從精密制造到改變生命,被低估的納米機(jī)器人
文/觀察未來科技
當(dāng)前,隨著人們更深入地探索由分子和納米粒子構(gòu)成的表層量子宇宙,科技的發(fā)展正朝著微觀世界延伸而去,并重新想象各種可能性。許多人可能并沒有意識到,納米技術(shù)已經(jīng)在為我們生產(chǎn)各種日用品了。
現(xiàn)在的很多防曬霜就含有納米粒子,它們可以幫助吸收危險的紫外線,另外,納米粒子還可以更平滑地覆蓋在人體皮膚表面。類似的納米粒子還被使用在食品的包裝上,以減少紫外線對食品的照射,從而延長食品的保質(zhì)期。有些用于碳酸飲料的塑料瓶現(xiàn)在也含有納米黏土,而這種材料可以讓碳酸飲料的保質(zhì)期延長數(shù)月之久。當(dāng)然,納米技術(shù)的意義遠(yuǎn)不止于此。
基于納米技術(shù)的納米機(jī)器人正在拓寬人類物質(zhì)世界的邊界,并且以很多種不同的方式重塑制造、醫(yī)療等領(lǐng)域的概念,帶來可以顛覆未來的想像。
3D打印和納米機(jī)器人
3D打印是根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)字特征,逐層制造產(chǎn)品的技術(shù)。制造時先鋪設(shè)一層超薄的底層材料,然后層層香加,直到形成完整的立體產(chǎn)品。當(dāng)然,3D打印不僅限于對消費(fèi)者進(jìn)行掃描,然后制作成可以放在婚禮蛋糕上或者共他任何地方的玩偶,盡管這看上去非常新潮。
更重要的是,3D打印作為先進(jìn)制造技術(shù),是未來制造的必經(jīng)之路,其顛覆效果至少不低于20 世紀(jì)的流水線生產(chǎn)。比如,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,3D打印能夠?yàn)榛颊咧圃焘伜辖鹣骂,包括與真實(shí)頜骨相連接的鉸接關(guān)節(jié),可以容納靜脈和神經(jīng)再生的凹槽等。3D打印在假肢制造也具有無可比擬的優(yōu)勢。
使用3D打印的另一個例子則是制造原型產(chǎn)品,比如,在風(fēng)洞中進(jìn)行測試的飛機(jī)原型。3D打印之所以被廣泛用于原型生產(chǎn),而不是后線的大規(guī)模生產(chǎn)的一個原因是,原型生產(chǎn)更強(qiáng)調(diào)靈活性,而大規(guī)模生產(chǎn)則更強(qiáng)調(diào)效率。在生產(chǎn)效率方面,3D打印暫時還無法與傳統(tǒng)的制造方法相比。
與此同時,另一個橫亙在3D打印技術(shù)前的障礙,就是3D打印技術(shù)的精度問題。不可否認(rèn),3D打印許諾了人們一個美好的制造前景。未來,當(dāng)我們想要購買時,或許,我們只需要收到一份該產(chǎn)品的數(shù)字設(shè)計圖文件,然后只要將該文件輸人我們自己的便攜式多功能 3D打印機(jī),就可以快速將它生產(chǎn)出來。但不可忽略的因素是,3D打印的精度,決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
當(dāng)然,現(xiàn)在的3D打印設(shè)備所使用的原材料范圍非常有限,并且其精度對很多應(yīng)用來說都不夠。通用3D打印技術(shù)的發(fā)展只有達(dá)到納米技術(shù)領(lǐng)域,即以原子或分子的精度操控物質(zhì),或者是在操控物質(zhì)時,其某一個空問的維度至多延伸100納米,才能夠滿足原子級的精確制造。
而從3D打印機(jī)到原子精確制造,精度上將有一個非常大的跨度。比如,制造下顎的先進(jìn) 3D 打印機(jī),其打印的每層厚度約為30微米,相當(dāng)于100000層原子的厚度,因此,要想每次只控制一層原子,意味著精度要提高100000倍。
對于未來制造而言,一個不可回避的問題是,人類最終能實(shí)現(xiàn)哪種程度上的原子精確制造?而人們把這個問題聚焦于納米層面的原因在于,納米尺度要比顯微尺度小1 000倍,并且比我們每天體驗(yàn)到的米級尺度的世界小10億倍。這與我們所知的宏觀世界截然不同,納米是一個度量微觀世界的長度單位,納米特殊的長度,也賦予了納米特殊的性質(zhì)。
而要想實(shí)現(xiàn)高精度的原子精確制造,其中的一個可行性,就是納米機(jī)器人——納米機(jī)器人的手臂,可以把分子片段或單個原子輸送并安置到指定位置,其中的關(guān)鍵就是機(jī)器人手臂尖端的化學(xué)性質(zhì)。
不過,對于原子精確制造在生物學(xué)之外的可行性,納米技術(shù)專家們則有不同的觀點(diǎn)。美國國家科學(xué)院2006年的一份報告表達(dá)了這種不確定性:
“如今,盡管可以從理論上計算,但是還不能可靠地預(yù)測化學(xué)反應(yīng)最終可達(dá)到的周期范圍、錯誤率、反應(yīng)速度,以及這種自下而上的制造系統(tǒng)中的熱力學(xué)效率。因此,雖然可以從理論上計算所制造產(chǎn)品的完美性和復(fù)雜性,但還不能準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)際產(chǎn)品性能!
改變生命的可能
除了在精度制造領(lǐng)域有所作為,納米機(jī)器人更具有前景的應(yīng)用,則表現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域——實(shí)際上,人體才是這個世界上最為精密的機(jī)器。
在人體中只有43%的細(xì)胞是人體細(xì)胞,而其他細(xì)胞都是極其微小的“殖民者”,這些細(xì)胞包括數(shù)以萬億計的細(xì)菌、病毒、霉菌以及古生菌。這也給納米機(jī)器人提供了一個廣闊的用武之地。顯然,在這些除了人體細(xì)胞之外的微生物中,再添加數(shù)百萬個納米機(jī)器人并不是一件不可能實(shí)現(xiàn)的事情,更何況納米機(jī)器人還能夠改善我們的生活和健康狀況。
其中,一個科學(xué)家們已經(jīng)在跟進(jìn)的研究是,把大量納米機(jī)器人放進(jìn)人類的血液里。美國物理學(xué)家羅伯特·弗雷塔斯就是這項(xiàng)研究的最重要的前瞻人物和倡導(dǎo)者之一。弗雷塔斯認(rèn)為,老年化是一種可治愈的疾病,而通過納米機(jī)器人,或許很快就能治愈衰老:“雖然我們今天還不能制造這樣的微型機(jī)器人,但到 21 世紀(jì)20年代或許可以造出來!
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)給出了明確的結(jié)論,衰老是由于 “基因組不穩(wěn)定、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質(zhì)抑制失調(diào)、營養(yǎng)素感應(yīng)失調(diào)、線粒體功能障礙細(xì)胞衰老、千細(xì)胞耗盡、細(xì)胞間通信變化” 等引發(fā)的人體大分子、細(xì)胞和組織的積累性損傷。按照弗雷塔斯的說法,所有這些損傷都可以用納米機(jī)器人修復(fù)。
納米機(jī)器人將能夠穿越血液,然后進(jìn)入或接近細(xì)胞,執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù),如清除毒素,清掃細(xì)胞碎片,糾正DNA 錯誤,修復(fù)和恢復(fù)細(xì)胞膜,逆轉(zhuǎn)動脈粥樣硬化,調(diào)節(jié)激素、神經(jīng)遞質(zhì)和其他代謝物的水平,以及其他許多任務(wù)。
另外,在未來,納米機(jī)器人或許還能夠掃描大腦,包括用來研究大腦的功能,實(shí)現(xiàn)對大腦的逆向工程,制造廣義人工智能,最終再把人類的思維上傳到計算機(jī)中!镀纥c(diǎn)臨近》的作者庫茲韋爾就在書里這樣展望:數(shù)十億個納米機(jī)器人可以穿過大腦中的每一根毛細(xì)血管,近距離掃描每個相關(guān)的神經(jīng)特征。納米機(jī)器人還將使用高速無線通信彼此聯(lián)絡(luò),并與計算機(jī)相連接,根據(jù)掃描數(shù)據(jù)編制數(shù)據(jù)庫。
不過,就當(dāng)前來說,一項(xiàng)更加貼近現(xiàn)實(shí)的納米機(jī)器人應(yīng)用,則是利用納米機(jī)器人來擺脫癌癥。亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家就采用“DNA折紙術(shù)”設(shè)計了一隊(duì)納米機(jī)器人來尋找和消滅癌癥腫瘤,同時確保健康細(xì)胞不受損傷。這些納米機(jī)器人通過瞄準(zhǔn)腫瘤的血液供應(yīng)、阻斷血液的流動來發(fā)揮作用。因?yàn)樗械哪[瘤都需要血液才能夠存活下來,因此,這項(xiàng)技術(shù)也具有治療多種不同癌癥的潛力。
研究人員認(rèn)為,將多種不同的經(jīng)過合理設(shè)計的納米機(jī)器人混合在一起,然后再讓它們攜帶不同的藥劑,或許可以幫助達(dá)成癌癥研究的最終目標(biāo),即根除實(shí)體瘤,消滅腫瘤的血管浸潤轉(zhuǎn)移。
不過,將一隊(duì)納米機(jī)器人注入血管是一回事,而將它們引導(dǎo)到正確的位置就是另一回事了。在普渡大學(xué),研究人員率先嘗試了使用超聲波和磁場來引導(dǎo)這些微型機(jī)器人。這種做法不僅可以為納米馬達(dá)提供動力,還可以引導(dǎo)它們在人體內(nèi)部走向正確的位置,只有到了正確的位置它們才有可能參與對癌癥進(jìn)行治療、在指定的位置供藥,或者繪制出人類大腦的具體結(jié)構(gòu)。
對納米機(jī)器人的擔(dān)憂
從納米機(jī)器人的優(yōu)勢角度來看,庫茲韋爾的說法是:“我們血液中的智能納米機(jī)器人會保護(hù)我們的細(xì)胞和分子,進(jìn)而維持我們的健康。這種納米機(jī)器人還會通過毛細(xì)血管進(jìn)入大腦,并與我們的生物神經(jīng)元互動,直接擴(kuò)展我們的智力。基于加速回報定律,在未來的30年間,這些技術(shù)的功能會比現(xiàn)在強(qiáng)大十億倍!
但凡事都具有兩面性,正如人們對人工智能的擔(dān)憂一樣,納米機(jī)器人也可能失控——能夠吞噬斑塊、摧毀癌細(xì)胞并殺死細(xì)菌的納米機(jī)器人也有可能會犯錯,敵我不分地開始吞噬我們的身體。
另一種的擔(dān)憂,則是對納米機(jī)器人的增長速度超出控制的擔(dān)憂。究其原因,最可能用來制造納米機(jī)器人的原料是碳,因?yàn)樗哂歇?dú)特而靈活的化學(xué)特性。由于同樣的原因,碳也是生物有機(jī)體中的主要成分,這使得它有可能成為自我復(fù)制納米機(jī)器人的理想原料,用來生產(chǎn)更多的納米機(jī)器人。逃出人類實(shí)驗(yàn)室控制的納水機(jī)器人,可能會在數(shù)周內(nèi)就消耗掉整個生物圈。
這種假設(shè)性的場景導(dǎo)致人們提出所謂的“灰色末日”理論。這將是一個災(zāi)難性的場景,可以自我復(fù)制的納米機(jī)器人在失去控制后逐漸消耗完地球上所有的生物物質(zhì),并將每一種活的生物體都轉(zhuǎn)變成了一堆灰色的糨糊。《瘟疫年》這本小說就描寫了失控的納米技術(shù)通過傳染的方式吞噬了居住在10000英尺高空以下的所有溫血生物。這迫使剩下的人類逃往了更高的樓層,并在那里掙扎求存。
當(dāng)然,這是最為悲觀的擔(dān)憂,而還有一種中間立場提供了避免“灰色末日”出現(xiàn)的可能。一方面,只要人類遵守某種安全協(xié)議,就可以繼續(xù)開發(fā)納米機(jī)器人技術(shù);另一方面,如果我們忽視這些預(yù)防措施,它就很有可能變成真正的危險。
而對于如何讓納米機(jī)器人以受控、 安全的方式進(jìn)行自我復(fù)制中,一個關(guān)鍵的看法是,一個物體(無論是生物體還是機(jī)器人)的自我復(fù)制能力總是與其所處的環(huán)境密切相關(guān)。即使是一套鐵匠的工具,也可以在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下打造出一套一模一樣的新工具,這也可以被描述為自我復(fù)制。自我復(fù)制永遠(yuǎn)需要原材料和能量的供應(yīng)。因此,如果我們構(gòu)建的自我復(fù)制機(jī)器中,包含某些自然環(huán)境中不具備的材料,就可以避免納米機(jī)器人的復(fù)制失控。
當(dāng)前,通過在最微觀的層次上掌控物質(zhì)世界的組成模塊,我們正在重塑我們周圍的一切。事實(shí)是,未來的某一天我們或許會變得非常依賴這種技術(shù),因?yàn)槿祟惖臄U(kuò)張欲望將會繼續(xù)推動人們向內(nèi)沉入這個由亞原子主導(dǎo)的領(lǐng)域,同時更進(jìn)一步地向外深入未知的宇宙。而當(dāng)人們在這兩個方向上走得越遠(yuǎn)時,或許也將會越清醒地認(rèn)識到人類的渺小和宇宙的浩瀚。
原文標(biāo)題 : 從精密制造到改變生命,被低估的納米機(jī)器人
請輸入評論內(nèi)容...
請輸入評論/評論長度6~500個字
圖片新聞
最新活動更多
-
11月19日立即報名>> 【線下論壇】華邦電子與恩智浦聯(lián)合技術(shù)論壇
-
11月29日立即預(yù)約>> 【上海線下】設(shè)計,易如反掌—Creo 11發(fā)布巡展
-
即日-12.26火熱報名中>> OFweek2024中國智造CIO在線峰會
-
精彩回顧立即查看>> 2024(第五屆)全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大會暨展覽會
-
精彩回顧立即查看>> 全數(shù)會2024中國人形機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展大會
-
精彩回顧立即查看>> OFweek 2024中國激光產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展峰會
-
10 BD新浪潮
- 高級軟件工程師 廣東省/深圳市
- 自動化高級工程師 廣東省/深圳市
- 光器件研發(fā)工程師 福建省/福州市
- 銷售總監(jiān)(光器件) 北京市/海淀區(qū)
- 激光器高級銷售經(jīng)理 上海市/虹口區(qū)
- 光器件物理工程師 北京市/海淀區(qū)
- 激光研發(fā)工程師 北京市/昌平區(qū)
- 技術(shù)專家 廣東省/江門市
- 封裝工程師 北京市/海淀區(qū)
- 結(jié)構(gòu)工程師 廣東省/深圳市