能搬動原子的機(jī)器

平常我們看到一輛卡車，它能裝運(yùn)幾十噸的貨物，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們?nèi)祟愃苓_(dá)到的力量。正是有了各種大型機(jī)械，我們?nèi)祟惒拍荛_山洞、筑大壩、架大橋、建高樓，才能有我們今天豐富多彩的物質(zhì)文明?？墒沁@些機(jī)器盡管力量很大，它們也有不足。如果你讓這些機(jī)器每次搬運(yùn)幾個(gè)原子它們可能無法做到，因?yàn)樗鼈儽旧肀仍哟蟮锰嗔恕Ｈ欢?，蓬勃發(fā)展的納米技術(shù)正在努力建造這樣的機(jī)器。

你可曾想過利用納米機(jī)器將可以一次一個(gè)原子地制作鉆石嗎?從表面上看，這樣的說法不現(xiàn)實(shí):某一項(xiàng)技術(shù)的用途多得令人難以置信，它可以治療疾病，延緩衰老，清除體內(nèi)廢物，增加人類的食品供應(yīng)，分解各種廢物，為你打掃房間，消滅害蟲。而且，這只是開始。然而這恰恰就是納米技術(shù)支持者預(yù)測能夠?qū)崿F(xiàn)的現(xiàn)實(shí)，甚至是可能在21世紀(jì)上半葉結(jié)束之前就變成現(xiàn)實(shí)的預(yù)言。

納米機(jī)器的傳動裝置

盡管有關(guān)納米技術(shù)的想法聽起來很難理解，但它確實(shí)屬于主流科學(xué)，遍布全世界的實(shí)驗(yàn)室都在設(shè)法使其發(fā)揮作用。事實(shí)上，早在1959年，被認(rèn)為是愛因斯坦之后擁有最高智慧的理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼發(fā)表了一個(gè)題為《底部有很大空間》的談話，在談話中他提到也許有一天人們會造出幾千個(gè)原子組成的微型工具。

這樣一臺機(jī)器的好處有很多。它可以使用分子甚至是單個(gè)原子作為基本構(gòu)件，建設(shè)規(guī)模最小的建筑工程。這就意味著人類可以從零開始制造幾乎任何東西。因?yàn)榛瘜W(xué)和生物學(xué)說到底就是分子結(jié)構(gòu)的改變和原子重排，而制造只不過是聚集大量原子并使它們組成有用物品的過程。

事實(shí)上，每個(gè)細(xì)胞都是活生生的納米機(jī)器的例子。它們不僅可以將養(yǎng)分轉(zhuǎn)變成能量，還能根據(jù)DNA上的信息制造并輸出蛋白質(zhì)和酶。

但是，由于細(xì)胞各自具有固有的功能，使用生物技術(shù)制造納米機(jī)器很受限制。而納米技術(shù)的預(yù)測者們卻有許多雄心勃勃的想法。設(shè)想中的一種納米機(jī)器可以把天然碳分子逐個(gè)排列，制成完美無缺的鉆石;另一種機(jī)器可將有毒物質(zhì)的分子逐個(gè)分解;一種可以在人體血液中運(yùn)動的裝置，它能發(fā)現(xiàn)并分解血管壁上沉積的膽固醇:還有一種裝置可將剪下的雜草改造成面包。事實(shí)上，世界上從電腦到汽車的每一件實(shí)物都是由分子或原子組成的，而納米機(jī)器原則上可以制造出所有這些物品。

當(dāng)然，從理論到實(shí)踐是一個(gè)相當(dāng)艱巨和困難的過程。但是，納米科學(xué)家和工程師們已經(jīng)證明，可以利用掃描隧道電子顯微鏡等工具移動原子個(gè)體，使它們形成在自然界中永遠(yuǎn)不可能存在的排列方式，比例為百億分之一的世界地圖，或一把琴弦只有50納米粗的亞顯微鏡吉他。他們還設(shè)計(jì)了由幾十個(gè)分子構(gòu)成的微型齒輪和發(fā)動機(jī)。

納米技術(shù)的專家期望在25年內(nèi)超越這些科學(xué)的預(yù)測，制造出真正的、實(shí)用的納米機(jī)器，這些機(jī)器具有可以操縱分子的微型“手指”和指揮這些手指如何尋找、如何改造所需原材料的微型電腦。這些手指完全可以由碳納米管制成。碳納米管是1991年發(fā)現(xiàn)的一種管狀的碳結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度是鋼的100倍，直徑只有頭發(fā)的5萬分之一。

納米機(jī)器中電腦也可以由納米管制成，納米管既可以用做晶體管，也可以用做接晶體管的導(dǎo)線。電腦也可以由DNA制成，通過改變這些DNA的結(jié)構(gòu)，可以使其執(zhí)行人為的指令。如果配備了適當(dāng)?shù)能浖?，并具備充分的靈活性，納米機(jī)器人可以制造任何東西。

納米機(jī)器人

我們平時(shí)常見的機(jī)器和工具，最小能夠達(dá)到的程度，是以我們的肉眼可以看見的外形為依據(jù)的。1986年，美國福賽特研究所的德雷克斯勒博士在自己的著作《創(chuàng)世的引擎》中提出了分子納米技術(shù)的概念。他所說的分子納米技術(shù)，就是使組合分子的機(jī)器實(shí)用化;從而可以任意組合所有種類的分子，并可以做出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。僅就他提倡的分子納米技術(shù)來說，其后并未取得重大進(jìn)展。他的觀點(diǎn)是，微型機(jī)器可以利用自然界中存在的所有廉價(jià)材料制造任何東西。這種觀點(diǎn)在專家的議論中出現(xiàn)，顯得太離奇了。但從另一個(gè)角度看，他卻揭示了一個(gè)人類在21世紀(jì)中將會大規(guī)模進(jìn)軍的領(lǐng)域——微觀機(jī)器人領(lǐng)域。

自機(jī)器人間世以來，人們已一致公認(rèn)機(jī)器人是“解放人類的工具”。那么，什么樣的機(jī)器才稱得上是機(jī)器人呢?一般說來，機(jī)器人是指靠自身動力并有控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義:“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī);或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。”

機(jī)器人是一個(gè)總稱，它種類繁多，按發(fā)展過程可以分為三代;第一代指只有“手”的機(jī)器人，以固定程序或可編程序工作，不具有外界信息的反饋。這種機(jī)器人也稱“示教再現(xiàn)型”機(jī)器人。第二代對外界信息有反饋能力，具有觸覺、視覺、聽覺等功能，叫“感覺型”機(jī)器人，又稱“適應(yīng)型”機(jī)器人。第三代具有高度的適應(yīng)性，有自行進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、決策、規(guī)劃等功能，這種機(jī)器人被稱為“智能型”機(jī)器人。

微型機(jī)器人又稱為“明天的機(jī)器人”，它是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一顆新星，它同智能機(jī)器人一起成為科學(xué)追求的目標(biāo)。發(fā)展微型和超微型機(jī)器人的指導(dǎo)思想非常簡單:某些工作若用一臺結(jié)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴的大型機(jī)器人去做，不如用成千上萬個(gè)非常低廉的細(xì)小而極簡單的機(jī)器人去完成，這正如一大群蝗蟲去“收割”一片莊稼，要比使用一臺大型聯(lián)合收割機(jī)快。微型機(jī)器人的發(fā)展依賴于微加工工藝、微傳感器、微驅(qū)動器和微結(jié)構(gòu)四個(gè)支柱。這四個(gè)方面的基礎(chǔ)研究有三個(gè)階段:器件開發(fā)階段、部件開發(fā)階段、裝置和系統(tǒng)開發(fā)階段?，F(xiàn)已研制出直徑20微米、長150微米的餃鏈連桿，200微米×200微米的滑塊結(jié)構(gòu)，以及微型的齒輪、曲柄、彈簧等。貝爾實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出一種直徑為400微米的齒輪，在一張普通郵票上可以放6萬個(gè)齒輪和其他微型器件。德國卡爾斯魯核研究中心的微型機(jī)器人研究所，研究出一種新型微加工方法，這種方法是X射線深刻蝕、電鑄和塑料膜鑄的組合，深刻蝕厚度是。10～1000微米。

微型機(jī)器人的發(fā)展，是建立在大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上的。微驅(qū)動器、微傳感器都是在集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和化學(xué)腐蝕技術(shù)制成的。不同的是集成電路大部分是二維刻蝕的，而微型機(jī)器人則完全是三維的。微型機(jī)器人和超微型機(jī)器人已逐步形成一個(gè)牽動眾多領(lǐng)域向縱深發(fā)展的新興學(xué)科。

微型機(jī)器人可以在原子級水平上工作。例如，外科醫(yī)生能夠遙控微型機(jī)器人做毫米級視網(wǎng)膜開刀手術(shù)，在眼球運(yùn)動的條件下，進(jìn)行切除彈性網(wǎng)膜或個(gè)別病理細(xì)胞，接通切斷的神經(jīng)，在病人體內(nèi)或血管中穿行，發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞立即把它們殺死以及刮去主動脈上堆積的脂肪等。用微型機(jī)器人胃鏡可以放進(jìn)胃內(nèi)對胃進(jìn)行全面檢查。

想象的納米機(jī)器人

微型機(jī)器人的作業(yè)能力達(dá)到了分子、原子級水平，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了藝術(shù)家在頭發(fā)絲上作畫的程度了。微型機(jī)器人還可以用于精密制造業(yè)的加工，用它制造存儲量更大的電腦存儲芯片，以及加工精度極高的“超平面磨床”等。

應(yīng)用微型機(jī)器人技術(shù)，可以便各種各樣的航天測量變得更為輕巧，磁帶錄音機(jī)之類的家用電器也會變得更加小巧和多用，電視屏幕可以做得既大又薄，其上各點(diǎn)的光亮度，可以用微型機(jī)器人自動控制。微型機(jī)器人也將使機(jī)械學(xué)發(fā)生一場革命。

微型和超微型機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，它可以用于航海、農(nóng)業(yè);通信、航空航天、家庭和醫(yī)療等方面。例如:扔下成千上萬個(gè)微型機(jī)器人去咀嚼輪船底部的貝類和苔蘚，能節(jié)省航行能源。將成千上萬個(gè)微型機(jī)器人撒在土豆地內(nèi)，讓它們?nèi)ヒ篮οx，使土豆有好收成。飛行微型機(jī)器人載著濕度儀和紅外傳感器在田野上飛翔，當(dāng)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田有干旱現(xiàn)象時(shí)，便降落在灌溉系統(tǒng)的閥門上，將干旱信息傳輸給傳感器，打開閥門，定量灌溉農(nóng)田。

微型機(jī)器人可以攜帶攝像機(jī)和微型光纖，進(jìn)入人類無法到達(dá)的地方去觀察環(huán)境，存儲或傳輸圖像。當(dāng)?shù)叵码娎|斷了以后，讓成千上萬個(gè)微型機(jī)器人沿著屯纜爬行，爬到斷頭時(shí)，便讓雙手搭在前端斷頭上，于是微型機(jī)器人便成為連接導(dǎo)線，永久留在電纜上。

微型機(jī)器人可以清潔、修理空間望遠(yuǎn)鏡，檢查宇宙飛船熱屏蔽罩，給飛機(jī)機(jī)罩除冰。如果將大量的飛行微型機(jī)器人部署在其他星球上，機(jī)器人則可以發(fā)回各種所需的信息。

每天晚上可以放出微型機(jī)器人在商店和倉庫附近放哨，防止盜竊者進(jìn)入。微型機(jī)器人還可以在住房隱蔽處除塵，進(jìn)入家用電器內(nèi)部檢查和維護(hù)。

微型機(jī)器人能力的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有:智能，指感覺和感知，包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等;機(jī)能，指變通性、通用性或空間占有性等;物理能，指力、速度、連續(xù)運(yùn)行能力、可靠性、聯(lián)用性、壽命等。因此，可以說微型機(jī)器人是具有生物功能的空間三維機(jī)器。

盡管迄今尚未出現(xiàn)智能微型機(jī)器人，但是大部分的機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家都認(rèn)為到2040年，智能微型機(jī)器人將達(dá)到人的智力水平，也許還能達(dá)到人的意識水平。然后，智能機(jī)器人會得到進(jìn)一步改進(jìn)。人與機(jī)器之間最終將建立一種共生關(guān)系，兩者合并為能夠大大擴(kuò)展智力的“后生物體”。美國麻省理工學(xué)院人工智能專家馬文·明斯基預(yù)見到未來的智能機(jī)器人:人將把大腦的思維下載給計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器替身，形成幾乎無限的信息和數(shù)據(jù)。這種狀況標(biāo)志著人類一個(gè)新的開發(fā)階段的開始。

另有一種微型機(jī)器人，是由東芝公司和名古屋大學(xué)制造的。這個(gè)只有1.5厘米大小的微型機(jī)器人是靠液體壓力驅(qū)動橡皮制成的動作器而自由行動的，這種微型機(jī)器人不帶供給能源的纜線，可在內(nèi)徑只有6毫米的細(xì)管內(nèi)移動，且今后可能發(fā)展成為在血管中自行移動，是一種能治療或診斷疾病的微型機(jī)器人。

對于微型機(jī)器人，有的科學(xué)論著把其說成是一個(gè)模仿人，的動作的微型機(jī)器，其實(shí)不完全如此。美國麻省理工學(xué)院電動機(jī)工程師阿尼塔·弗林研制成功了一臺精密型機(jī)器人，它借助自身的動力，能爬行、步行、跳躍、旋轉(zhuǎn)，而且還具有視覺銳利、聽覺靈敏、感覺準(zhǔn)確的特點(diǎn)?，F(xiàn)在科學(xué)家們正試圖研制超微型機(jī)器人。他們預(yù)言，到2l世紀(jì)這種超微型機(jī)器人如果研制成功，它可以像紅細(xì)胞那樣注入人體內(nèi)，從溶解在血液內(nèi)的葡萄糖和氧氣中獲得能量，并按照編好的程序，探試、辨識、過濾、清除人體內(nèi)的病毒，保持肌體的健康。1994年8月，美國麻省理工學(xué)院的專家們開始研制高4毫米的帶馬達(dá)的微型機(jī)器人。據(jù)他們估計(jì)，這種微型機(jī)器人由于非常微小，能進(jìn)入人體做手術(shù)，再用十幾年時(shí)間，這種機(jī)器人就能試制成功，投人生產(chǎn)和使用。

將來的納米機(jī)器人可以合成你想要的任何東西，科學(xué)家設(shè)想在未來納米機(jī)器人的幫助下，我們甚至可以從因特網(wǎng)上下載硬件。這是邁特公司納米技術(shù)權(quán)威詹姆斯·埃倫博根作出的預(yù)測。該公司是五角大樓資助的、設(shè)在弗吉尼亞州麥克萊思的一家研究中心。

埃倫博根對他提出的下載硬件的景象作了引人入勝的解釋:“人們可以想一想當(dāng)今下載軟件是什么情形，是以改變分子團(tuán)磁性特征的方式重置磁盤的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。如果計(jì)算機(jī)的內(nèi)容不超過分子團(tuán)的體積，就可以通過重新排列磁盤上的分子制造芯片?！卑惒└f，研究人員已經(jīng)忙于研制體積只有針頭大小的計(jì)算機(jī)，“這種納米計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件比我們現(xiàn)今用在磁盤驅(qū)動器上裝載信息的物理結(jié)構(gòu)小得多。因此，在不久的將來，我們將能夠像今天下載軟件一樣從網(wǎng)絡(luò)里下載硬件?！?/p>

從物理意義上再生產(chǎn)一些硬件下載產(chǎn)品將需要新的磁盤驅(qū)動器。一種設(shè)想是用極為尖細(xì)的點(diǎn)束制造一種讀寫磁頭，以某種方式刺激原子和分子。利用十年來在掃描隧道電子顯微鏡及相關(guān)技術(shù)方面取得的研究成果，分別由斯坦福大學(xué)的卡爾文·奎特和康奈爾大學(xué)的諾埃爾·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)科學(xué)家小組從事這方面的研究。

埃倫博根說:“一旦我們掌握了制造體積不超過鹽粒大小的計(jì)算機(jī)的技術(shù)，我們就會從根本上處于一種新的形勢?！斌w積如此微小的計(jì)算機(jī)將非常便宜，因而隨處都可使用計(jì)算機(jī)。嵌在內(nèi)衣里的計(jì)算機(jī)將告訴洗衣機(jī)應(yīng)當(dāng)用什么水溫洗滌內(nèi)衣。圓珠筆筆芯中的墨水即將用完的時(shí)候，嵌在筆中的計(jì)算機(jī)將提醒你更換筆芯。嵌在鞋里的計(jì)算機(jī)將向汽車發(fā)出信號，把主人走過來的信息通知汽車，讓汽車調(diào)整好座位和反光鏡并打開車門。

科學(xué)家設(shè)想了一個(gè)叫做“納米盒”的東西，來實(shí)現(xiàn)上面的下載硬件的想法。這是一種把納米制造技術(shù)與現(xiàn)今所謂的臺式制造方法相結(jié)合的未來復(fù)印機(jī)。如果你需要一部新的蜂窩電話，你可以通過網(wǎng)絡(luò)購買一種制作蜂窩電話的方法。它將告訴你插入一個(gè)塑料片，把導(dǎo)電分子注入“色粉”盒中。納米盒將把塑料片來回移動，記下分子的形式，然后通過一定方法指引分子自行組裝成電路和天線。下一步是，納米盒利用不同的“色粉”加上號碼鍵、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，最后制造外殼。

不要指望在2020年以前能出現(xiàn)這種精巧的小裝置，下載納米級計(jì)算機(jī)電路的試驗(yàn)最早不會早于2005年。在隨后的10年中，納米制造系統(tǒng)可能用于“寫物質(zhì)”一初步生產(chǎn)納米芯片。

納米技術(shù)的一個(gè)分支分子電子學(xué)已經(jīng)朝著實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)取得了具體的進(jìn)展。由洛杉磯加利福尼亞大學(xué)和惠普實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家組成的研究小組找到了一種由分子自行組裝的所謂的邏輯門?；萜諏?shí)驗(yàn)室研究人員菲利普·庫克斯說，這個(gè)研究小組下一步的目標(biāo)是縮小芯片上的線路，旨在生產(chǎn)出“單邊為100納米的芯片”。他還說:“目前的芯片生產(chǎn)成本之所以非常昂貴，是因?yàn)樯a(chǎn)機(jī)械需要有極高的精確度。但是采用化學(xué)方法制造，我們可以像柯達(dá)公司生產(chǎn)膠片那樣，生產(chǎn)出長卷，然后只需切成小塊就行了。”

這樣的設(shè)想引起了華盛頓的興趣。美國國防高級研究計(jì)劃局已經(jīng)實(shí)施了一項(xiàng)分子電子學(xué)研究計(jì)劃。國會似乎急切地想大大增加納米技術(shù)的研究經(jīng)費(fèi)。一項(xiàng)計(jì)劃將使納米技術(shù)的研究經(jīng)費(fèi)在今后幾年中翻一番。白宮可能也會表示贊成，因?yàn)榘讓m已經(jīng)把納米技術(shù)列為11個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域之一。

邁特公司埃倫博根領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在最近取得的新成果是設(shè)計(jì)出一種用于組裝納米制造系統(tǒng)的微型機(jī)器人。目前設(shè)計(jì)出的這種機(jī)器人的長度約為5毫米。但是，假設(shè)能利用納米制造技術(shù)使這種機(jī)器人的體積不斷縮小，它最終的體積可能不會超過灰塵的微粒。

體積微小的機(jī)器人能夠像納米技術(shù)的倡導(dǎo)者埃里克·德雷克斯勒設(shè)想的那樣，用于操縱單個(gè)原子。德雷克斯勒在1986年出版的《創(chuàng)世的引擎》一書中對納米技術(shù)的潛在用途作了一番引人入勝的描述。應(yīng)該說是德雷克斯勒開創(chuàng)了納米技術(shù)時(shí)代，并啟發(fā)人們作出如下的種種設(shè)想:成群的肉眼看不見的微型機(jī)器人在地毯上或書架上爬行，把灰塵分解成原子，使原子復(fù)原成餐巾、肥皂或納米計(jì)算機(jī)等諸如此類的東西。

雖然用原子制造計(jì)算機(jī)仍然是一個(gè)相當(dāng)遙遠(yuǎn)的夢想，但是埃倫博根認(rèn)為很快能取得研究成果。他說:“我敢打賭，分子電子學(xué)近期內(nèi)能獲得突破?！边@似乎是為納米技術(shù)下的一個(gè)大膽的賭注。