NanoST 版 (精华区)

发信人: wxl (小亮), 信区: NanoST
标  题: 第四章 富足的发动机
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri May 13 08:45:33 2005), 转信

　　如果每件工具，在你命令它时，或者按照它本身的意愿，都可以去做它能做的事……那么就既不需要学徒也不需要奴隶了。
　　——亚里士多德　　

　　1981年3月27日，CBS新闻里提到了一位NASA科学家说工程师们可以在20年内制造出可以自复制的机器人，用在太空或地面上。这类机器可以复制自身，并且复制品可以被用来制造有用的产品。他对此深信不疑，只是不清楚何时能造出它们，他是非常正确的。

　　从1951年，John von Neumann（约翰·冯·诺依曼）概述了自复制机器的原理后，科学家就普遍承认了它们的可能性。在1953年沃森和克里克描述了DNA的结构，显示了生物体是如何传递信息并指导它们自身的建造的。生物学家由此掌握了很多细胞内的分子机器是如何工作的知识。发现它们遵循von Neumann描述的原理。象飞鸟证明了飞行的可能性一样，生命也普遍证明了自复制的可能性，至少是通过分子机器系统。那个NASA科学家，脑袋里的确有点特别的东西。


　　叮当作响的复制机

　　生物自复制机，例如病毒，细菌，植物，和人，使用分子机器。人造自复制机可以使用体积技术来代替，利用我们现在的体积技术，工程师们可以用来制造自复制机，在分子技术到来之前。

　　关于神奇的“生命力”的古老神话（加上认为熵增加会导致万物灭亡的错误观念）产生了一个meme，认为自复制机与自然规律冲突。这当然是错的，生物化学家们都知道细胞是怎样复制的，并且没有任何魔法在里面。而且，他们发现了组成细胞机器的所有原材料，供应的能量，和完成工作的指令。细胞确实在复制，机器人也能复制。

　　自动化的进步将自然而然地带领我们走向机械自复制机，无论是否设定了一个特别的目标。竞争的压力使我们发展了自动化，工厂对人工劳动的需求将会减少。富士-法纳克已经在一个工厂内实现了每天24小时不停的制造，而只有19个工人轮班值日，晚上则无人值守。这个工厂每月生产250台机器，其中100台是机器人。

　　最终，机器人可以做所有的机器人的组装工作，还可以组装其它的设备，制造需要的部件，开采矿山，开动发电机，为各种工厂供应原料和能源，等等。虽然这样的分布式工厂网络还不能组装能怀孕的机器人，但可以形成一个自扩张，自复制的系统。虽然组装机突破将必然在工业实现完全自动化之前到来，但是在此方向上的现代进步将朝向一种巨大的，叮当作响的复制机。

　　但是这样的系统如何能在没有人干预的情况下维护和修复自己呢？

　　想象一个自动化的工厂既能测试部件又可以组装设备。未通过测试的坏的部件被扔掉或者投入再循环。如果这个工厂同时还能制造机器的部件，那么维修也是简单的：只要拆开坏的机器，测试所有部件，替换损坏的部件，然后再把它们组装起来就行了。一个更有效的系统可以诊断问题而不用测试所有的部件，但这并不是必须的。

　　一个由机器人维持的巨大的工厂体系可以是有用的但是却是笨拙的。使用更聪明的设计和最小化不同的部件，原材料，工程师们可以把一个自复制系统装到一个盒子里——但是这个盒子可能还是很巨大，因为它必须囊括所有制造和组装各种部件的设备。有多少种不同的部件？和它自身所有的一样多。要造一个能生产和组装这么多部件的机器又需要多少部件和原材料呢？这很难估计，但是基于今日技术的系统将使用电子芯片，而制造这些玩艺儿可不是一个小复制机器可以办到的。

　　野兔可以自复制，但是它们需要预制的部件诸如维生素分子，可以从食物中得到这些使得它们只需较少的分子机器，而不必制造所有的东西。同样的，机械复制机也可以使用预制的芯片而不用去制造它们。它独特的“饮食”需求将使它融入一个机器的“生态环境”中，并加以限制。在一个NASA赞助的研究项目中，工程师们提议把这样的半复制机用在太空领域，使得太空工业可以仅接受一小部分从地球上带来的复杂部件就可以运作。

　　由于基于体积技术的复制机必须制造和组装它们的部件，所以它们必须包括所有的制造部件和组装部件的机器。这就凸显了分子复制机的优势：它们的部件是原子，而原子是早就预备好了的。


　　分子复制机

　　细胞可以复制，它们的机器复制它们的DNA，指导它们的核糖体机器去用简单分子建造其它的机器。这些机器和分子都活动于一个液体袋子里。袋子的膜可以让燃料分子，以及建造纳米机器，DNA，和膜本身的部件进来；把废料和坏的元件排出去。细胞通过复制膜内部的分子部件，把它们分成两块，然后收缩成两个包来复制自己。人造复制机可以用相似的方法来制造，但是使用组装机来代替核糖体。通过这种途径，我们就可以建造类细胞复制机，而不用受限于由柔软的，潮湿的蛋白质分子制造的分子机器了。

　　但是工程师们似乎更希望发展另外的复制途径。进化不能轻易地改变细胞的基本结构，但是这种结构是有缺陷的。例如神经突触，大脑中的信号细胞，通过释放化学分子来通知相邻细胞，这些化学分子聚集在一起直到被相邻细胞的感觉分子捕获，通常会产生一个神经脉冲。这种化学连接开关缓慢，神经脉冲的传导也慢于声速。如果用组装机，分子工程师们就可以建造比神经突触还小的计算机并且运算速度要快数百万倍。

　　突变和选择不能使神经突触便成机械纳米计算机，就好比农场主不能把马培养成小汽车。但是，工程师们已经造出了汽车，也将可以制造比大脑更快的计算机，和比细胞更能干的复制机。

　　某些这种复制机可能会一点也不象细胞，而是代之以把组装工厂缩小成细胞大小。它们内部的分子框架上布满纳米机器，通过传送带在机器之间运送部件，在外部有一套组装机械手臂来建造自身的复制品，一次一个原子或一个部件。

　　这些复制机可以复制得多快取决于它们的组装速度和它们的尺寸。想象一个先进的有一百万个原子构成的组装机：可能有亿万个移动部件，每个平均含有一百个原子——足够用来制造一个相当复杂的机器。事实上，组装机本身的形状象一个盒子，上面有一个约一百个原子长的短粗的机械臂。盒子上的装置可以把机械臂从一个位置移动到另一个位置，并且可以更换机械手上拿的分子工具。

　　在盒子后面有一个可以读磁带的装置，它可以触发移动机械手和更换工具的机械信号。在机械手面前的是未完成的结构，传送带把分子带给组装机系统，一些分子提供给马达能量，以带动磁带读取机，其它的作为组装原料。机械手们把原子挨个地送到由磁带指定的位置，化学键将使它们结合成牢固的结构。

　　这些组装机会工作得很快。一个快速的酶，如消化酶，可以每秒处理几乎100万个分子，不用机械传送和能量驱动装置就可以处理。看起来，组装机不可能在百万分之一秒之内完成抓住一个分子，把它移到指定地方的动作。但是小的附肢可以很快地移动，人的胳膊在一秒内可以上下挥动几次，手指可以更快速地拍打，苍蝇翅膀可以比人的胳膊的拍打频率快一千倍，因为它比人的短一千倍。

　　一个组装机的手臂大约只有人的手臂的五千万分之一那么小，所以它移动的速度会比人快五千万倍。所以对一台组装机来说每秒移动机械臂几百万次就相当于人每分钟举一次手：很慢的。所以这是一个合理的目标。

　　复制的速度同样也与它复制的整个系统的尺寸有关，组装机将不会自己复制自己，它们需要原料和能量，以及指令。普通化学品可以提供原料和能量，但是纳米机器必须能处理它们。聚合高分子可以象穿孔纸带那样提供编码信息，但是阅读机必须能把分子编码翻译成机械臂的运动指令。这部分就是复制机的本质：磁带提供指令指导组装机，阅读机，其它纳米机器和它本身的复制动作。

　　一个针对这种复制机的合理设计将会包含几个组装机械手和几个抓住和移动工件的机械手。每个这样的机械手都含有一百万个原子。其它的部件——磁带阅读机，化学处理器等等——将和组装机一样复杂。最后，一个灵活的复制机系统将可能包括一台简单的计算机，是我在第一章中提到的那种机械式的，这将增加约一亿个原子。总的来说，这部分将少于1.5亿个原子。假设总共有10亿个原子，包括冗余部分，每秒组装100万个原子，系统复制自身要用约1000秒，或15分钟多一点——大约和细菌在良好条件下的复制速率差不多。

　　想象这样的一台复制机漂浮在装满化学物质的瓶子中，复制着自己。在1000秒内复制出一个，10个小时后可以复制36个。一星期后复制品就能填满人的细胞了，一个世纪后，就是可见的一大块了，如果这就是复制机能做的全部，那我们最好还是忘掉它们吧。

　　然而，每个复制品都会造出更多的复制品，所以第一个复制机在1000秒内造出一个复制品，在另一个1000秒内这两个又复制出另外两个，然后这四个又造出另外四个，然后这八个又造出另外八个，在10个小时后，就不是36个而是680亿个了。一天之内，它们将重达一吨。两天之内，它们的重量会超过地球，再加四个小时，它们将超过整个太阳系——如果瓶子中的化学物质用不完的话。

　　连续加倍意味着指数式的增长，复制机会按指数翻倍，除非空间和资源受到限制。细菌就是按上面说的速率繁殖的。人类的复制要慢得多，但是如果给定足够的时间，他们也会耗尽有限的资源。对人口增长的关注永远是重要的。对快速工作的新的复制机的控制也将变得重要起来。
　　

　　分子与摩天楼

　　能抓住和定位单个原子的机器将能制造任何东西，通过把正确的原子放到正确的位置然后使它们键合的方法，象我在第一章结尾提到的。当然，一次一个原子地造太慢了。一只苍蝇中包含的原子，如果每秒能数100万个原子的话，要从恐龙出现的年代数到今天才能数完。分子机器可以制造实在的物质——不管怎样，它们造出了鲸鱼。

　　为了快速地制造物体，巨大数量的组装机必须协同工作，而复制机可以成吨地生产组装机。事实上，通过正确的设计，组装机系统和复制机的差别将完全在于组装机如何设计上。

　　如果一台可复制组装机可以在1000秒内复制自己，它也就可以在同样时间内建造其它的尺寸相当的东西。类似的，一吨复制机可以快速地制造一吨其它的东西——生成的产品中的无数原子都正确地排列，仅仅只有很少的错排。

　　为了能看到一种组装巨大物体的方法的能力和限制，想象一个圆盘上布满了小的组装机械手——象一支按级别整齐排列的程控复制机大军。在它们后面是传送机构和连接通道，提供反应分子，能量，和组装指令。如果每个机械手占据100个原子宽度，那么后面的供应体系大约占据10000个原子的体积。

　　看起来空间是足够的，一个有10或20个原子宽度的空间可以容纳一台输送机（或许基于分子链条和滑轮结构）。一条几个原子宽度的通道可以容纳一个分子棒，象在第一章提到的机械计算机那样，通过推或者拉分子棒来传递信号。所有的机械臂都在一起共同工作，一层一层地建造一个宽的，结实的结构。每个机械臂都在自己的位置上，负责每层中的10000个原子。一群每个可以每秒操纵1,000,000个原子的机械臂每秒将能建造100层原子。这听起来很快，但是按这种速度堆起一张纸那么厚的高度的原子需要大约一个小时，要堆成一米厚的板则需要超过一年的时间。

　　更快的手臂速度可以把组装速度提高到每天一米的厚度，但是它们将产生很多浪费的热量。按照每天一米厚板的速度，一平方米面积产生的热量可以烤熟几百份牛排，也可以烤熟整个机器。对于尺寸和速度来说，冷却问题会成为一个限制因素，但是还有其他的方法来快速制造而不产生过度的热量。

　　我们可以想象用粘结砂子的办法来盖一所房子。粘结每一层都会花去粘结机很多之间，建一堵墙可能要花10年的时间。现在想象先用机器制造出砂砖来，一座这样的制砖厂可以立刻造出很多砖来，然后用足够的垒砖机就可以很快用预制砖垒出一堵墙来。同样的，分子组装机通过与更大的组装机合作就可以很快地建造——这些机器的尺寸可以从分子大小一直到巨人般大小。通过这种方法，在制造部件的过程中产生的热量将很快消散。

　　摩天楼的建造和生命的建造也暗示了建造大物体的方法。巨大的植物和动物有循环系统，它们错综复杂的网络把原料带给分布在各处组织里的分子机器。摩天楼也一样，在造好了框架后，大楼的“循环系统”——它的电梯和走廊，在起重机的帮助下——把建筑材料带给建筑工人。组装机系统也可以使用这种策略，首先搭好脚手架，然后在各处同时工作，原料通过各种通道进入内部各处。

　　现在可以设想用这种方法来“生长”一台巨大的火箭发动机，全部工作都在车间里的一个大桶中完成。这个大桶——由闪闪发亮的钢制成，开有一个玻璃窗以便观察内部——高高地立在地面上，因为它要容纳整台发动机。很多管道和泵连到周围的仪器和冷却水交换器上，这种布置使得操作员可以控制各种液体进出大桶。

　　处理开始时，操作者把顶盖打开，放入一个建造发动机的基准平台，然后盖上盖子，按动一个按钮，一个泵开动向工作室充进一种粘稠的，乳白色的液体，先是淹没了平台，然后没过了窗口。这种液体来自于另一个桶，在那里自复制组装机被复制生产并且由新的指令磁带重新编程（有点象病毒感染细菌）。这个新的组装机系统，比细菌要小，可以散射光线所以使得液体呈乳白色，它们数量很多所以显得粘稠。

　　在基准平台中央，组装机液体漩涡的底部，有一个“种子”。它包含一个存储着发动机制造程序的纳米计算机，表面有可以附着组装机的突出部。当一个组装机粘上以后，它们就会插在一起，种子计算机把指令输入到组装机的计算机内。这个新程序告诉了组装机与种子的相对位置，指导它伸出它的机械臂勾住更多的组装机，一旦插接上后就进行同样的再编程过程。按照从种子来的指令（通过不断扩展的组装机网络传播），一种组装机晶体就从混沌的液体中生成了。由于每个组装机都知道自己的位置，它们将只会连接相关的组装机。这种网格比自然的晶体更复杂更不规则。在几个小时后，组装机脚手架就接近于火箭发动机的形状了。

　　然后桶外的泵再一次启动，把剩下的未连接的组装机液体抽走，代之以某种清澈的带有溶解混合物的有机溶剂和——里面含有铝化合物，富氧混合物，以及作为组装机燃料的混合物。当透明的溶液充满后，正在生长的火箭发动机的轮廓就可以从窗口中看见了，它看起来像一个用半透明塑料雕刻成的全尺寸模型。然后种子发出一个指令让指定的组装机释放它们的邻居并收回手臂。它们产生一股白色的束流冲刷整个结构，剩下的保持连接的组装机就形成海绵状的格子，现在有足够的空间工作了，桶内的发动机逐渐成形，几乎是透明的，带有一点彩虹的颜色。

　　每个保持连接的组装机，现在被微小的充满液体的管道所包围。组装机上的特殊手臂工作起来象鞭毛，驱动液体在管道中循环。这些动作，和所有其它被组装机操作的东西，都由以能量分子为燃料的分子马达驱动。象溶解的蔗糖可以为发酵提供能量一样，这些溶解的化学分子为组装机提供能量。流动的液体带来新鲜的燃料和原料，带走多余的热量，通讯网络把指令带给每个组装机。

　　组装机们现在准备好可以工作了，它们将要建造一台火箭发动机，主要由管道和泵组成。这意味着要建造具有复杂形状的强度高而重量轻的结构，一些结构要能承受高温，一些结构则充满了管子承载冷却液。在需要高强度的地方，组装机就会按照钻石的晶体结构用碳原子构造具有互锁纤维结构的杆棒，用这种材料，它们就可以建造能承受预期压力的晶格结构；在需要承受高温和耐腐蚀的地方（比如大部分表面），它们会按照蓝宝石的晶体形式用氧化铝建造类似的结构。在压力较小的地方，组装机就通过增大晶格间距离来节省材料；在压力较大的地方，组装机就加强结构直到保留的通道几乎不能让它移动为止；在另外一些地方，组装机们从传送带上卸下各种原料来制作传感器，计算机，马达，线圈以及任何需要的东西。

　　为了结束工作，它们建造围墙围住剩下的通道空间类似于封闭的细胞，撤退到外面然后抽空里面的液体，之后它们完全撤出进入循环液体之中。最后桶中的工作液体被抽干，一道射流喷射出来冲洗发动机，随着盖子的打开，完成了的发动机慢慢升起风干。它的制造只要不到一天时间并且几乎无需人工干预。

　　这台发动机的外观是怎样的呢？不象任何由金属焊接和铆接而成的东西，它是无缝的，象宝石一样的。它内部的空的单元阵列间距和光的波长相近，产生了额外的效果：象激光光盘那样产生衍射，形成变换的彩虹如同钻石。这些空的单元空间使得这种结构比我们所能造出的最轻最结实的材料还要好。与现代的金属引擎相比，这种先进引擎质量要轻90%。

　　轻轻敲击，会听见象一口音调很高的钟的回响。把它装在一个有同样结构的航天飞机上，将会很轻松地从跑道升空，进入太空并返回。它能经受长时间的恶劣环境的考验，因为它的结实的材料使设计者可以使用较高的安全系数。而且组装机使得设计者可以设计出在断裂之前就屈服的结构（延缓裂缝并阻止它们扩展），所以这台发动机既坚硬又结实。

　　尽管有所有这些优点，这台发动机基本上还是很传统的，它只是用精心设计的，轻的，结合紧密的原子结构代替了密集的金属结构。最后的产品中没有任何纳米机器。

　　更先进的设计将更深入地使用纳米技术。例如可以为它设计一套血液循环系统来适当地供应组装机和分解机，可以编程来修补坏的部件，只要使用者不断地供应这台发动机能量和原料，它就可以更新自己的结构。更先进的发动机也意味着更灵活。如果火箭发动机能根据不同的工作条件改变自己的形状的话，它们可以工作的更好，但是工程师们不能使大块的金属变的更强，更轻和更可塑。而使用纳米技术，可以制造比钢强度高，比木头还轻并且能像肌肉那样变形（纤维原理）的结构，因此发动机可以在基座上伸长，收缩，弯曲以提供向任意方向的冲力，并工作于各种条件下。通过适当编程的组装机和分解机，它甚至能在离开生长桶之后很久还能改变自己的基本结构。

　　简而言之，自复制组装机将成吨地复制自身，然后制造其它产品诸如计算机，火箭发动机，桌子椅子等等。它们也能制造分解机，通过分解石头来提供原料。它们可以制造太阳能收集器来提供能量。虽然很小，却可以造大的物体。大自然中的纳米机器集团建造了鲸鱼，种子复制机，把原子组织成巨大的纤维素，建造了红杉树，那么从一个大桶中生长一台火箭发动机也没什么奇怪的。基本上，如果给种植者合适的种子，他们就可以从土壤，空气和阳光中种出太空船来。

　　组装机实际上可以不费力地用普通材料制造出任何东西，替代冒烟的工厂的将是绿色的与自然和谐的系统，它们将从根本上改变技术和经济，为我们开放一个新的充满可能性的世界。它们将成为富足的发动机。　 


--

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.232.13]