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“纳米雾”离我们有多远

“我想要一桌酒菜!”于是,你眼前出现了一桌丰盛的宴席;“我想再要一座城堡!”于是,你眼前就出现了一座魔幻城堡……也许你以为我在讲笑话,但我要告诉你,这是约翰·霍尔基于目前纳米科技发展趋势提出的一种构想。    霍尔是美国一位知名的计算机专家,他为自己的这一构想取名为“实用雾”,也叫做“纳米雾”。根据霍尔的设想,“纳米雾”由一大群能自我复制的智能型纳米机器人组成。这些机器人身上有12只手臂,还有接收天线,因此可以通过无线电遥控。它们平时飘浮在空中,或者附在地板上,单凭人类的肉眼无法觉察。当需要什么的时候,你只要往电脑中输入一个指令,电脑向空中发出无线电波,接到命令后的纳米机器人会立刻聚拢来变出你想要的东西。这些纳米机器人是如此之微小,以至于可以通过程序控制来细腻地模拟任何宏观物体的大多数物理性质,甚至可精确到人眼无法分辨真假的程度。

    1990年,首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科技的诞生。经过近20年的飞速发展,如今,纳米科技已在材料学、物理学、化学、电子学、计量学、生物学等领域取得了诸多重大的成就。

那么,我们不禁要问,以当今的科技水平,科学家能制造出这样的“纳米雾”机器人吗?制造中还存在哪些技术难点?“纳米雾”到底离我们还有多远?

人造生命取得突破,纳米雾仍任重道远

根据霍尔的设想,“纳米雾”是一大群能自我复制的智能型纳米机器人。它们具有相似的结构,具有遗传、繁殖及对外的应激能力(接受外部指令形成各种各样的物体)。此外,从出生、繁衍、执行各种任务,到最终衰亡,它们还需要不断地与外界进行能量和物质交换。也就是说,它们还具有新陈代谢、生长、演变等特性。上述种种迹象表明,霍尔的“纳米雾”机器人实际上已属于人造生命范畴,而且属于高级智能型的人造生命。

一般认为,人造生命至少应有三个基本特征:外壳(细胞膜)、遗传物质(基因)、基因控制下的代谢和繁殖能力。人造生命的外壳解决起来相对容易人造基因和人造基因控制下的代谢与繁殖问题,解决起来则相当困难。200810月,美国科学家克雷格·文特尔宣布,他的研究小组在实验室中成功合成了人造基因,并将其植入细菌的外壳中;在这些基因的控制下,新细菌能摄食、代谢和繁殖,已经具备了生命的三个基本特征,堪称人类历史上第一个“人造生命”。文特尔的工作具有深远的意义,它标志着人类在最低级人造生命方面已取得重大突破。

既然第一个人造生命都造出来了,那么,是不是下一步就可以开始着手制造霍尔的“纳米雾”机器人了呢?显然,两者之间还有相当远的距离。

首先,文特尔的人造生命是低级的,它虽初步具备了生命的某些特征,但仅限于实验室。这些人造生命在自然环境中的摄食、代谢、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经历了亿万年自然法则挑选的结果。

其次,我们仅能勉强地将文特尔的人造生命归类为细菌。该“细菌”智能化程度极低,连自身“生存问题”都尚不能保障,就更谈不上让它接受人类的指令去执行某种特定的任务了。

繁殖与可控繁殖

先说繁殖问题。根据物质守恒定理,霍尔的“纳米雾”机器人要在自然环境中存活,并在需要时快速自我复制,即一个变为多个,就必须从外界大气中补充、摄取新的物质。众所周知,大气的主要成分为氮气、氧气、水汽、氩和二氧化碳等,主要的化学元素为氮、氧、氢、氩和碳等元素;生命遗传基因DNA为脱氧核糖核苷酸双链结构,主要化学元素为氮、氧、氢、碳和磷。对比大气和DNA的成分可以发现,大气中严重缺乏DNA中的磷元素,这意味着DNA无法在大气中顺利进行自我复制,此因素很可能成为“纳米雾”机器人在大气环境下无法繁殖的重要原因。此外,为了方便人造DNA复制和人造生命存活,文特尔为他的人造生命创造了最为适宜的实验环境,比如合适的实验温度、酸碱度、化学成分等,和这种“优越”的实验环境相比,大气环境对于人造生命来说简直就太恶劣了。这也必然会直接影响人造生命的生存和繁殖。

下面我们再说可控繁殖。

在近期的《应用生态学杂志》上,英国剑桥大学动物学家威廉·萨瑟兰列举了未来25大环境威胁。其中,最危险的隐患就是人造生命和仿生纳米机器人。萨瑟兰认为,人造生命和仿生纳米机器人极可能成为未来新的入侵物种,进而影响我们的生态系统。

事实上,霍尔的“纳米雾”机器人也存在同样的问题。试想,如果“纳米雾”机器人“体质”太弱,它就无法在自然界中存活;但反过来,如果其繁殖能力过强,加上在自然界中又没有天敌,一旦人类对其复制失控,这种纳米机器人将有可能迅速占领地球上的生存空间,直接威胁到其他生物,甚至人类的生存。为此,一些预言家危言耸听地预言,纳米技术产生的这种纳米生物机器人,最终将会使得地球变成一大团灰色的、黏黏糊糊的物质所覆盖的纳米怪物。

与外界的能量交换

“纳米雾”机器人要在大气中生存、必要时迅速繁殖,并执行人的指令,能量来源问题首当其冲。从可能的途径来看,“纳米雾”机器人的能源可依赖太阳能、摄取外界含能物质或由人类提供。

在太阳能利用方面,近年电转换电路印制在塑料薄膜上,直接将太阳能转换为电能;再如,以色列科学家已将金属线埋置于玻璃中,制造出了所谓的“纳米太阳能电池”,这种电池效率极高,是常规太阳能电池的100倍等等。然而遗憾的是,对于“纳米雾”机器人来说,这些纳米太阳能装置仍显得太庞大了,根本无法携带和利用。

再来看能量来源的第二种途径:“纳米雾”机器人通过摄取大气中的物质,并经过新陈代谢的方式来获得能量。这种方案的可行性较小。因为从能量的角度来看,大气中的氮气、氧气、水汽、氩和二氧化碳等都属于低含能物质,其中氧气、二氧化碳等分别为植物和动物“呼吸”利用过的“废气”。显然,“纳米雾”机器人要利用这些“废气”来获取能量,可能性不大。那么,“纳米雾”机器人是不是可以从地面上直接自行获取能量呢?这也不现实,因为地球上不同的地方,物质环境往往千差万别,除非我们“教会”这些机器人使用“吸功大法”。退一步讲,即便它们学会了“吸功大法”,万一发生了“纳米机器人从我们人体上直接吸取能量”的紧急情况,又该怎样办?机器人如何通过电磁波从人类那儿获取能量呢?我们不妨从已有的微波(电磁波的一种)动力飞机说起。微波动力飞机的原理如下:地面高功率发射机通过天线将微波能量汇聚,磁装置使之变成直流电,再由直流电动机带动飞机的螺旋桨。目前,微波动力飞机已经在加拿大、美国等国家成功诞生。微波动力飞机的思想在“纳米雾”机器人能量获取问题上是值得借鉴的,现在面临的最大问题是如何将这套电磁波能量装置微型化。

通讯与动力装置

“纳米雾”机器人要能够接收人类的无线电波指令,迅速完成复制,并到达指定的位置,还需要解决通讯和动力问题。

首先来看通讯问题。

要让“纳米雾”机器人能够接收无线电波指令,我们必须要给“纳米雾”机器人设计和安装接收天线。设计这种天线,纳米碳管似乎是最为合适的选择。近来,科学家们已经成功制造出了纳米碳管“可见光波接收天线”;他们发现,这种纳米碳管天线具有极高的传输效率和信号质量。“纳米雾”机器人通过这种天线接收指令后,只有通过神经系统将该指令传达给自身的能量系统、动力装置,机器人才能开启马力,向特定的目标位置进发。至于纳米机器人的神经系统,则可借助业已发现的树状纳米碳管来实现。实际上,树状纳米碳管的构形和我们人类的神经系统结构颇为相似,中间最粗的主干可作为“神经中枢”,其他枝杈则为“神经末梢”。下面我们再来讨论动力装置问题。接收指令后,“纳米雾”机器人要迅速到达指定的位置。在行进中,“纳米雾”机器人需要配备有动力装置(纳米/分子马达)来驱动。

事实上,纳米/分子马达早已广泛存在于生物细胞内,它们的功能是实现微观物质的运动。近年来,科学家们已经发现了诸多形形色色纳米马达,如驱动肌肉的肌球蛋白马达、参与DNA解链的DNA解旋酶马达、ATP(三磷酸腺苷,一种生物能量分子)分子马达等。上述纳米/分子马达是不是可以直接应用于“纳米雾”机器人呢?显然没这么简单。这里至少需要解决以下两个问题。第一,纳米/分子马达如何“安装”到机器人上?第二:,机器人纳米/分子马达的能量供给问题。此外,马达的功率问题也要考虑,因为,近来笔者的一项研究表明,纳米尺度下,物体的运动黏性阻力要比宏观物体出若个数量级,这就好比我们人在淤泥中行进一样困难。

环境污染与毒性

准确地讲,每个漂浮在空气中的“纳米雾”机器人实际上就是一个纳米颗粒。纳米颗粒的一个显著特点是表面积大,粒子表面的原子数多,周围缺少相邻原子,所以具有很强的吸附能力和很高的化学活性。

最近,华中科技大学的学者研究发现,煤燃烧后会产生20150纳米的球形或近球形颗粒,而其聚结体的尺寸在500纳米以上。由于微尺度效应,燃煤纳米颗粒物可轻易进入人或动物体的器官内,可能产生比粗颗粒更为严重的健康危害,如使眼、黏膜和皮肤产生十分强烈的刺激性反应,导致哮喘病、动脉硬化、癌症及神经变异等严重疾病。另一方面,医学家发现,当药物制剂的粒径变小后,药效虽然增加了,但其毒副作用也显著增大。如,常规药物被纳米颗粒物装载后,急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性等均明显增强。

作为纳米颗粒,“纳米雾”机器人实际上也存在上述类似问题。这些机器人(纳米微粒)在空中飘浮,不知不觉中会以热运动的方式扩散进入食品、水源和生物内部,进而进入人或动物体细胞内。它们在人或动物体内将“如同幽灵一样游走”,如果潜伏在细胞内就有可能诱发细胞病变,甚至可能导致癌症。到那时候,也许“如何尽快消灭这些可恶的‘纳米雾’机器人”便会成为我们的头号大事了。

本文发表于:《百科知识》2010.1B



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