纳米机器人：我的“手指”太粗太粘

纳米机器人：我的“手指”太粗太粘
自我复制可能永远不会实现
【美国《科学美国人》月刊9月号文章】题：关于化学反应、爱情和纳米机器人的谬论（作者　理查德·斯莫利）
当一个小伙子和一个姑娘相爱了，人们会说他俩起了化学反应。“化学反应”这个词在描述人际关系时的常见用法，体现了分子间平凡的结合过程的微妙。如果化学反应进行得非常充分，参与反应的分子将全部生成预期的产物。
‘化学反应’和纳米‘装配工’
近年来，关于能够以原子为单位操纵或制造物体的微型机器人（有时叫做装配工）的设想流行起来。请想象有这样一个装配工：这个假想的纳米机器人不知疲倦地工作着，按照既定任务制造许多新的化学键，也许每秒钟能把多达十亿个新原子组合成所需的结构。但是在运行纳米工厂时，即使是这么快的速度还是几乎毫无用处，因为一个纳米机器人哪怕只生产一小批产品也要花费数百万年的时间。尽管从科学角度而言这样的纳米机器人装配工很有吸引力，它本身在宏观的“现实”世界里却不会有多大用处。
但是请想象一下，如果这个纳米机器人是万能的，只要有合适的原子供应、能量来源和所需产品的生产说明，它就可以制造任何东西。我们可以利用电脑编写出详细的生产说明，然后发送给纳米机器人。如果它真的能够制造任何东西，那么当然也能够制造自己的副本。因此，它可以像生物细胞那样自我复制。过一会儿我们将得到第二个纳米机器人，再过一会儿，就是四个、八个、十六个，如此继续。
出于好玩，我们可以假设每个纳米机器人由10亿个原子按照超乎想象的精密结构组合而成。如果它们能以前面假设的10亿个原子／秒的速度全速生产，每个机器人完成自己的一个复制品仅需1秒钟。然后新的纳米机器人克隆品将被“启动”，开始自我复制。在这个忙碌的克隆过程进行60秒之后，将出现2的60次方个纳米机器人，这是巨大得难以想象的18位数字，或者说是10亿个10亿。这支纳米机器人大军能够在0·6毫秒内生产30克产品，即每秒生产50公斤。现在我们谈论的真的是大家伙了！
自我复制令人心动
普通的纳米机器人用于大批量生产的想法并不是特别诱人，但是能够自我复制的纳米机器人确实令人心动。如果这是可行的，那么在瞬间生产出从CD机到摩天楼在内的任何东西的想法似乎也并不牵强。
但是，这些能够自我复制的纳米机器人也可能是非常可怕的。它们也许就相当于一种新的寄生物，没有人能阻止它们的无限扩张，最终全世界都会变成一堆分辨不清的灰色黏稠物。
更加可怕的是，它们可能根据设计程序或者通过随机突变而具备彼此交流的能力。一位作者在作品中对纳米机器人繁殖扩张的社会意义表示了忧虑：未来可能不再需要人类了。
然而，开发自我复制型纳米机器人这一想法的现实性又怎样呢？让我们来考虑一下。原子很小而且以限定的轨迹运动。把一个个原子结合在一起的电子“黏合剂”并不属于每个化学键，而是很容易受到所有邻近原子的位置和特性的影响。因此当纳米机器人的微型操纵臂要拿起一个原子把它安到指定地点时，它会面临一个根本性的问题。在某种程度上它需要控制的不仅是这个原子，还有这个区域的所有原子。你会说：没问题，我们的纳米机器人会配备足够多的操纵臂来控制每个原子。于是，它就能完全控制反应区域所有正在进行的情况。
存在两个基本困难
但是不要忘了，纳米机器人需要对化学反应进行控制的这个区域是非常非常小的——大约是一纳米见方。这一限制导致了至少两个基本困难。我把一个叫做粗手指问题，另一个叫做粘手指问题。由于操纵臂的手指本身必须由原子构成，它们有一定的体积，而且无法再缩小。在以纳米为单位的反应区域内，根本没有足够的空间来容纳这些完全控制化学反应所必需的所有操纵臂。获得诺贝尔奖的物理学家理查德·范曼在1959年那次启动了各地纳米技术的著名讲话中提出：“实际上有很大的空间。”但没有大到“那样”的程度。
自我复制型纳米机器人的操纵臂手指不仅太粗，而且太粘：构成操纵手的原子将和被搬动的原子粘在一起，于是把这块极小的建筑材料恰到好处地摆放到正确位置往往是不可能的。
这两个问题都是根本性的，也都是不可避免的。在这个世界，根本不可能出现能够自我复制的机械化纳米机器人。把每个原子放到它该在的位置——某些纳米技术专家描绘的这幅场景——需要有魔力的手指才办得到。这样的一个纳米机器人，永远只能在未来主义者的白日梦中出现。化学反应真的很微妙。你把一个姑娘和一个小伙子推到一块并不能让他们相爱（尽管这通常是朝正确方向迈出的第一步）。就像爱情之舞一样，化学反应在大部分时间里是一场华尔兹，有它自己的节奏：迈步——旋转——迈步。我们希望华尔兹变成一步舞——或者希望能够把每个原子都放到正确的位置——这并不能改变现实。