，一項(xiàng)更加貼近現(xiàn)實(shí)的納米機(jī)器人應(yīng)用，則是利用納米機(jī)器人來(lái)擺脫癌癥。亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家就采用“DNA折紙術(shù)”設(shè)計(jì)了一隊(duì)納米機(jī)器人來(lái)尋找和消滅癌癥腫瘤，同時(shí)確保健康細(xì)胞不受損傷。這些納米機(jī)器人通過(guò)瞄準(zhǔn)腫瘤的血液供應(yīng)、阻斷血液的流動(dòng)來(lái)發(fā)揮作用。因?yàn)樗�有的腫瘤都需要血液才能夠存活下來(lái)，因此，這項(xiàng)技術(shù)也具有治療多種不同癌癥的潛力。

研究人員認(rèn)為，將多種不同的經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的納米機(jī)器人混合在一起，然后再讓它們攜帶不同的藥劑，或許可以幫助達(dá)成癌癥研究的最終目標(biāo)，即根除實(shí)體瘤，消滅腫瘤的血管浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移。

不過(guò)，將一隊(duì)納米機(jī)器人注入血管是一回事，而將它們引導(dǎo)到正確的位置就是另一回事了。在普渡大學(xué)，研究人員率先嘗試了使用超聲波和磁場(chǎng)來(lái)引導(dǎo)這些微型機(jī)器人。這種做法不僅可以為納米馬達(dá)提供動(dòng)力，還可以引導(dǎo)它們?cè)谌梭w內(nèi)部走向正確的位置，只有到了正確的位置它們才有可能參與對(duì)癌癥進(jìn)行治療、在指定的位置供藥，或者繪制出人類大腦的具體結(jié)構(gòu)。

對(duì)納米機(jī)器人的擔(dān)憂

從納米機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)角度來(lái)看，庫(kù)茲韋爾的說(shuō)法是：“我們血液中的智能納米機(jī)器人會(huì)保護(hù)我們的細(xì)胞和分子，進(jìn)而維持我們的健康。這種納米機(jī)器人還會(huì)通過(guò)毛細(xì)血管進(jìn)入大腦，并與我們的生物神經(jīng)元互動(dòng)，直接擴(kuò)展我們的智力。基于加速回報(bào)定律，在未來(lái)的30年間，這些技術(shù)的功能會(huì)比現(xiàn)在強(qiáng)大十億倍�！�

但凡事都具有兩面性，正如人們對(duì)人工智能的擔(dān)憂一樣，納米機(jī)器人也可能失控——能夠吞噬斑塊、摧毀癌細(xì)胞并殺死細(xì)菌的納米機(jī)器人也有可能會(huì)犯錯(cuò)，敵我不分地開始吞噬我們的身體。

另一種的擔(dān)憂，則是對(duì)納米機(jī)器人的增長(zhǎng)速度超出控制的擔(dān)憂。究其原因，最可能用來(lái)制造納米機(jī)器人的原料是碳，因?yàn)樗�具有�?dú)特而靈活的化學(xué)特性。由于同樣的原因，碳也是生物有機(jī)體中的主要成分，這使得它有可能成為自我復(fù)制納米機(jī)器人的理想原料，用來(lái)生產(chǎn)更多的納米機(jī)器人。逃出人類實(shí)驗(yàn)室控制的納水機(jī)器人，可能會(huì)在數(shù)周內(nèi)就消耗掉整個(gè)生物圈。

這種假設(shè)性的場(chǎng)景導(dǎo)致人們提出所謂的“灰色末日”理論。這將是一個(gè)災(zāi)難性的場(chǎng)景，可以自我復(fù)制的納米機(jī)器人在失去控制后逐漸消耗完地球上所有的生物物質(zhì)，并將每一種活的生物體都轉(zhuǎn)變成了一堆灰色的糨糊�！段烈吣辍愤@本小說(shuō)就描寫了失控的納米技術(shù)通過(guò)傳染的方式吞噬了居住在10000英尺高空以下的所有溫血生物。這迫使剩下的人類逃往了更高的樓層，并在那里掙扎求存。

當(dāng)然，這是最為悲觀的擔(dān)憂，而還有一種中間立場(chǎng)提供了避免“灰色末日”出現(xiàn)的可能。一方面，只要人類遵守某種安全協(xié)議，就可以繼續(xù)開發(fā)納米機(jī)器人技術(shù)；另一方面，如果我們忽視這些預(yù)防措施，它就很有可能變成真正的危險(xiǎn)。

而對(duì)于如何讓納米機(jī)器人以受控、 安全的方式進(jìn)行自我復(fù)制中，一個(gè)關(guān)鍵的看法是，一個(gè)物體（無(wú)論是生物體還是機(jī)器人）的自我復(fù)制能力總是與其所處的環(huán)境密切相關(guān)。即使是一套鐵匠的工具，也可以在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下打造出一套一模一樣的新工具，這也可以被描述為自我復(fù)制。自我復(fù)制永遠(yuǎn)需要原材料和能量的供應(yīng)。因此，如果我們構(gòu)建的自我復(fù)制機(jī)器中，包含某些自然環(huán)境中不具備的材料，就可以避免納米機(jī)器人的復(fù)制失控。

當(dāng)前，通過(guò)在最微觀的層次上掌控物質(zhì)世界的組成模塊，我們正在重塑我們周圍的一切。事實(shí)是，未來(lái)的某一天我們或許會(huì)變得非常依賴這種技術(shù)，因?yàn)槿祟惖臄U(kuò)張欲望將會(huì)繼續(xù)推動(dòng)人們向內(nèi)沉入這個(gè)由亞原子主導(dǎo)的領(lǐng)域，同時(shí)更進(jìn)一步地向外深入未知的宇宙。而當(dāng)人們?cè)谶@兩個(gè)方向上走得越遠(yuǎn)時(shí)，或許也將會(huì)越清醒地認(rèn)識(shí)到人類的渺小和宇宙的浩瀚。

       原文標(biāo)題 : 從精密制造到改變生命，被低估的納米機(jī)器人