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——道格拉斯·霍夫施塔特
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纳米型迷你烤面包机和普通烤面包机相比有什么优势呢？首先，它占用的空间小了许多。其次，另一层不容忽视的哲学意义在于，一旦创造了世界上最小的烤面包机，这就意味着世界上最小的面包片也出现了。根据量子极限，我们一定会碰到极小的面包微粒，我们姑且称之为“面包丁”（croutons）吧。
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——吉姆·切尔，《不可思议研究年鉴》 （Annals of Improbable Research），马克·亚伯拉罕斯编
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人类早期使用的工具都是现成的物体：用来刨土挖根的木棍，用来打开坚果的石头。我们的祖先经过上万年时间才发明了锋利的刀刃。而今我们制造的机器设计精湛，机理细致考究。但若从原子层面审视这些机器，我们的技术仍十分粗糙。施乐帕洛阿尔托研究中心纳米技术首席研究员拉尔夫·默克勒（Ralph Merkle）说道：“铸、磨、碾、刻的过程都有原子的大规模移动。”他还认为目前的制造方法“就像戴着拳击手套搭积木，只能进行粗糙的宏观建造……在未来，纳米技术会帮助我们摆脱拳击手套，进行更细致的操作”。
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纳米技术是建立在原子层面上的技术，是用一个个原子制造机器的技术。纳米（nano），是指10亿分之一米，长度相当于5个碳原子的直径之和。纳米技术的可行性已经得到了证实：地球上的生命体便能说明这一点。存在于人体细胞中的核糖体如同小型机器，负责有机体的建造，比如建造人类身体时，核糖体根据DNA中的电子密码模板，一次制造一个氨基酸分子。地球上的生命已经掌握了纳米技术的终极目标，即自我复制。
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但如上所述，地球上的生命体中特殊分子的建造材料已被选定，所以其建造过程也受到限制。人类创造的计算技术最终会超越自然计算（电子回路已经比人类神经回路快了上百万倍）。同样，21世纪的物理技术也终将超越自然界以氨基酸为基础的纳米技术。
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用原子制造机器的概念于1959年首次出现，美国物理学家理查德·费曼在加州理工学院一次题为“底部存在无限可能”（There’s Plenty of Room at the Bottom）的演讲中提出了这一想法，他也是首位提出“量子计算”概念的科学家。420年之后，美国纳米工程师埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）在其著作《创造的发动机》（Engines of Creation）5中进一步深化了原子建造机器的想法。正是他的这本著作引发了20世纪90年代的人体冷冻运动，当时的人们企图将自己的大脑（连同身体或不带身体）冷冻起来，希望未来的分子技术能攻克他们的不治之症，并且大脑不会因冷冻和解冻受损。当然，未来一代是否有兴趣把这些大脑全部解冻又是另外一个问题了。
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《创造的发动机》一书出版后，德雷克斯勒的观点遭到了人们的质疑，虽然当时马文·明斯基已同意担任其博士导师，但他在麻省理工学院根本找不到委员会负责他的博士论文答辩。德雷克斯勒的博士论文最终在1992年成书出版，名为《纳米系统：分子机器、制造与计算》（Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation），书中就其观点列出了强有力的证据，包括详细分析和具体设计方案。6一年后，首届纳米技术研讨会举行，参会的仅有几十人。到第五届时（1997年12月），参会科学家达到350位，他们个个对自己的专业研究项目信心满满。据工业智库Nanothinc当时的估算，仅在1997年，微型机器、微细加工技术、纳米刻蚀、纳米级显微镜等纳米技术领域已产生了年均50亿美元的利润，并且这个数值还在逐年翻番增长。7
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纳米管时代
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微型机器的主要建造材料便是纳米管。虽然纳米管建立在微小的原子层面上，但其中碳原子的六边形结构非常牢固稳定。因发现足球烯获诺贝尔化学奖的美国化学家理查德·斯莫利说道：“有了纳米管，你可以随心所欲，它们绝对不会让你失望。”纳米管制造的汽车重量不过50磅[1]，却比钢铁材质的汽车坚固百倍。用纳米管建造的宇宙飞船可与美国航天飞机相媲美，重量却比一辆普通轿车还要轻。
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与建造人体的脆弱氨基酸相比，纳米管还耐受高温。此外，纳米管的可塑性也很强，可以制成各种形状：线状、柱状、轮状，不一而足。由于纳米管的成分为碳原子，而自然界中碳资源丰富，所以也不用担心纳米管会供应不足。
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我之前还说到纳米管可以用来做高效运算，所以21世纪的新型结构技术和计算技术极有可能都由纳米管制造而成。事实上，纳米管既可以用来建造实体结构，也可用作计算，所以未来纳米机器的大脑将分布在机器的各个部位。
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纳米技术运用的典型案例虽未得到普及，但我们从中可以看到在原子层面进行工程建造的可行性。IBM公司就曾以单个原子为像素设计了公司商标。8全球最大的半导体公司之一得州仪器1996年制造了一台带有50万面可移动反光镜的设备，仅有芯片大小，应用于小型高分辨投影仪中，1997年，该公司的纳米反射镜销售额高达一亿美元。
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加州大学洛杉矶分校的何志明（Chih-Ming Ho）博士正在设计一种飞行器，其表面覆盖有微型翅翼，充当普通飞机翅翼控制气流的角色。施乐帕洛阿尔托研究中心的安德鲁·伯林（Andrew Berlin）正致力于研究在打印机中利用微型空气阀准确移动纸张。
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康奈尔大学研究生、摇滚音乐家达斯廷·卡尔（Dustin Carr）制造了一把外形逼真的微型吉他，上面的琴弦直径仅有50微米。这把吉他可以正常演奏，但是人的手对于它来说太大了。此外，这把吉他琴弦每秒振动频率为1 000万赫兹，远远超出了人类可听到的声音频率20 000赫兹。9
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自我复制的最高圣杯：微型手指和微型智力
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微型手指象征着纳米技术领域的最高圣杯。有了微型手指和精细运算，纳米机器就能建立自己的小人国，并拥有缩小版的人类世界，包括环境复制的智慧和能力。因此，这些纳米机器也能自我复制，实现其专业领域的目标。
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自我复制之所以如此重要，是因为一次建造一台微型机器成本极高，为了提高效率，我们必须生产上亿台纳米机器，而要低成本地实现此复制，唯有通过组合爆炸的方法，即机器的自我复制方可实现。
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德雷克斯勒、默克勒（信息加密的主要方法——公共密钥加密的共同发明者）和其他研究学者已确切描述出如何建造能自我复制的纳米机器人。有趣的是，我们要给纳米机器人配备灵活的双臂和双手，让它可以制造自己的复制品。我们还需要给它自由活动的能力，让它自行寻找原材料；需要给它一些智慧，让它能解决制造过程中的小问题，毕竟复制一个与自身一样复杂的机器人是有难度的。最重要的一点，就是让纳米机器人知道什么时候终止复制。
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在现实世界中变形
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在原子层面上建立起的自我复制机器可以改变我们生活的世界。他们能制造成本低廉的太阳能电池替代麻烦重重的化石燃料。由于太阳能电池需要大面积接触阳光、收集能量，我们可以把它们送上太空轨道，让它们将能量传递回地球。
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纳米机器人进入人体血液后能强化原有的免疫系统，找到并摧毁病原体、癌细胞、动脉斑块和其他致病因子。从引发人体冷冻运动的想法来看，患病器官可以被重建。我们可以从分子层面部分或全部重建人体器官和系统。上一章节中我谈过有关人类神经运算功能的反向工程与模拟，同样，我们也可以反向建造并复制任何人类细胞的物理和化学作用机制。在此过程中，我们的分子建造材料在稳定性、强度、可承受温度等性质和能力方面将大大提升。
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之后，通过重新设计并使用更多样、更稳定的材料建造细胞，人体内便能长出结构更结实、功能更强大的器官。日久之后，我们会发现一些对身体的重新设计在不同方面都发挥了作用。比如，如果人体内细胞不再受传统病原体的影响，那相应的免疫系统就失去了存在的意义。但是随着新型纳米病原体的出现，我们会需要其他纳米工程的免疫保护。
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食品、衣物、钻戒和建筑都可按分子组装制造。我们可以随时随地创造出我们需要的任何商品，事实上，世界也在不断重组自己以满足我们日益变化的需求、愿望和梦想。但到了21世纪末，纳米技术能在几秒内实现物体外观和其他特性的改变，如家具、建筑、衣物，甚至还有人类——它们或有可能完全变成另外一种物体。
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这些技术都会慢慢出现、兴起（本书第三部分中我会尝试描画出纳米技术在21世纪每隔10年的进展变化）。在纳米技术的道路上，我们走下去的动机很明确。如果能选择，人们必然希望自己的骨骼坚实、肌肤细腻、生命系统坚不可摧。通过在心灵层面进行神经植入、在生理方面进行纳米加固，我们确能改善生命，因此，这项技术将越发普及和受欢迎。这将会是又一次滑坡谬误——显然没有什么能阻止这项进程，直至最终纳米材料大规模取代原有的大脑与身体。
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