无穷小的作用无穷大。
——路易斯·巴斯德
但是我不怕考虑那个终极的问题，即最终在遥远的未来，是否可以按照我们的期望来排列原子，原子按照我们的方式排列！
——理查德·费因曼
纳米技术具有增强人类行为的潜力，可以带来资源、能源和食物的可持续发展，可以保护人们免受未知的细菌和病毒的侵害，甚至是（通过为全人类创造幸福生活）消除破坏和平的缘由。
——美国国家科学基金会纳米技术报告
纳米技术能够提供重建物理世界的工具——包括我们的身体和大脑——一个分子片段接着分子片段，甚至是一个原子接着一个原子。我们缩小了技术上的关键特征尺寸，与加速回归定律一致，具有大约每10年4倍线性度量的指数率。68以这种速率，到2020年，大多数电子和许多机械制造的关键技术尺寸将会到达纳米技术的范围（电子技术已经跌破这个阈值，尽管还没有实现三维结构和自装配）。与此同时，特别是在过去的几年中，在为迎接纳米技术时代的到来而筹备的概念框架和设计理念等方面，取得了飞速的进展。
与前面所述的生物技术革新一样重要的是，一旦它的技术完全成熟，就会遇到生物技术本身的局限性。尽管生物系统具有非凡的智力，但是我们同时也发现了它们非常不令人满意的一面。我已经提到过，大脑里的交流速度极其缓慢，在后面的内容中我还会讨论，用机器人代替我们的红细胞比它们的相应生物成分要高效数千倍。69一旦我们充分理解了生物的运转规则，我们所能改变的是生物本身永远无法与之相比的。
然而，纳米技术的革命可以彻底使我们以分子的方式来重新设计和组建我们的身体和大脑以及与我们所交互的世界。70这两个革命相互重叠，但是对纳米计算的认识要落后于生物技术革命大概十年左右的时间。
大多数纳米技术历史学家把纳米技术概念的诞生日定为历史学家理查德·费因曼在1959年的创新性演讲《Theres Plenty of Room at the Bottom》，他描述了在原子水平上创造机械的必然性及其影响：
据我所知，物理学的原则与在原子水平来操纵事物的可能性并不相悖。物理学家可以合成任何化学家写下的化学物质，原则上这将是可能的。如何做呢？把原子放到化学家说的地方，然后我们就创造了物质。如果我们的显微能力以及在原子的水平操作的能力都能得到发展（我认为这种发展势在必得），那么化学和生物学的问题就可以得到极大地解决。71
一个更早的关于纳米技术概念的基础是由信息理论学家约翰·冯·诺伊曼阐述的，早在20世纪50年代，他就用他的模型阐述了这个概念。这是一个基于通用构造器、与通用计算机相结合的自复制系统。72在这个方案中，计算机运行一个指示构造器的程序，反过来这个程序构造了计算机（包括它的自我复制程序）和构造器的复制品。在这个层次的描述上，约翰·冯·诺伊曼的建议非常抽象——计算机和构造器可以以多种方式来构造，就像种类繁多的物质，甚至可以是一个数学理论的构造。但是，他将这一概念做了发展，提出了“运动学构造器”：一个具有至少一个机械手（臂）的机器人，将会从“海量部分”中，建立一个其自身的复制品。73
埃里克·德雷克斯勒在20世纪80年代起草了一份具有里程碑意义的博士论文，最终由他开创了现代纳米技术领域。在论文中他基本上结合了这两个有趣的建议。埃里克·德雷克斯勒描述了一个冯·诺依曼运动学构造器，其大量地使用分子和原子片段，正如费因曼的演讲中所建议的那样。德雷克斯勒的设想跨越了许多学科的界限，而且意义深远，以至于除了我的导师马文·明斯基外，没有人敢为他指导论文。德雷克斯勒的论文（在1986年成为他的著作《Engines of Creation》，并在1992年出版的《Nanosystems》做了技术阐释）阐述的纳米技术的基础，为今天的发展提供了路线图。74
德雷克斯勒的“分子汇编器”可以制造世界上几乎任何的物质。它被称为是“通用汇编器”，但德雷克斯勒和其他纳米理论家不用“通用”这个词，因为这种系统的产物一定会受到物理和化学规律的约束，只有原子的稳定结构才是可行的。此外，尽管使用单个原子的可行性已被证实，但任何具体的汇编器从其海量部分来构建产物都将受到限制。然而，这样的汇编器可以做出几乎任何我们想要的物理设备，包括高效电脑和其他汇编子系统。
德雷克斯勒虽然没有提供关于汇编器的详细设计——这种设计还没有完全具体化，但是他的论文的确为每个分子汇编器的主要成分提供了大量可能需要的参数，这包括下面的子系统：
●计算机：提供控制汇编过程的智能。同这个设备的所有子系统一样，计算机要小而且简单。正如我在第3章所提及的，德雷克斯勒对机械计算机提出了一个有意思的概念描述，他使用了分子“锁”代替晶体管门。每个锁只需要16立方纳米的空间，而且可以每秒转换100亿次。尽管由三维碳纳米管阵列建造的电子计算机似乎会有更高的计算密度（即每秒每克的运算），但该提议依然比任何已知的电子技术更有竞争力。75
●指令体系结构：德雷克斯勒和他的同事拉尔夫·梅克尔已经提出了一种SIMD（单指令流多数据流）的体系结构，其中单一数据存储将记录指令并且同时把他们传递给数以万亿计的分子级的汇编程序（每一个都拥有它们自己简单的计算机）。我在第3章中已经讨论了SIMD体系结构的局限性，但是这种设计（相对于灵活的多指令多数据的方法，这实现起来要简单得多）对于通用纳米技术的汇编程序中所用到的计算机来说已经足够。运用这种方法，每一个汇编程序都必须存储创建所需产品的全部程序。一种所谓的“广播”的结构也可以解决关键的安全性问题：如果自我复制的过程失去了控制，那么可以通过终止复制指令的方法来关闭这个过程。
然而正如德雷克斯勒所指出的，一个纳米级的汇编程序没有必要拥有自我复制的能力。76自我复制存在固有的危险，前瞻学会（埃里克·德雷克斯勒和克瑞斯汀·彼得森成立的一个智囊团）提出了相应的伦理标准，特别是在自然环境中，禁止无限制地自我复制。
正如我在第8章将要讨论的那样，这种方法应该合理有效地应用于对付那些容易被疏忽的危险上，虽然一些坚决的资深对手有可能会避免这些问题。
●指令传输：指令从中央数据存储区到每一个汇编程序的传输，对于电子计算机来说是用电子的方式完成的，而如果德雷克斯勒的机械计算机的概念付诸实现，那么可以通过机械震动的方式传输。
●构建机器人：构造器将是一个简单的分子机器人，拥有一个手臂，很像冯·诺依曼的运动学构造器，但它是小型的。正如我前面说的那样，现今已经有分子级实验系统的样品，例如可以作为发动机或者机器人的腿，我在接下来的内容中会讨论。
●机械手臂的末端：德雷克斯勒在《Nanosystems》一书中为机器手臂的末端提供了一些切实可行的化学过程，使它有能力抓住一些分子片段，甚至一个单一的原子，然后将其放到预定位置。在人造钻石的化学汽相沉淀过程中，个别的碳原子或者分子片段通过在末端的化学反应向其他位置转移。制造人造钻石是一个混沌的过程，涉及数万亿的原子，但是罗伯特·弗雷塔斯和拉尔夫·梅克尔提出一种概念，在建造分子机器中，希望机械手臂末端可以从源材料中去掉氢原子，然后将它们安放到需要的地方。在该提议中，可以用钻石材料来建造微型机器。除了拥有极好的强度之外，还可以在某种精确地模式下将一些杂质掺进这种材料中，从而创造出电子元器件，如晶体管。仿真结果显示，分子级的齿轮、杠杆、电动机和其他的机械系统一样，都可以按照预期正常运转。77最近，人们更多地关注起碳纳米管，它主要由三维空间上的碳原子按六角形排列组成。碳纳米管可以在分子级别提供机械和电子的双重功能。我以下给出的一些分子规模的机器都是已经成功实现的。
●汇编程序的内部环境需要防止环境杂质，以免影响到精巧的编译过程。德雷克斯勒的提议需要维护近似的真空环境，并且用与钻石同样的材料来构建汇编程序围墙，汇编程序自身就有能力去制造这堵围墙。
●编译过程所需的能量可以由电能或化学能来提供。德雷克斯勒提出了一种化学工艺，即将燃料与建筑源材料相混合。最近很多提案都使用了纳米工程的燃料电池，有的是氢和氧混合，有的是葡萄糖和氧混合，还有的是使用超声波频率中的声学能量。78
尽管已经提出许多构造模型，但是典型的汇编程序已经被描述成了一种桌面单元，它可以几乎制造任何我们可以用软件描述出来的产品，从计算机、衣服、艺术品到烹饪。79再大一点的商品，像家具、汽车甚至是房子，都可以通过模块的方式或者更大的汇编程序来建造。汇编程序特殊的重要性在于它可以创造自己的副本，除非在它的设计中明确禁止了这项功能（为了避免自我复制所带来的潜在的危险）。创造任何物质产品，包括汇编程序本身，附加成本主要是原始材料成本，大约是每镑几便士。德雷克斯勒估计，不管制成品是衣服、大规模并行计算机还是另外其他的制造系统，一个分子制造过程的总共制造成本大约每千克花费（10～15）美分。80
当然，实际成本主要是那些描述每种产品信息的价值，即控制汇编过程的软件。换句话说，世界上的任何东西包括物体本身，本质上都是基于信息的。今天我们离这种情况已经不远了，因为产品的信息内容正在快速增长，正在逐渐趋近于价值的100%。
用于控制分子制造系统的软件设计必须可以自动扩展，如同今天的芯片设计一样。芯片的设计者不需要确定数亿电线和部件中每一个的位置，但必须详细地设计它的功能和特性，计算机辅助设计系统（CAD）会将它们翻译成实际的芯片设计（版面布线）。同样，CAD系统可以通过高级设计说明书生产出分子制造控制软件。这是一种反向制造产品的能力，即通过扫描它的三维构造，可以生成复制其全部功能的软件。
在汇编程序运行的过程中，中央数据存储系统将同时向数以万亿计（有些估计已经高达1018这样的数量级）的机器人发送指令，并且每一个机器人都将同时接收到同样的指令。汇编程序生产这些分子机器人的方法是，开始的时候先创建出一小部分，然后将这一小部分用迭代的方式去创建另外的部分，直到所需数量的机器人全部创建出来。每一个机器人都具有一个本地数据的存储单元，用于指定它正在建造的机械装置的类型。这个存储单元将把所有从中央数据存储系统发送过来的统一指令进行掩码操作，以便阻塞某些指令并且将本地参数填充进去。通过这种方式，即使是所有的汇编程序收到同样的指令序列，但每一个分子计算机正在生产的部分都会有自己定制的标准。这个过程类似于生物系统中基因表达的过程。尽管细胞拥有全部的基因，但是只有那些与特殊细胞类型相关的基因才会得到表达。每一个机器人会从源材料中选取它们所需的原材料和燃料，其中包括独立的碳原子和分子片段。
生物学的汇编程序
自然界表明，分子可以起到机器的作用，因为生物就是依靠这样的机器工作的。酶就是分子机器，它可以通过制造、破坏或者重新排列的方式与其他分子结合。分子机器可以通过相互拖拉纤维的方式来驱动肌肉活动。DNA充当数据存储系统，向分子机器——核糖体（用于生产蛋白质分子）传递数字指令。这些蛋白质分子又反过来组成了大多数的分子机器。
——埃里克·德雷克斯勒
分子汇编程序可行性的根本依据就是它生命的本身。事实上，随着不断加深对生命过程的信息基础的认识，我们正在挖掘一些具体想法来应用到普遍的分子汇编程序的设计要求中。例如，有人提议，像生物细胞那样利用葡萄糖和ATP作为分子能源。
考虑一下生物学是如何解决德雷克斯勒汇编程序中的每个设计所面临的挑战。核糖体代表着计算机和结构机器人。生命不需要中央数据存储，而是给每一个细胞提供完整的代码。将纳米技术机器人的本地数据存储限制在一小段汇编代码（利用“广播”的结构），特别是当它们自我复制的时候，这是纳米技术可以比生物技术设计得更为安全的一种临界方法。
生命的本地数据存储当然是DNA链，即染色体上分布着特殊的基因。指令隐藏的任务（阻塞那些对于特殊细胞类型没有作用的基因）是通过短的RNA分子和管理基因表达的多肽来控制的。可供核糖体发挥作用的内环境是细胞内维护的一种特殊的化学环境，它需要酸碱平衡（人类细胞的PH值大约为7）以及其他的化学平衡。细胞膜负责排除干扰以保护细胞的内环境。
通过纳米计算机和纳米机器人升级细胞核。这是一种简单的概念上的提议，它用于战胜除了朊病毒（一种自我复制的病态的蛋白质）以外的所有生物病原体。随着2020年纳米技术的全面到来，将可能利用纳米工程系统来代替细胞核内生物遗传信息的仓库，它可以用来维护遗传密码，并且模拟RNA、核糖体行为，以及生物汇编程序的计算机中其他元素的行为。一台纳米计算机将维护基因代码，实现基因表达的算法。然后，纳米机器人就可以为表达基因而构建氨基酸序列（见图5-2）。
图 5-2
采用这种机制将带来很大益处。我们可以消除DNA转录错误的积累，这是老化过程的一个主要因素。我们可以引导DNA去重组基因（将来，我们可以通过使用基因疗法，先于错误发生之前完成对DNA的编码）。我们也可以通过阻止所有有害的遗传信息复制，进而来战胜生物病原体（细菌、病毒和癌细胞）。
这种推荐的纳米工程系统的广播结构可以让我们关闭有害的复制过程，从而战胜癌症、自身免疫反应以及其他疾病。尽管这些疾病的大多数都可能被前面所提到的生物技术所征服，但是用纳米技术的再设计生命计算机将克服余下的障碍，并且体现出一种超越生物体固有属性的持久性与灵活性。
机械手臂的末端可以利用核糖体的能力来实现酶分解个体氨基酸的反应，它的每一部分都必然是一段特殊的tRNA，并且可以通过肽键与相邻的氨基酸连接。因此，这种系统有能力利用核糖体本身的一部分来创造出自己所需的氨基酸片段。
然而，分子制造的目标不仅仅是复制生物学中分子汇编的能力。生物系统需要通过蛋白质来构建而受限，即在强度和速度上受到极大限制。尽管生物蛋白是三维结构的，但是生物学局限于化学的分类，可以将它拆成一个一维的氨基酸链。尽管纳米机器人由钻石型的齿轮和轴构成，但它依然可以比生物细胞的速度和强度好上千倍。
关于计算方面的对比或许更加生动：基于纳米管的计算速度是哺乳动物神经元之间极慢的电化学交换速度的几百万倍。
前面描述的钻石型汇编程序的概念所使用的是统一的原料（结构和燃料方面），这是在外界不受限制的环境下，用来防止机器人分子级复制的方法之一。在生物界复制机器人以及核糖体同样需要小心地控制原料和能源材料，而它们由消化系统提供。基于纳米的复制基因变得越来越精致，它们拥有更强的能力，从少数控制得很好的原材料中提取碳原子或者基于碳元素的分子片段，并且能够在受控的复制基因的围墙以外操作，例如生物界，它具有严重威胁生物界的潜能。一个显著的事实是，基于纳米的复制基因比任何生物系统都具有更加强大的强度和速度。当然这种能力正是引起第8章争论的原因所在。
在德雷克斯勒的《Nanosystems》发布的十年间，他通过额外的设计方案81、超级计算机模拟和相关分子机器的实际建造，对概念设计的每一部分都做了验证。波士顿大学的化学教授罗斯·凯利在报告中提到，他运用78个原子建造出了一个由化学供能的纳米发动机。82一个由卡洛·梦迪马诺领导的生物分子研究小组创造出了一种把ATP当做燃料的纳米发动机。83另一个分子级的发动机是荷兰格罗宁根大学的本·弗瑞格利用58个原子创造的，它利用太阳能。84其他的分子级的机械组件也取得了相似的进步，例如齿轮、轴和杠杆。证明化学能和声能用途的系统已经通过设计、仿真（正如德雷克斯勒最初的描述）并实际建造出来。在材料上，利用分子级设备开发各种各样的电子元件也取得了巨大进步，特别是在由理查德·斯莫利所倡导的碳元素纳米管领域中。
作为结构组件，纳米管证明了其功能的多样性。近期，一条由纳米管建造出来的传送带通过了美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家的验证。85这种纳米级的传送带用于从一个地点向另一个地点传送极小的铟元素微粒，这种传送带还可以用于传送各种各样的分子级的物体。通过控制设备电流，就可以调整移动方向和速度。其中的一个设计者克里斯·里根曾经说过：“对于纳米级的质量传输，这与旋转门把手是一样的，可以进行宏观控制。它们都是可逆的过程，可以通过改变当前的极性使铟元素回到原来的位置。”建立分子汇编流水线重要的一步是，能够将分子级别的建筑材料迅速地传送到准确的位置。
在美国通用动力公司为NASA（美国国家航空和宇宙航行局）所做的一份调查中，纳米级机器自我复制的可行性已经得到了证实。86通过计算机的模拟，研究者们阐述道：这种由分子构成的精密的机器人在运动学上称为细胞的自动机，它由可以重构的分子模块构成，具有自我生成的功能。这种设计同样用到了广播结构，使更加安全的自我复制成为可能。
对于构建分子结构来说，已经可以证明DNA与纳米管同样具有很多功能。DNA具有与自己相连的倾向，使得它成为了一个有用的结构组件。将来的设计可能结合这种属性，也会结合存储信息的能力。无论是纳米管还是DNA，除了可以用来构建坚固的三维结构以外，它们在信息存储和逻辑控制的方面都具有显著的特性。
慕尼黑路德维格·马克西米兰大学的一个研究小组设计出了一种“DNA手”，它可以通过命令从一些蛋白质中选择一个，将其捆绑住，在接到命令后再将其释放。87与核糖体类似，构建DNA汇编程序机器的关键步骤最近已经被两位纳米技术研究者论证，他们分别是廖世平和艾德里安·西蒙88。在受限制的规则下，抓取和放回分子物质对于分子纳米技术的汇编来说是另一个重要的能力。
美国斯克利普斯研究院的科学家通过制造许多条DNA的1669个核苷酸序列的方法，论证了创造DNA构建模块的能力，它们被小心地放置在自我补充的区域内89。这些自我组合的序列理所当然地被放在了正八面体中，它可以作为模块来构建精确设计的三维结构。这个过程的另一个应用就是它可以当做箱子一样来运送蛋白质，正如斯克利普斯研究院的一位研究员杰拉德·乔伊斯称它为一种“反向病毒”。病毒也是自我组合，通常情况下它有蛋白质的外壳，内部是DNA或者RNA。乔伊斯还指出，有了这种技术就可以让DNA在外面，蛋白质在里面。
一个令人印象深刻的、关于用DNA构成纳米级设备的论证表明，这种设备是一种微小的仅有十纳米长的两足机器人90，它可以用腿来走路。它的腿和它走路的轨迹都是用DNA建造的，选择这些DNA是因为它们能在人们的控制下使自己连接或者断开。在纽约大学化学教授艾德里安·西蒙和威廉·谢尔曼的一个项目中，纳米机器人可以在轨道上拆下它的腿，再向下走，然后再连上它的腿继续走路。这个项目再一次生动地证明纳米机器人可以执行精确的任务。
另一个设计纳米机器人的方法就是向自然学习。（美国）橡树岭国家实验室的纳米技术科学家迈克尔·辛普森描述了利用细菌的可能性。如同一台准备就绪的机器一样，细菌是一种天然的纳米级的生物，它可以移动、游动，还可以抽取液体91。哈佛罗兰环学会的一位名叫琳达·特纳的科学家关注它们线状的胳膊，称其为伞。它们可以执行各种各样的任务，包括搬运其他纳米级的物质或者搅拌液体。另一种方法就是只用细菌的一部分。华盛顿大学一个名叫Viola Vogel的研究小组仅用大肠杆菌的四肢就构建了一个系统，可以根据不同的型号对纳米级颗粒进行分类。因为细菌是天然的纳米级系统，可以实现各种功能，这项研究的最终目标是反向操作加工细菌，可以用同样的设计原则来设计我们的纳米机器人。
胖手指和粘手指
随着未来纳米系统各个方面的快速发展，在德雷克斯勒的纳米汇编程序概念中并没有发现严重的缺点。诺贝尔奖得主理查德·斯莫利于2001年《Scientific American》月刊中指出了一个广为人知的缺陷，但这是基于对德雷克斯勒92想法的一种曲解，这并没有涉及过去十年中大部分的努力。作为碳纳米管的先驱者，斯莫利一直热衷于纳米技术的各种应用，他曾说过“纳米技术将给我们带来答案，解决我们对于能源、健康、通信、运输、食物和水等紧迫的物质需求”，但是他对于分子汇编纳米技术仍然持怀疑态度。
斯莫利认为德雷克斯勒的汇编程序由5～10个所谓的“手指”（机械手）组成，他们用来支撑、移动或者放置构成机器的每一个原子。然后他继续指出，分子汇编机器人工作的狭窄空间并不能容纳这么多手指（他称其为“胖手指”问题），同时由于分子引力的存在，这些手指很难摆脱它们的原子货物（他称其为“粘手指”问题）。斯莫利还指出了通过5～15个原子在普通的化学反应中就能实现复杂的三维模型。
事实上德雷克斯勒的想法并不像斯莫利所批评的那样一文不值。德雷克斯勒的想法，包括大部分他此后的提议，都只用了一个简单的词汇“手指”来描述。此外，还有关于可行的尖端化学反应的描述和分析，但并不包括像放置机械物质一样去提取和放置原子。除了我上面所提到的例子之外（例如，DNA手），利用德雷克斯勒的氢原子提取的方法来移动氢原子的可行性问题，在这几年中已经得到了广泛的认证93。1981年IBM开发了扫描式探针显微镜（SPM），以及更加先进的分子力显微镜（AFM），它们都可以通过在一个分子级结构尖端的具体反应来放置个别的原子，这些都为研究提供了一些概念上额外的证据。最近大阪大学的科学家借助分子力显微镜移动了单个的绝缘原子，他用到的就是机械技术而不是电子技术94。无论是移动绝缘还是非绝缘的原子或分子都将在未来的分子纳米技术中得到应用95。
事实上，如果斯莫利的批评是正确的，假设像斯莫利所说的生物汇编程序确实不可能实现的话，我们就不会有人再在这里讨论了，因为生命它本身就是不可能的了。
斯莫利也反对“尽管疯狂地工作，生产很少的产品（纳米机器人）也需要数百万年”的说法。当然，斯莫利是正确的，一个汇编程序如果仅拥有一个纳米机器人的话，那么它是生产不出来任何有质量的东西的。然而，纳米技术基础的概念是我们将使用数以万亿计的机器人来实现一个远大的目标，这也正是其安全问题受到广泛关注的原因。使用合理的花销来制造这么多的纳米机器人，必须要在某一级别内采用自我复制技术。在解决经济上的问题的同时，可能会引发更大的潜在危机，这一点我将在第8章中说明。生物学中运用了同样的方法，它们使用数万亿个细胞组成生物有机体，而且事实上我们发现所有的疾病都因为生物体在自我复制的过程中出错而产生的。
人们已经很好地解决了早先提出的有关纳米科技概念的挑战。评论家们指出，纳米机器人将会成为原子核、原子和分子的热振动炮轰的对象。这正是纳米技术概念设计者强调要使用钻石型或碳纳米管技术来构建结构成分的原因之一。通过提高系统的强度和刚度来减少热效应对其的影响。分析表明，这些设计在热效应中的稳定性比生物系统要好千万倍，所以它们能够运转的温度范围更加广泛96。
类似的挑战来自于在量子的影响下所发生的位置的不确定性，它是针对那些型号极小的纳米设备来说的。对于电子来说，量子的影响是非常重要的，但是一个单独的碳原子核是一个电子重量的两万倍。一个纳米机器人将由数百万到数十亿个碳或其他原子构成，这使得他的重量是电子的数万亿倍。考虑到这个比率，量子未知的不确定因素就显得不是那么重要了97。
功率是另一个挑战。在设计中所包括的葡萄糖-氧气的能源细胞已经在弗雷塔斯等人的可行性研究中等到了验证98。葡萄糖-氧气这种方法的一个优势就是，在纳米医药应用中所使用的氧气、葡萄糖和ATP等原料人类的消化系统就可以提供。一个纳米级的发动机就通过镍来做推进剂，用基于ATP的酶来做能源实验的99。然而，最近在微米级或纳米级葡萄糖-氧气能源细胞的应用中，所取得的进步提供了另一种方法，我将在接下来的内容中报告这方面的内容。
争论越发激烈
2003年4月德雷克斯勒在一封公开信100中向斯莫利在《Scientific American》发表的文章提出挑战。信中引用了20多年来他本人和其他人的研究成果，关于斯莫利的胖手指和粘手指的问题做了具体回答。正如我上面所讨论的，分子组装从未被描述成拥有手指，而是依赖具有活性分子的精确定位。德雷克斯勒引用生物酶和核糖体作为在自然界精确分子汇编的例子。德雷克斯勒在文章结尾引用了斯莫利自己的实验观察，他认为：“当科学家说某事可行时，他们很可能低估了使其变为可行要花费的时间。但是，如果他们说这不可行，则他们很可能错了。”
2003年有3个多回合的类似辩论。斯莫利在回应德雷克斯勒的公开信时，收回了他的胖手指和粘手指的说法，并认识到酶和核糖体确实作用于精确的分子汇编，斯莫利早些时候指出这种情况是不可能的。斯莫利认为，生物酶只能在水中发挥作用，这种水基化学局限于如木质、肉质和骨质的生物结构。正如德雷克斯勒曾表示的一样，这也是错误的101。许多酶，即使是那些通常在水中工作的酶，亦可以在无水有机溶剂中发挥作用，并且某些酶可以以蒸汽为基层发挥作用，而不依赖任何液体102。
斯莫利接着说，（无任何起源或引用）类似酶的反应只能在生物酶存在时且有水的化学反应中进行，这也是错误的。麻省理工学院的化学和生物工程教授亚历山大·巴诺夫于1984年展示了这种无水（不包含水）酶的催化作用。巴诺夫在2003年写道：“显然（斯莫利）关于无水酶催化作用的阐述是不正确的。20年前我们第一篇论文发表以后，出现了成百上千篇关于无水酶催化的论文103。”
这很容易理解为什么生物是通过水基化学进化的了。水是我们这个星球上非常丰富的物质，并构成我们身体的70%～90%，我们的食物，以及事实上所有的有机物质。水的三维电属性能相当强大，可以断开其他化合物的强化学键。水被认为是“普遍的溶剂”，因为在我们体内多数生化方式都需要水，我们可以把星球上生命中的化学认为是水化学。然而，我们的技术的主要目的是开发出不受生物进化限制的系统，因为生物进化的基础就是水基化学和蛋白质。生物系统可以成功飞翔，但如果你想以每小时数百或数千英里的速度飞行在三万英尺的高度，你将可以使用我们的现代技术，而不是蛋白质。生物系统如人类的大脑一样，可以记忆、计算，但是如果你想要处理的是数十亿的信息数据，你可能需要使用电子技术，而不是毫无帮助的人类大脑。
斯莫利忽视了过去十年中，在利用精确制导分子反应来定位分子片段的其他方法的研究。人们广泛地研究了如何精确控制钻石结构合成材料，包括从氢化钻石表面104移除一个单独的氢原子，并能够将一种或多种碳原子添加到钻石表面。105人们已经开展了关于支持氢游离的可行性相关研究，并通过精确制导合成钻石结构。这些已在如下机构中完成：加州理工学院材料和过程仿真中心、美国北卡罗来纳州立大学的材料科学和工程学院、肯塔基大学分子制造研究所、美国海军学院以及施乐公司帕洛阿尔托研究中心。106
斯莫利避而不提前面提到的行之有效的扫描探针显微镜，该显微镜用于精确控制分子反应。在这些概念上，拉尔夫·梅克尔描述了可能出现的尖端反应，这可能涉及四个反应物。107很多文献都讲述了位置确定的反应具有精确制导的潜能，能用于尖端化学的分子汇编。108近年来除了SPM还有很多工具能够可靠地操纵原子和分子片段。
在2003年9月3日，德雷克斯勒再一次指出了大部分斯莫利没有解释的文献，以此作为斯莫利对自己第一封公开信的答复的回应。109他引用了纳米级现代化工厂的比喻。他引用过渡状态分析，认为选定的适当反应物的位置控制在兆赫的频率下是可行的。
斯莫利再次做出了回应，他在信中对具体的引用和最近的研究提到的较少，而是做了很多不准确的比喻。110例如，他写道：“不能仅仅通过简单的机械动作就使得两个分子发生预想的化学变化，同样也不能通过把它们简单地挤压在一起来实现。”他再次承认事实上酶确实能够实现这些，但是他却拒绝接受这样的反应可以在生物系统以外的类似环境中发生：“这就是为什么我让你去使用真实的酶来讨论真实的化学，任何这样的系统都需要一个液体介质。对于我们所了解的酶来说，所需的液体必须是水，可以在水环境中合成的东西的类型不可能比生物学中的骨头和肉更加广泛了。”
斯莫利的论点是：“我们没有X天，因此X是不可能的。”我们曾多次在人工智能的领域遇到过这样的论点。现今，评论家们将引用这个系统的局限性作为证据，以说明这样的局限性是固有的，并且是不能够战胜的。例如，这些评论家都无视当代的一些关于AI（人工智能）的例子，而是在过去的十年中，仅仅把在商业上可行的系统作为研究的重点。
那些尝试着用完备的方法论去设计未来的人们，都处于一种不利的地位。也许，未来的现实有些无法避免，但是他们没有办法去证明这一切，所以他们经常会被否认。有一小部分人在20世纪初坚持认为比空气重的飞行是可行的，但是主流的一些怀疑者提出了质疑，如果这是可行的，那么它为什么还没有成为现实呢？
斯莫利在他最近的来信的末尾，至少在部分上展示了他的动机，他在信中是这样说的：
几周前我为学区内的约700名初中生、高中生做了一个关于纳米技术和能量方面的演讲，题目是“作为一名科学家，我们应该保护世界”，这个学区是休斯顿地区一个很大的公共学校系统。同学们去观看我演讲的准备工作是，每人要求写一篇名叫“为什么我是纳米狂人”的评论。在数百篇文章中，我有特权阅读前30篇比较出色的文章，并从中选出我最喜欢的5篇。在我读到的评论中，有将近一半认为，自我复制的纳米机器人是可能实现的，并且大部分人对纳米机器人在全世界得到普及时，我们的未来将会发生些什么，表示深切的担忧。尽管我尽可能地减少他们的恐慌，但是毫无疑问，青年人都被灌输了非常糟糕的想法。
你和你身边的人们已经吓到了我们的孩子们。
我向斯莫利指出，早期的评论家也表达过对于计算机网络和软件病毒在世界范围内传播的可能性的担忧。在今天看来，我们从计算机网络中受益，又遭受了来自软件病毒的损失。然而，随着软件病毒的扩散，免疫系统也随之产生了。在这些益处与危险交融的例子中，我们得到的收获远比受到的伤害多得多。
斯莫利安抚公众不要对未来可能出现技术的滥用现象感到担心，但这并不是一个正确的策略。这不仅否认了基于纳米技术的汇编过程的可行性，也否认了它的潜力。同时否定分子汇编过程的益处和危险将最终起到反作用，并且不能够把研究引导到所需要的建设性的方向上去。截止到21世纪20年代，分子汇编过程将在有效抵抗贫穷、保护环境、战胜疾病、延长人类寿命以及许多其他值得追求的方面提供工具。与人类所发明的任何其他的技术类似，它也可能会起到破坏性的作用。所以重要的是，我们要运用知识从这项技术中获得更多的收获，同时避免它所带来的危险。
早期使用者
尽管德雷克斯勒纳米技术的概念基本上解决的是在制造过程中对于分子的精确控制问题，但是它已经扩展到任何可以用纳米来衡量的技术的关键指标（一般少于100纳米）。当代的电子学已经悄然进入这个领域，生物学和医学的各项应用已经进入到纳米粒子的时代，人们正在开发纳米级的设备，以便用于检测和治疗。尽管纳米粒子使用的是统计学的制造方法而不是汇编程序，但是它仍然依靠原子级的特性来发挥作用。例如，纳米粒子如同标签一样用于生物学实验，这极大地提高了检测蛋白质等物质的敏感性。例如，可以用具有磁性的纳米标签与抗体捆绑，然后通过磁探针来检测抗体是否还在身体内。用金制的纳米粒子捆绑在DNA片段上，可以快速地检测出DNA序列，这已经通过实验得到验证了。被称为量子点的小纳米珠可以通过不同的颜色进行编码，这类似于一种颜色的条形码，可以很轻松地透过物体来跟踪某种物质。
结合纳米级的通道形成微流体设备，可以在给定的物质上获取极小样本，同时进行上百个实验。有了这些设备，可以进行更加广泛的实验，例如近乎无创的血液取样。
纳米级的支架可以用于培养生物学的组织，例如皮肤。将来的治疗可以运用这些微小的支架来培养身体内部修复时所需要的任何类型的组织。
一个非常令人振奋的应用就是利用纳米粒子来为身体的某一具体部位实施治疗。纳米粒子可以引导药物进入细胞壁，通过脑血管障壁。蒙特利尔麦吉尔大学的科学家们展示了一颗纳米药丸，其结构范围在（25～45）纳米。111这颗纳米药丸足够的小，可以穿过细胞壁并且直接将药物传递给细胞内的目标结构。
日本的科学家已经运用110个氨基酸分子建造出一个纳米笼子，可以用来放置药物的分子。粘附在纳米笼子表面的是一个缩氨酸分子，可以用来识别人体内部目标的具体位置。在一次试验中，科学家用缩氨酸精确地锁定到人体肝脏细胞。112
马萨诸塞州贝德福德微芯片生产公司开发出一种嵌入在皮下的计算机设备，并且通过设备中数百个纳米级的储存库精确地传送药物的混合物。113人们希望未来这些设备可以用来测量像葡萄糖这样的物质的血液含量。这个系统可以用在人工的胰腺上，根据血糖反馈来控制释放胰岛素的数量。它同样可以用于模拟任何可产生荷尔蒙的器官。
另一个创新性的建议是，引导金质的纳米粒子到肿瘤的位置，然后通过红外线加热的方式杀死癌细胞。可以设计纳米级容器来承载药物，保护它们通过胃肠道，引导它们到达精确的位置，然后按照计划将其释放，并允许它们接受体外的指令。阿拉楚阿县（佛罗里达州）的纳米治疗学已经用这种方法开发出了一种仅仅几纳米厚的可以被生物分解的聚合体。114
推动奇点发展
全世界每天生产的能量大约为14万亿瓦特，其中33%来自石油，25%来自煤，20%来自天然气，7%来自核裂变反应，15%来自生物和水力资源，只有0.5%来自可再生的太阳能、风能和地热能。115其中矿物燃料占能源总数的78%，绝大多数空气污染和严重的水污染以及其他形式的污染，均来自矿物燃料的提炼、运输、加工和使用的过程。原油资源会带来地缘政治紧张，同时，这些石油每年2万亿美元的价格也带来一些其他问题。随着以纳米技术为基础的新的提炼、转化和传输技术的出现，工业时代的能源资源在能源生产中的统治地位会越来越明显，但是随着未来能源需求的大量增加，可再生能源才是解决能源问题的关键。
到2030年，比起现在，运算和通信的性价比将很可能以亿倍的系数增长，其他技术在性能和效率上也会有大幅增长。由于不断提高能源使用效率，能源需求的增长速度将远比不上技术的增长速度，这方面的问题我会在后面讨论。纳米技术革命主要影响的是物理技术，像制造业和能源业，将由加速回归定律所支配，包括能源在内的所有技术都会彻底变成信息技术。
据估算，到2030年全球能源需求将达到现在的两倍，远远落后于经济增长期望，与技术能力的增长相比更是遥不可及。116而增加的能源需求很可能由新的纳米级的太阳能、风能及地热能提供。有一点我们必须要意识到，即绝大多数能源虽然形式多样，但都是太阳能的载体。
矿物燃料中存储的能源是太阳能经过动物、植物和上百万年的演化转化而来的（尽管最近矿物燃料源自活体组织的理论遭到挑战）。然而，高质量油井中石油开采量已经达到了顶峰，一些专家甚至认为峰值已然过去了。很明显我们正在迅速消耗一部分比较容易获取的矿物燃料。当然，我们还有更多难以提炼的矿物燃料资源（比如煤和页岩油），这需要更尖端的技术才能进行清洁、高效地提炼，这些能源也将成为未来能源的一部分。一个正在建造的价值10亿美元的示范工厂——未来电力，有望成为世界上第一个使用矿物燃料的零污染能源工厂。117拥有2.75亿瓦特发电能力的未来电力，不会像现在一样直接燃烧煤炭，而是将煤炭转化成由氢气和一氧化碳组成的混合气体，然后将与蒸汽相互作用，在密闭的环境中生成相分离的氢气和二氧化碳气流。氢气可以用做燃料电池，它可以转化为电能和水。工厂设计的关键是一种用于分离氢气和二氧化碳的新薄膜材料。
纳米技术的出现使发展清洁、可再生、分布式和安全的能源技术成为可能，我们关注的重点也在于此。在过去几十年中，能源技术一直在工业时代的S形曲线上缓慢发展（一种专项技术发展的中后期，其发展能力已经接近极限）。虽然纳米技术的发展需要新的能源资源，但是到2020年，在能源的各个方面——生产、储存、运输和利用——将产生新的S形曲线。
我们应该从能源的利用方面开始反思能源需求问题。由于纳米技术在原子、分子量级上具备处理物质和能量的能力，因此能源使用率将大大提高，这就间接降低了能源的需求。几十年之后，计算将过渡到可逆计算（见第3章）。如我所言，具有可逆逻辑门的计算，消耗的能量主要是用于更正量子力学上的偶然性错误，因此相对于不可逆计算，可逆计算有望减少达10亿数量级的能量消耗。并且未来的逻辑门和存储单元将更小，每个维度至少小到原来的十分之一，这又将减少1000倍的能源需求。因此高度发达的纳米技术将使每一次bit转换消耗的能量减少1兆倍。当然我们增加的计算量也许比这还多，但是能源使用率大大提高将抵消计算量的增加程度。
当代制造业移动散装材料会造成能源浪费，相对于此，分子纳米制造技术将提高制造业的能源使用率。当代制造业将价格低廉的能源资源用于生产像钢铁这样的基本材料。一个典型的纳米工厂将是一台能生产从电脑到衣服的桌面装置，而较大的产品（如汽车、房屋甚至其他的纳米工厂）将生产成模块子系统，由较大的机器人进行组装。而在纳米制造过程中占主要能量消耗的废热将会回收再利用。
纳米工厂的能源需求可忽略不计。据德雷克斯勒估计，分子制造业将会制造能源，而不消耗能源。德雷克斯勒说：“分子量级制造过程可以由原材料的化学能量驱动，而电能将作为副产品产出（哪怕只是为了减少散热负担）……使用典型的有机原料，假设剩余的氢都被氧化，加上合理高效的分子制造工艺，这就成为了净能源生产。”118
产品可以使用纳米管和纳米复合材料为原料，这样就避免了现今制造钢、钛、铝而消耗大量能源的情况。基于纳米技术的光源将使用体积较小的冷光发光二极管、量子点或其他创新光源来取代发热、低效的白炽灯和荧光灯。
虽然工业产品的功能和价值会增加，但是其物理尺寸一般不会增大（甚至大多数的电子产品尺寸还会变小）。工业产品价值的提高很大程度上源于产品信息内容具有的扩展价值。虽然在这个时期内，信息化产品和服务会有大概50%的通货紧缩率，但是那些有价值的信息不但会抵消通货紧缩还会以更快的步伐增长。
在第2章曾讨论过适用于信息交流的加速回归定律，由于用于交流的信息总量会呈指数倍的增长，且交流的效率也会以相当的速度提高，因此信息交流的能量需求则会增长得很慢。
能量在传输方面将会更有效率，由于石油运输的低效率以及电力传输时电线产生热量，使得大量能量在这些过程中丢失，同时产生环境污染。尽管斯莫利对分子制造业持批评态度，但却非常支持用于制造、转换能量的新的纳米技术模型。他阐述道：基于线状碳纳米管的新输电缆将会更强韧、更轻便，最重要的是，相对于传统的铜制电缆，其能量传输效率将大大增加。119斯莫利所展望的纳米能源的未来包括了一大批纳米新技术的功能：120
●太阳能发电：将太阳能电池板的价格降低到原来的1/100～1/10。
●氢气制造：从太阳光和水中高效提取氢气的新技术。
●氢气存储：为燃料电池提供氢气储存的轻便、坚韧的材料。
●燃料电池：将燃料电池的价格降低到原来的1/100～1/10。
●存储电能的电池和超级电容器：将电能存储密度增加10～100倍。
●通过使用坚韧、轻便的纳米材料提高汽车、飞机等交通工具的性能。
●在月球等地方用坚韧、轻便的纳米材料制造大规模能量收集系统。
●使用纳米级电子器件的智能机器人可以在太空或月球上自动建造发电厂。
●新的纳米涂料将极大地减少深井勘探的开销。
●在超高温下，纳米催化剂可获取更多从煤中产生的能量。
●纳米过滤器可以收集提取高能煤炭时产生的煤烟，煤烟中大部分为碳，而碳是大多数纳米技术产品设计的基础材料。
●新材料使干燥、坚硬的岩石地热资源得以利用（将地核中的热量转化为能量）。
另一种传输能量的方式是以微波的形式进行无线传输，这种方法特别适用于太空中巨型太阳能板产生的高效射束能量（在后面内容中介绍）。121美国联合国大学理事会的千年项目将微波能量传输技术看做是“清洁、丰富能源的未来”的一个关键。122
如今高度集中的能储也有其弱点，液化天然气罐和其他储能设备经常被用作恐怖袭击的工具，并造成了灾难性后果。油罐车和油船都很暴露。最终脱颖而出的能储方式将是燃料电池，它将广泛用在基础装置上，这又是一个从低效且危险的存储装置转向高效稳定的分布式系统的实例。
近年来，由甲醇和其他安全型高氢含量燃料提供氢气的氢氧燃料电池已经取得突破性进展。麻省一家名为集成燃料电池科技的小公司发明了一种基于MEMS（微型电子机械系统）的燃料电池。123每一个邮票大小的设备中包含了几千个微燃料电池以及电线和控制电路。NEC计划引进纳米管燃料电池以作为笔记本电脑和其他一些便携式电子产品的电源。124据称，这种小型电源能支持设备连续运转40小时，东芝也正准备为其便携式电子产品引进燃料电池。125
供电设备、交通工具甚至家庭使用的燃料电池的研究也取得了显著进展。美国能源部2004年的一份报告指出，基于纳米技术的科技有助于氢燃料电池汽车在各方面性能上的提升。126例如，氢气必须存放在强韧、轻便的容器中才能抵抗产生的高压，而像纳米管或纳米复合材料等这些纳米材料便可以满足这种容器的要求。报告还设想燃料电池将能以两倍于汽油发动机的效率提供能量，而副产品只有水。
很多燃料电池都由甲醛来提供氢气，氢气再与空气中的氧气结合产生水和能量，但是由于甲醇（木精）具有毒性和可燃性，因此其很难掌控，并且容易产生安全隐患。圣路易斯大学的研究者们用普通乙醇（可饮用酒精）制作出一种稳定的燃料电池。127这种电池使用脱氢酶将氢离子从乙醇中分离，然后同空气中的氧气互作用产生能量。这种电池几乎可以使用任何可饮用酒精。曾经在这个项目中工作的尼克·埃克斯说，“各种类型的酒精我们都进行了实验，除了碳酸啤酒和葡萄酒外，其他的效果都不错。”
得克萨斯大学的科学家们研制出一种纳米级燃料电池，只需通过人体血液中的葡萄糖氧化反应便可产生电能。128这种称作“吸血蝙蝠”的电池可以提供满足一般电子产品需求的电力，今后它能用在血液纳米机器人中。日本科学家也在进行一个类似的项目，从理论上估计，这个系统在一个人的血液中最高可产生100W电力，当然可植入设备远远用不了这么多电能。（悉尼一家报纸写道：这个项目为电影《黑客帝国》中将人体作为电池提供了理论基础。）129
马萨诸塞州大学的斯韦德·查德胡利和德里克·拉维尼正在研究另一种方法，可以将自然界中产出的大量的糖转换为电能。他们的燃料电池实际上是一种微生物（名为Rhodoferax ferrireducens的细菌），他们自称拥有令人惊奇的81%的转换效率，且在空闲时不消耗任何能量。这种细菌可直接将葡萄糖转化为电能，而不会产生任何不稳定的中间产物。它们还能利用糖提供的养料来繁殖、进行自我补充、保证稳定持续的电量供应。用果糖、蔗糖、木糖等其他糖类做的实验也同样成功。基于这种研究的燃料电池可使用实物细菌，或者模拟细菌的化学过程直接进行化学反应。除了为在含糖量高的血液中的纳米机器人提供能量外，这种设备还拥有利用工业和农业废料生产电能的潜力。
碳纳米管也已被证实具有作为纳米级电池存储能量的能力，它很可能与纳米工程燃料电池形成竞争关系。130纳米管已经在超高效运算、信息传输、电力传输以及制造超强结构材料方面展示了它超凡的能力，而这个功能更加证实了纳米管具有万能特性。
纳米应用中最有前途的能源是太阳能，它是一种可再生、免费、分布式的能源，有能力满足我们未来的大量能源需求。照射到太阳能发电板上的阳光是免费的，大约有1017 W，约为人类消耗的能量的一万多倍，太阳光传送到地球的能量比我们所需的总能量还要多。131如前面所说，尽管在25年后，计算和通信将会有巨大发展，同时也带动经济发展，但是由于纳米技术大大提高了能源的使用效率，到2030年能量需求仅仅会增加到30万亿（3×1013）W。132我们仅仅需要获得太阳传递到地球总能量的万分之三，就能满足所有的能源需求。
将这些数据与人类新陈代谢所产生的能量进行对比非常有趣，罗伯特·弗雷塔斯估算出人类新陈代谢产生的总能量为1012W，而地球上所有生物新陈代谢的总能量为1014W。弗雷塔斯还估算出在不破坏当前生态环境能量平衡（气候学家称为“热力极限”）的情况下，我们所生产和使用的能量大约为1015W，这些能量可供每个人使用大量的纳米机器人来提升智力、提供医疗服务、能源制造和清理环境等。对于100亿的人口总量，弗雷塔斯估计每人可使用的机器人数量极限为1016个，而我们只需要1011个纳米机器人就可以在每个神经元上放置一个。
到掌握这个量级的技术时，我们就可通过收集纳米机器人和其他纳米机器产生的大部分热量，应用纳米技术将其又转换回电能，以便进行回收利用。最行之有效的方法可能就是纳米机器人自己进行能量回收。133这与运算中的可逆逻辑门相似，每个可逆逻辑门都会立刻回收上一次计算所使用的能量。
我们可以将大气中的二氧化碳提取出来以便为制造纳米机械提供碳原料，这样可以抵消现今工业时代增加的二氧化碳排量。但是我们必须谨慎行事，所抵消的二氧化碳量不能超过这几十年增加的排放量，以免赶走温室效应却带来冷藏室效应。
目前的太阳能电池板还相对低效、价格昂贵，但是太阳能技术在快速进步。硅光能电池的光电转换率一直在稳步提升，从1952年的4%提高到1992年的24%。134如今的多层电池达到了34%的光电转换率。目前，一种分析表明，纳米晶体应用于太阳能转换的转换效率有可能达到60%。135
当前每瓦太阳能转换的电能耗费大约2.75美元。136一些公司正在研究纳米级太阳能电池，希望将太阳能成本降至低于其他能源的成本。工业电源表明，一旦太阳能能源成本每瓦低于1美元，就将具备直接向国家电网提供电力的竞争力。纳米太阳能公司的一种基于二氧化钛粒子的设计，可用于超薄弹性薄膜的大规模生产。据该公司CEO马丁·洛切森估计，到2006年，他们的这项技术可能将太阳能成本降至每瓦约50美分，低于天然气成本。137纳米太阳能公司的竞争对手纳米系统公司和科纳卡公司也有类似计划。不管这些商业计划是否成功，只要我们掌握了以纳米分子技术为基础的制造技术，都可以以极低的成本和使用最原始的材料生产太阳能板（或者其他所有东西），其中价格低廉的碳将是最主要的原料。假设其厚度为几微米，太阳能板的成本将便宜至每平方米一便士。我们可将高效太阳能板放置在大部分产品的表面，如建筑、交通工具，甚至将其做到服装中为移动设备供电。因此，用较低的成本转换万分之三的太阳能是完全可行的。
空间中的巨型太阳能板可增大地球表面积，NASA已经设计出了一种太空太阳能卫星，可以用于将太空中的阳光转化为电能再以微波的形式传回地球。这种卫星每个可提供上百万瓦电力，足够上万家庭使用。138使用纳米制造技术，我们可以造出一条环绕地球轨道的巨大的太阳能板，只需将原始材料用航天飞船装运到空间站，也有可能通过计划中的太空电梯运输，太空电梯是从地球同步轨道上的平衡装置的船用锚延伸出的一条薄带，由碳纳米管复合材料制成。139
桌上型融合也可能会变为现实。橡树岭国家实验室的科学家们用超声波使一种液体溶剂产生振动，从而使气泡产生高压和达到几百万度的高温，这可以导致氧原子的核聚变并且产生能量。140尽管大众对1989年关于低温核聚变的原始报告持怀疑态度，但如今超声波方法已经被一些评估报告所接受。141然而，由于我们还没有掌握足够的方法来应用这项技术，因此它在未来能源中的角色还无法确定。
生态环境中的纳米技术应用
新兴的纳米技术将对生态环境产生深远影响，原因在于新的制造和生产技术的出现会极大地降低有害排放物的排放，同时还可以治理工业时代污染造成的影响。正如前面所介绍的，提供基于纳米技术的像纳米太阳能板一样可再生、干净的能源资源，是达到此目的的重要努力方向。
制造分子级的粒子和设备，不光是尺寸的缩小和表面积的增加，还会涉及新的电力、化学和生物特性。纳米技术最终将给我们提供一种强大的扩展工具，以便实现改良型催化剂、化学品和原子的结合、传感和工业制造，还能通过强大的微电子设备进行智能控制。
我们最终将重新设计所有的工业生产流程，用最小的代价实现工业品的预期功能，而不会产生无用的副产品和环境污染。在前面的内容中我们讨论了生物技术中的一种趋势：智能型药物制造过程可以在极大减小副作用的情况下生产出效果很好的生化药剂。实际上，通过纳米技术实现的分子制造将极大加快生物技术的革命。
当代纳米技术的发展和研究只涉及相对简单的“设备”制造，例如，使用纳米管和纳米层制造的纳米粒子和分子。由10～100个原子组成的纳米粒子在性质上与一般的晶体一样，在还没有掌握精确的纳米分子制造技术之前，我们可以使用晶体生长技术来制造。其纳米结构为自组装的多层结构，这种结构由于氧或碳的结合以及其他的原子力而组合到一起，像细胞膜和DNA结构就是这种多层纳米结构的自然实例。
同所有的新技术一样，纳米粒子也有负面效应：产生毒素和其他对环境和生命有害的影响。废弃电厂产生的像砷化镓一类的很多有毒物质已经进入了生态系统。纳米技术能使纳米粒子和纳米层获得更好效果的新特性的同时也可能带来不可预见的影响，特别是在食物供应方面和我们自身身体这样的生态系统中。虽然现存的规则在很多方面能控制它们带来的影响，但是真正需要担心的是我们对大量未知影响的无知。
然而，现实中已经有数百个应用纳米技术的项目在改进工业生产过程和处理现有的污染形式。一些实例如下：
●很多机构调查了纳米粒子在处理、降解及消除大多数种类环境毒素中的使用情况。以氧化剂、还原剂和其他活跃物质形式存在的纳米粒子已经显示出了其在转换许多种类有害物质方面的能力。由光驱动的纳米粒子（比如二氧化钛、氧化锌等）能够去除有机毒素，并且这些粒子本身毒性非常小。142具体来说，氧化锌纳米粒子可作为排除氯化酚毒素的强大催化剂。这些粒子既可进行探测又可作催化剂，可以将其设计成为只转换目标杂质。
●相对于使用废水沉淀和澄清池的传统方法，纳米过滤膜在净水过程中去除颗粒污染物方面有显著改善。纳米粒子设计成具有催化作用，可吸收和清除杂质。为防止纳米粒子本身变为污染物，利用磁分离技术，它们还可以重复使用。例如，称作沸石分子筛的纳米硅铝酸盐用于碳氢化合物的约束氧化（例如，将甲苯转化为无毒的甲醛）。143这种方法消耗更少的能量，并且降低了低效光致反应与废物的产量。
●目前正在广泛进行用于制造催化剂的纳米晶体材料的研究，以支持化学工业的发展。这些催化剂可提高化学品产量，减少有毒的副产品，去除杂质。 144例如，MCM-41在石油工业中用于去除超细杂质，这是其他减污方法无法做到的。
●据估计，在汽车结构材料中，纳米复合材料的广泛使用每年可减少15亿升汽油消耗，在其他环境效益中，每年将减少50亿kg二氧化碳的排放量。
●纳米机器人可用于协助核废料的处理，纳米过滤器在核燃料生产中可用于分离同位素，纳米流体可提高核反应堆的冷却效果。
●纳米技术用于家庭和工业照明，既可降低使用的电量，又可每年减少大约2亿吨的碳排放量。145
●与传统的半导体制造方法相比，完善的自组装电子设备（如自组织生物聚合物）在制造和使用过程中将需要更少的能量和产生更少的有毒物质。
●使用基于纳米管的场发射显示器（FEDs）的新计算机屏幕将提供优质的显示效果，同时消除了传统显示器中使用的重金属和其他有毒物质。
●双金属纳米粒子（如铁/钯和铁/银）还可作为多氢联苯、杀虫剂和卤化有机溶剂的还原剂和催化剂。146
●纳米管在吸附二恶英方面的表现显得大大优于传统的活性炭。147
这是关于纳米技术的应用对环境的有益影响研究的示例，一旦我们超越了简单的纳米粒子和纳米层，而能使用精确控制的分子纳米组装技术制造出更加复杂的系统时，我们将进入能够大量制造解决相对复杂任务的智能设备的时期，清理环境理所当然也是任务之一。
血液中的纳米机器人
纳米技术已经给了我们工具……与自然界中的最原始的玩具——原子和分子——打交道，所有物品都由它组成……将无限可能地创造新的物品。
——诺贝尔奖获得者霍斯特·斯托默
纳米医学的干预将会持续影响所有生物性老化，随着病人可将生物年龄随意减小到任何新的年龄变成可能，时间与健康的关系将永远被斩断。几十年后，这种干预可能是普遍现象。利用每年的检查和清除以及偶尔一次的大型修复，你的生物年龄将大致恢复到你选择的生物年龄阶段。你可能最终还是会死于意外，但是你会比现在活得至少10倍久的时间。
——罗伯特·弗雷塔斯148
在血液中布置10亿或万亿的纳米机器人，是制造业中分子精确控制的重要应用实例，这些如血细胞大小或者更小的纳米机器人可以在血管中通行。这种想法并不像听起来那么缥缈，因为动物实验的成功已经证实了这种观念，而且许多这种量级的小设备也正在动物体内发挥作用。至少有四个主要的生物微电子系统会议在研究人类血液中所使用的设备。149
我们来看几个可能在25年内实现的纳米机器人技术的实例，这些机器人都趋向于小型化和低成本化。除了描述人类大脑以促进其逆向工程外，这些纳米机器人将拥有各种各样的诊断和治疗功能。
罗伯特·弗雷塔斯是一位纳米技术的先驱理论家和纳米医学（通过分子的系统工程重新构造我们的生物系统）的支持者，他还著有一本名叫《Nanomedicine》150的书，在书中他设计了一种能代替人类血液细胞的机器人，这种机器人的效率比血液细胞高出成百上千倍。使用弗雷塔斯的呼吸细胞（机器人血红细胞），一个运动员不用呼吸就可以在奥林匹克竞赛中连续奔跑15分钟。151弗雷塔斯的机器人巨噬细胞叫做"microbivores"，其对付病原体的效果将远超过白细胞。152他的DNA修复机器人可以修补DNA的转录错误，甚至对DNA进行必要的修改。他设计的其他机器人可以用于清洁、移除人体细胞中不需要的残渣和化学物（如朊病毒、缺陷蛋白质和原细纤维）。
弗雷塔斯提供了大量医学纳米机器人详细的概念设计，以及大量解决制造过程中各种难题的方法。例如，他提供了大约12种方法来进行指挥和导向移动，153其中一些采用了像推进纤毛一类的生物方法。我将在第6章详细介绍这些应用。
乔治·怀特赛德斯在《Scientific American》中抱怨说：“对于纳米级物体来讲，即使制造出了推进装置，一个新的严重问题将会出现：水分子产生的随机振动。水分子虽然比这些纳米潜艇小，但并不小多少。”154怀特赛德斯的分析是由误解产生的，所有的医学纳米机器人，包括弗雷塔斯的纳米机器人，都至少比水分子大上万倍。由怀特赛德斯和其他人分析指出的相邻分子布朗运动的影响可以忽略不计。事实上，纳米级医学机器人将比血细胞或者细菌稳定和精确几千倍。155
还应指出，医学纳米机器人在维持消化和呼吸等新陈代谢过程时，并不需要生物细胞那么大的开销。它们也不需要支持生物繁殖系统。
虽然自从弗雷塔斯的设计概念到现在已经过去几十年，但是血液中设备的研究已经取得了实质性的进展。例如，芝加哥伊利诺伊大学的研究员利用结合了胰岛细胞的纳米工程设备治愈了老鼠的Ⅰ型糖尿病。156这种设备带有七个可以打出胰岛素的孔，但是不会让破坏胰岛细胞的抗体进入。还有许多其他类似项目也在进行中。
莫利2004：那么在我的血液中将会存在所有这些纳米机器人，它们除了能在我们的血液里面坐上几小时外，还能为我做什么？
雷：它能让你保持健康。它们会除去细菌、病毒的病原体和肿瘤细胞，并且不会受到如自身免疫反应等各种免疫系统陷阱的影响。它们与你的生物免疫系统不同，如果你不喜欢纳米机器人正做的事，你可以让它们去做别的事。
莫利2004：你的意思是，给我的纳米机器人发送一封邮件？就像——喂，停止破坏我肠胃里面的细菌，因为那些是对我的消化有益的。
雷：对，你举的例子很好。纳米机器人会在我们的管控下工作，它们会通过互联网彼此交流，甚至现在，我们通过神经嵌入（比如帕金森氏症）的方式来给病人下载新的软件。
莫利2004：这种方式使软件病毒事件更加严重，对吗？现在，如果我受到了软件病毒的攻击，我不得不运行病毒清除程序并装载备份文件。但是，如果我血液里的纳米机器人得到一个流氓信息，它们可能就会破坏我的血细胞。
雷：对，这就是你想要机器人血细胞的另外一个原因，但是这个问题我们已经很好地考虑了，这并不是一个新问题。甚至在2004年，我们已经有了关键任务软件系统来监护管理911种应急系统：控制核能发电站、飞机着陆和引导巡航导弹。因此软件完整性已经是相当重要。
莫利2004：对，但是在我的身体和大脑里面运行程序似乎挺令人畏惧的。在我的电脑里面，我每天会收到一百多封的垃圾邮件，其中的一些还包含恶意软件病毒。如果我身体里的纳米机器人感染了病毒，那么我会真的不舒服的。
雷：你考虑的是常规互联网的接入方式。随着虚拟专用网的使用，我们现在想建立安全防火墙。不然的话，实施当代的关键任务软件系统也是不可能的。它们确实运行得相当不错，因特网的安全技术会不断地演变。
莫利2004：我认为一些人会对你的防火墙的信任度展开争论。
雷：诚然，它们不是尽善尽美的，而且永远也不是。但是在把我们的软件广泛应用于身体和大脑之前，我们还有很长的时间来研究。
莫利2004：哦，但是病毒作者也会增强它们的攻击能力啊。
雷：毫无疑问，这是一个不可调和的矛盾，但明显的是，益处要多于坏处。
莫利2004：明显在哪呢？
雷：哦，没有人与我严肃的争论是否要因为因特网上存在软件病毒这样一个大问题而废除网络。
莫利2004：我承认你说的有道理。
雷：纳米技术成熟以后，就可以解决一些生物学问题：克服生物病原体，清除毒素，更正DNA错误和逆转老化源。就像因特网产生软件病毒的危险一样，我们也会争论纳米技术产生的新危险。这些新陷阱包括具备自我复制的纳米技术失控的可能性，也包括强有力的软件控制、分布式纳米机器人的完整性。
莫利2004：你刚才说逆转衰老？
雷：你注意到了一个关键的好处。
莫利2004：那么纳米机器人下一步会怎么做？
雷：我们实际上已经完成了大多数的生物技术和方法，比如通过核糖核酸干扰抑制破坏性的基因，通过基因治疗来更换遗传密码，通过治疗性克隆来再生细胞和组织，通过智能药来改编代谢途径的指令序列，还有很多其他的新兴技术。但无论如何生物技术也不可能完成所有的工作，我们已经在纳米技术里面找到了窍门。
莫利2004：比如？
雷：纳米机器人可以在我们的血液里流动，那么就可以在细胞的内部或周围完成各种不同的服务，比如清除毒素、扫除残骸、更正DNA错误、修复细胞薄膜、改善动脉硬化、修正荷尔蒙、神经传递素和其他新陈代谢物质，还包括许多其他的功能。对于每一种老化过程，我们可以给纳米机器人描述一种方法来逆转这个过程，直到个体单元、细胞成分和分子这样的级别。
莫利2004：那么我就可以永远年轻？
雷：正是这个意思。
莫利2004：你说什么时候我可以得到这些？
雷：我以为你会担心纳米机器人防火墙的安全性。
莫利2004：是的，我有时间去担心，那么什么时候会再现？
雷：大约20～25年吧。
莫利2004：我现在25岁了，因此我大约要等到45岁，并保持在那个年龄上。
雷：不，并不完全是这个意思，你可以通过获取我们已经存在的知识来减缓衰老。在10～12年里，生物技术革命将提供更强的手段，可以在许多情况下抑制和扭转各种疾病和衰老过程。这并不意味着与此同时什么也不会发生，我们每年都会有更强的技术，而且进程也会加速。纳米机器人就会完成这项工作。
莫利2004：是的，当然，我们很难避免在一个句子中不使用“加速”这个词。那么我们将是一个什么样的生物年龄？
雷：我想你可能停留在30多岁，并保留一段时间。
莫利2004：30多岁，听起来不错。我觉得比25岁更加成熟一些，不管怎么说，这是一个好主意。但“保持一段时间”是什么意思呢？
雷：抑制和扭转老化仅仅是一个开始，使用纳米机器人来保持健康和长寿，只是把纳米技术和智能计算引入身体和大脑的早期适用阶段。更深刻的含义是，我们会加强我们的思维过程，使纳米机器人能够彼此间以及同我们的生物神经元通信交流。一旦非生物智能得到一个立足点，可以说，在我们的大脑层面，这将受制于加速回归并且以指数方式扩张。从另一方面来说，我们的生物思想就基本上停滞了。
莫利2004：你又提到事物加速，但是当它真正开始的时候，相比较而言，生物神经元的思维将是微不足道的。
雷：确实如此。
莫利2004：那么，未来的莫利女士，什么时候我可以甩掉我的生物之身和大脑呢。
莫利2104：哦，你并不希望我讲出你的未来，对吗？何况它实际上也不是一个简单的问题。
莫利2004：怎么会这样？
莫利2104：在2040年代，我们发展的手段是立即创造出自己新的一部分，无论是生物还是非生物，很显然，我们真正的本质是信息的模式，但我们仍需要表现出一些实体形式的自己。不过，我们可以迅速改变这一物理形式。
莫利2004：如何改变？
莫利2104：通过应用新的高速微纳米制造，我们可以很容易而又迅速地重新设计我们的实体形式。因此，我可以在一段时间是这样的生物体，而别的时间又是其他的，拥有它，改变它，如此而已。
莫利2004：我想我能理解你的意思。
莫利2104：关键在于，我到底能拥有我的生物大脑和肌体还是不能拥有。这并不是一个放弃任何东西的问题，因为我们总是可以获得我们放弃的东西。
莫利2004：所以，你仍然在这样做？
莫利2104：有些人仍然这样做，但现在2104年，是有点不合时宜的。生物学的模拟是完全不能与实际生物学区分开来的，所以为何要为身体实例而费心？
莫利2004：是的，这有些混乱是不是？
莫利2104：当然。
莫利2004：我不得不说，能够改变身体的体征听起来有些奇怪，我是说，你我的连续性在哪里？
莫利2104：这与你在2004年是有相同连续性的。你也在时时刻刻改变着你所有的部分，这在于你的信息模式是有连续性的。
莫利2004：但在2104年你可以迅速改变你的信息模式。我还不能这样做。
莫利2104：这实在没有什么不同，你变更记忆、技能、经验，甚至个性的模式需要时间的推移，但有一个连续性，核心只能逐步改变。
莫利2004：不过，我想你可以在瞬间改变你的外表和个性？
莫利2104：是的，但是这只是一个表面的表现。我的真正核心只能逐步改变，就像我在2004年的你。
莫利2004：嗯，很多次，当我瞬间改变我的外观的时候我都很高兴。