“納米霧”,離我們有多遠

“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)展趨勢提出的一種構(gòu)想。

霍爾是美國一位知名的計算機專家，他為自己的這一構(gòu)想取名為“實用霧”，也叫做“納米霧”。根據(jù)霍爾的設想，“納米霧”由一大群能自我復制的智能型納米機器人組成。這些機器人身上有12只手臂，還有接收天線，因此可以通過無線電遙控。它們平時飄浮在空中，或者附在地板上，單憑人類的肉眼無法覺察。當需要什么的時候，你只要往電腦中輸入一個指令，電腦向空中發(fā)出無線電波，接到命令后的納米機器人會立刻聚攏來變出你想要的東西。這些納米機器人是如此之微小，以至于可以通過程序控制來細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法分辨真假的程度。

1990年，首屆國際納米科技會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科技的誕生。經(jīng)過近20年的飛速發(fā)展，如今，納米科技已在材料學、物理學、化學、電子學、計量學、生物學等領域取得了諸多重大的成就。

那么，我們不禁要問，以當今的科技水平，科學家能制造出這樣的“納米霧”機器人嗎?制造中還存在哪些技術難點?“納米霧”到底離我們還有多遠?

人造生命取得突破，納米霧仍任重道遠

根據(jù)霍爾的設想，“納米霧”是一大群能自我復制的智能型納米機器人。它們具有相似的結(jié)構(gòu)，具有遺傳、繁殖及對外的應激能力(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，到最終衰亡，它們還需要不斷地與外界進行能量和物質(zhì)交換。也就是說，它們還具有新陳代謝、生長、演變等特性。上述種種跡象表明，霍爾的“納米霧”機器人實際上已屬于人造生命范疇，而且屬于高級智能型的人造生命。

一般認為，人造生命至少應有三個基本特征：外殼(細胞膜)、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相對容易，人造基因和人造基因控制下的代謝與繁殖問題，解決起來則相當困難。2008年10月，美國科學家克雷格·文特爾宣布，他的研究小組在實驗室中成功合成了人造基因，并將其植入細菌的外殼中：在這些基因的控制下，新細菌能攝食、代謝和繁殖，已經(jīng)具備了生命的三個基本特征，堪稱人類歷史上第一個“人造生命”。文特爾的工作具有深遠的意義，它標志著人類在最低級人造生命方面已取得重大突破。

既然第一個人造生命都造出來了，那么，是不是下一步就可以開始著手制造霍爾的“納米霧”機器人了呢?顯然，兩者之間還有相當遠的距離。

首先，文特爾的人造生命是低級的，它雖初步具備了生命的某些特征，但僅限于實驗室。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)歷了億萬年自然法則挑選的結(jié)果。

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

繁殖與可控繁殖

先說繁殖問題。根據(jù)物質(zhì)守恒定理，霍爾的“納米霧”機器人要在自然環(huán)境中存活，并在需要時快速自我復制，即一個變?yōu)槎鄠€，就必須從外界大氣中補充、攝取新的物質(zhì)。眾所周知，大氣的主要成分為氮氣、氧氣、水汽、氬和二氧化碳等，主要的化學元素為氮、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)，主要化學元素為氮、氧、氫、碳和磷。對比大氣和DNA的成分可以發(fā)現(xiàn)，大氣中嚴重缺~_DNA中的磷元素，這意味著DNA無法在，大氣中順利進行自我復制，此因素很可能成為“納米霧”機器人在大氣環(huán)境下無法繁殖的重要原因。此外，為了方便人造DNA復制和人造生命存活，文特爾為他的人造生命創(chuàng)造了最為適宜的實驗環(huán)境，比如合適的實驗溫度、酸堿度、化學成分等，和這種“優(yōu)越”的實驗環(huán)境相比，大氣環(huán)境對于人造生命來說簡直就太惡劣了。這也必然會直接影響人造生命的生存和繁殖。

下面我們再說可控繁殖。

在近期的《應用生態(tài)學雜志》上，英國劍橋大學動物學家威廉·薩瑟蘭列舉了未來25大環(huán)境威脅。其中，最危險的隱患就是人造生命和仿生納米機器人。薩瑟蘭認為，人造生命和仿生納米機器人極可能成為未來新的入侵物種，進而影響我們的生態(tài)系統(tǒng)。

事實上，霍爾的“納米霧”機器人也存在同樣的問題。試想，如果“納米霧”機器人“體質(zhì)”太弱，它就無法在自然界中存活；但反過來，如果其繁殖能力過強，加上在自然界中又沒有天敵，一旦人類對其復制失控，這種納米機器人將有可能迅速占領地球上的生存空間，直接威脅到其他生物，甚至人類的生存。為此，一些預言家危言聳聽地預言，納米技術產(chǎn)生的這種納米生物機器人，最終將會使得地球變成一大團灰色的、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”機器人要在大氣中生存、必要時迅速繁殖，并執(zhí)行人的指令，能量來源問題首當其沖。從可能的途徑來看，“納米霧”機器人的能源可依賴太陽能、攝取外界含能物質(zhì)或由人類提供。

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

再來看能量來源的第二種途徑：“納米霧”機器人通過攝取大氣中的物質(zhì)，并經(jīng)過新陳代謝的方式來獲得能量。這種方案的可行性較小。因為從能量的角度來看，大氣中的氮氣、氧氣、水汽、氬和二氧化碳等都屬于低含能物質(zhì)，其中氧氣、二氧化碳等分別為植物和動物“呼吸”利用過的“廢氣”。顯然，“納米霧”機器人要利用這些“廢氣”來獲取能量，可能性不大。那么，“納米霧”機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，因為地球上不同的地方，物質(zhì)環(huán)境往往千差萬別，除非我們“教會”這些機器人使用“吸功大法”。退一步講，即便它們學會了“吸功大法”，萬一發(fā)生了“納米機器人從我們?nèi)梭w上直接吸取能量”的緊急情況，又該怎樣辦?

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

通訊與動力裝置

“納米霧”機器人要能夠接收人類的無線電波指令，迅速完成復制，并到達指定的位置，還需要解決通訊和動力問題。

首先來看通訊問題。

要讓“納米霧”機器人能夠接收無線電波指令，我們必須要給“納米霧”機器人設計和安裝接收天線。設計這種天線，納米碳管似乎是最為合適的選擇。近來，科學家們已經(jīng)成功制造出了納米碳管“可見光波接收天線”；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質(zhì)量。“納米霧”機器人通過這種天線接收指令后，只有通過神經(jīng)系統(tǒng)將該指令傳達給自身的能量系統(tǒng)、動力裝置，機器人才能開啟馬力，向特定的目標位置迸發(fā)。至于納米機器人的神經(jīng)系統(tǒng)，則可借助業(yè)已發(fā)現(xiàn)的樹狀納米碳管來實現(xiàn)。實際上，樹狀納米碳管的構(gòu)形和我們?nèi)祟惖纳窠?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”。

下面我們再來討論動力裝置問題。

接收指令后，“納米霧”機器人要迅速到達指定的位置。在行進中，“納米霧”機器人需要配備有動力裝置(納米／分子馬達)來驅(qū)動。

事實上，納米／分子馬達早已廣泛存在于生物細胞內(nèi)，它們的功能是實現(xiàn)微觀物質(zhì)的運動。近年來，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多形形色色納米馬達，如驅(qū)動肌肉的肌球蛋白馬達、參與DNA解鏈的DNA解旋酶馬達、ATP(三磷酸腺苷，一種生物能量分子)分子馬達等。上述納米／分子馬達是不是可以直接應用于“納米霧”機器人呢?顯然沒這么簡單。這里至少需要解決以下兩個問題。第一，納米／分子馬達如何“安裝”到機器人上?第二，機器人納米／分子馬達的能量供給問題。此外，馬達的功率問題也要考慮，因為，近來筆者的一項研究表明，納米尺度下，物體的運動黏性阻力要比宏觀物體高出若干個數(shù)量級，這就好比我們?nèi)嗽谟倌嘀行羞M一樣困難。

環(huán)境污染與毒性

準確地講，每個漂浮在空氣中的“納米霧”機器人實際上就是一個納米顆粒。納米顆粒的一個顯著特點是表面積大，粒子表面的原子數(shù)多，周圍缺少相鄰原子，所以具有很強的吸附能力和很高的化學活性。

最近，華中科技大學的學者研究發(fā)現(xiàn)，煤燃燒后會產(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，燃煤納米顆粒物可輕易進入人或動物體的器官內(nèi)，可能產(chǎn)生比粗顆粒更為嚴重的健康危害，如使眼、黏膜和皮膚產(chǎn)生十分強烈的刺激性反應，導致哮喘病、動脈硬化、癌癥及神經(jīng)變異等嚴重疾病。另一方面，醫(yī)學家發(fā)現(xiàn)，當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、細胞毒性、心臟毒性和腎毒性等均明顯增強。

作為納米顆粒，“納米霧”機器人實際上也存在上述類似問題。這些機器人(納米微粒)在空中飄浮，不知不覺中會以熱運動的方式擴散進入食品、水源和生物內(nèi)部，進而進入人或動物體細胞內(nèi)。它們在人或動物體內(nèi)將“如同幽靈一樣游走”，如果潛伏在細胞內(nèi)就有可能誘發(fā)細胞病變，甚至可能導致癌癥。到那時候，也許“如何盡快消滅這些可惡的‘納米霧’機器人”便會成為我們的頭號大事了。(文章代碼：100205)

責任編輯 趙菲