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日期:2019-01-20 | 作者:缅甸小勐拉

分子马达诱人前景:打造纳米机器人

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  3月末,当世界“诞生”了第一只拥有15%人细胞的羊被披露,引来学术界沸沸扬扬:这只半人半兽的东西,它还是羊吗?不少科学家忧心如焚:这个物种违背自然法则,挑战伦理底线,并极可能带给人类新的疾病,一言以蔽之:它将给人类带来无法预料的可怕灾难。

  无独有偶,惊人眼球,在此前后有消息称:英国朴次茅斯大学凯斯·费尔曼博士等成功研制出DNA制动器或分子发电机。“这个史无前例的装置,在活的生物有机体和计算机之间建立联系架设了桥梁。它的应用前景令人异常兴奋。”这是否就是“人机”联姻的第一步?它的繁衍发展,又会带来什么全新的未知?

  DNA制动器或分子发电机,名字够酷的,“在活的生物有机体和计算机之间建立联系”,这句话听着也挺神秘。记者在地铁二号线陆家嘴站随机采访,大部分人是一头雾水,但有些科幻小说看多了兼想像力丰富的人,一听到这个消息,一下子就联想到什么“人工智能”,“机器人统治人类”,对这个东西的前景,既兴奋又忧虑……“《黑客帝国》那部电影里,机器不是都不用电了吗?直接把人吊起来,后脑插根管子,一头联到电脑上,人给机器提供能量,这不就等于DNA发电吗?你说的那个东西是不是这样呀?”有个二十几岁的小伙子最有想像力,还别说,听着确实挺有道理。

  “可以理解为生物直接提供动能,不过,这是在纳米也就是十亿分之一米级别的微观尺度上,平常意义的计算机是属于宏观尺度的,跟它搭不上界,更别说什么‘人工智能’了,就更风马牛不相及。”曾在美国宇航局长期担任纳米技术中心主任的韩杰博士说,这项研究属于生物纳米技术前沿,英国朴次茅斯大学是所名不见经传的二流学校,但却是这方面的佼佼者。他们所造出来的那个“DNA制动器或者分子发电机”,一般叫作分子马达。说它是“史无前例”纯属耸人听闻,2000年,贝尔实验室和牛津大学的研究者就已经成功开发了。

  分子马达的制造,来源于现代科学对生命运动的认识。花是如何绽放的?人是如何跑动的?吃下去的食物又怎样化为机械运动所需的机械能?早在1944年,量子力学奠基人薛定谔在《生命是什么》一书中,就提出了生命运动是由分子机器来实现的假想。但直到最近十年,科学家才撩开这个机制的部分面纱:生物体内存在着天然的分子马达,通常是酶蛋白大分子。它们的运动与ATP水解发生偶联,ATP储藏的化学能就直接转化成了机械能。ATP是什么?学过高中生物的人都知道,ATP的中文名叫三磷酸腺苷,它是生物体内的储能物质。像人体内ATP的总量大约有0.1摩尔,其中的能量跑个100米就全用完了,如果还要跑,就必须由血糖在无氧状态下,迅速合成新的ATP提供能量。

  无论是百米赛跑,还是DNA复制,生物体的一切定向运动都可以归因为分子马达的运动。“依靠先进的光钳技术,我们可以观察到分子马达的运动方式,不同类别分子马达的运动不一样,有的长了两条‘腿’,跟人一样迈步走,有的分成定子和转子,转子绕着定子做旋转运动。”上海交通大学机电设计与自动化研究所所长、博士生导师王石刚说。

  发现分子马达的存在后,科学家马上想到:应该控制它,让它动就动,不动就不动。复旦大学先进材料实验室的副教授易涛告诉记者,现在常用的方式有三种:化学驱动、光驱动和电驱动。朴次茅斯大学造的那个,是电驱动的,易涛自己则是研究光驱动分子马达的,“方向不同,但殊途同归。”

  那么,由人类控制的分子马达究竟又有何用?于是有了一个很诱人的前景:打造纳米机器人。

  无数科幻小说描写过这样的情景:一个很小很小的机器人,比你的细胞还小,所以就可以进入体内的任何一个细胞,如果给予指令,它就能在你的身体里随意活动,吞噬病菌,杀死癌细胞,或者干脆把基因中的有害部分给一刀“喀嚓”了……医生出诊,完全不用带什么药啊针啊,口袋里装上这么一大把的机器人,根据病人的情况,请他吞下一些机器人,或者从皮肤上切开一个小口子,把机器人送入病人的身体里,其他的事,让机器人自己完成。

  这就是纳米机器人。目前人类还无法制造这么小的机器人,一部分原因是找不到足够小的动能装置。王石刚教授告诉记者,分子马达既然能把生物能转化为机械能,一旦被人类完美地控制,就完全可以充当纳米机器人的发动机。你也可以把分子马达看成一个最简单的纳米机器人,像一种长了两条“腿”的肌球蛋白分子马达,可以做线性推进运动,在人体内,它的一大作用是在细胞内搬运小泡等物质,理论上,如果再给它装个筐,它也能运我们想运的其他东西。

  目前,科学家还在研究怎样把多个分子马达组合,或把它们和其他分子联系,组成一个稍微“复杂”的机器。在实验室里,科学家已经做成了由350个原子组成的螺旋桨、2.5纳米大小的升降机、3纳米的剪刀,这些都可以算是纳米机器人的雏形。当然,人类最终的梦想是让这个机器人跟宏观世界的机器人一样,完成任何复杂的操作。

  这是个令人无比激动的远大前景———1959年,诺贝尔奖获得者、继爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家费曼,曾做过一次名为《在物质底层有大量的空间》的演讲。他预言,人类可以把分子甚至单个的原子作为构件,在最微观的空间构建物质。这话有点专业。用通俗的话讲,人类可以制造出任何东西,比如,用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人,真的会“点石成金”———把碳原子一个个组织起来,变成精美的钻石,它也可以把蛋白质、脂肪等分子一一组合,制成奶酪……

  韩杰博士开玩笑说,做纳米研究的科学家“都特别心灵手巧”,这只是打个比方,是指他们的实验操作水平很高。但再心灵手巧,由于条件限制,把分子组装起来做机器人,成功率也相当低。对于科学家来说,有个好消息,未来的纳米机器人或许并不需要一个零件一个零件组装起来。有些生物分子拥有自组合的性质,比如构成生物膜的脂类分子,是一端亲水另一端疏水的双亲性分子,它们在水溶液中会自组合成双分子的层微囊泡。利用这种自组合性质,可以让纳米机器人自己完成零件组装。另外,一旦一个纳米机器人制造成功,生物的DNA还具有自我复制的特性,如果输入相关指令,由生物分子组成的纳米机器人就可以完成自我复制,从一个变为上亿个。

  英国宇宙学家马丁·里马上就要出版新书《最后的世纪》。在这本书中,他预言,地球在未来200年内将面临十大迫在眉睫的灾难,人类能够幸免的机会只有50%。其中一大灾难,就是纳米机器人。

  这不是什么新鲜线年,美国的未来学家德雷克斯勒在一本名叫《造物引擎》的书中就发出预言,能够进行自我复制的纳米尺度机器人,最后会失去控制,开始疯狂地复制自身,在很短的时间内就把地球变成一大团完全由纳米机器人组成的“灰色粘质”,一种像肥皂泡一样粘乎乎的物质。即使这样的场景不发生,纳米机器人暂时忘记停止复制也是件恐怖的事。比如,一个正在人体内工作的纳米机器人,忽然以比癌细胞扩散还要快的速度,把自己无穷复制,吞噬布满正常组织;一个发了疯的制造食物机器人,把地球的整个生物圈都变成了一块巨大的奶酪……为此,一些绿色环保组织呼吁:人类应该停止研究纳米机器人。

  “过去人们还担心,纳米机器人的某些分子是不是会遗留在人体内,从而造成不可估量的损害,对新技术的未来,总是有人充满恐惧。”王石刚教授说。

  追根究源,我们最害怕的,还是纳米机器人不听人类的控制和指挥。这取决于融入了生物分子、或干脆就是生物分子组成的纳米机器人,会不会发展出自己的智慧。如果进化论是完美无缺的,如果人类的理性像达尔文所说,并非上帝所给,而是物竞天择的结果,那这并非没有可能:纳米机器人拥有DNA,可以复制自身,就好像原始地球的初级生命草履虫以分裂来繁衍一样,既然草履虫能够最后进化成人类,那纳米机器人会不会也进化出一个大脑来?

  在微观层面上,纳米机器人正在打破生物和机械的界限,在宏观层面上,生命和机器天然的界限也出现了裂缝:瑞士洛桑理工学院亨利·马卡兰教授正在制造“人造老鼠大脑”,一个电脑模拟的大脑。经过艰辛努力,马卡兰教授已经制造出了一个模拟幼鼠一部分大脑的模型。而最近,他提出了更加雄心勃勃的“蓝脑”计划:2008年先用啮齿动物做实验,2011年后试图组装一个猫的大脑模型,然后可能还会模拟猕猴的大脑,最终希望在2015年制造出“人类大脑”模型。

  芯片可以模拟神经元细胞的活动,机器就能获得生命,机器不会生病,不会死,相对人类更优越,有一天,机器会统治人类,人类则被机器驯养———这就是《黑客帝国》所讲述的人类未来,也是哲学家迈克尔·莱姆在其著作《虚拟现实的形而上学》所提出的问题。

  科幻小说家阿西莫夫曾说,“科技发展到最后就是魔法。”每一种新技术的出现,似乎都包涵着无限可能,即使制造出分子马达的费尔曼博士自言,这项技术才刚刚开始,要达到最基础的应用,至少还要再等20或30年。但人类如何正确引导技术,已经成为许多科学家思索的问题。

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