文 / 趙 洋

1996年獲得雨果獎(jiǎng)的長篇作品《鉆石年代》講述了一個(gè)技術(shù)改變命運(yùn)的故事：一個(gè)出身貧寒的四歲女孩得到了一本用納米技術(shù)制作的少女繪本啟蒙書，這本專為小女孩設(shè)計(jì)的書，將在陪伴她成長為少女的過程中，向她教授有別于學(xué)校的課程，以培養(yǎng)其“顛覆”精神。作者尼爾·斯蒂芬森在塑造這本啟蒙書和小女孩居住的世界時(shí)，借鑒了納米技術(shù)之父埃里克·德雷克斯勒關(guān)于納米技術(shù)的一些觀點(diǎn)，即微型機(jī)械過一段時(shí)間之后將會(huì)創(chuàng)造奇跡。在現(xiàn)實(shí)中，納米技術(shù)已經(jīng)與航天技術(shù)聯(lián)姻；未來，能夠自我復(fù)制的納米飛船很可能在太空探索領(lǐng)域創(chuàng)造奇跡。

太空船：小即是美

雖然進(jìn)入太空的航天器越來越多，但設(shè)計(jì)這些飛船或衛(wèi)星所采用的思路卻大同小異，因此，工程師們一直沒有停止在新型飛船領(lǐng)域的探索。未來的太空交通工具與傳統(tǒng)的火箭推進(jìn)式太空飛行器將有很大不同，它們看上去可能更像是昆蟲或乒乓球，可以一次性發(fā)射一支微型飛船部隊(duì)，不僅能分頭執(zhí)行任務(wù)，還能獨(dú)自做出決定。

衛(wèi)星的微型化

受運(yùn)載能力及技術(shù)水平的限制，最早的人造衛(wèi)星都不大，質(zhì)量只有幾十千克。20世紀(jì)70年代末，由于大推力運(yùn)載火箭的研制成功和衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造能力的提高，大型多功能衛(wèi)星開始出現(xiàn)，衛(wèi)星體積不斷增大，功能也越來越復(fù)雜。隨之而來的是成本不斷攀升，風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加，如一顆偵察衛(wèi)星的造價(jià)可達(dá)10億美元以上，一旦發(fā)射失敗就會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失。為此，航天界將目光重新投向了小衛(wèi)星。

由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，新一代的小衛(wèi)星采用了許多小型高性能電子部件，這讓它們具備了大型衛(wèi)星才有的功能，同時(shí)可以繼續(xù)向微型化發(fā)展。如新型的數(shù)據(jù)傳送微型衛(wèi)星可以采用太陽能電池覆蓋整個(gè)表面，在陽光直射時(shí)可獲得8瓦的功率，從而解決動(dòng)力問題，減輕體重。如果能夠把所有的電子器件都集成在一塊直徑0.1米的圓形硅片上，那么衛(wèi)星主板就可以省略了。

在電子系統(tǒng)中應(yīng)用高密度組裝技術(shù)，采用鎂或復(fù)合材料代替鋁，可使一顆業(yè)余無線電愛好者微型衛(wèi)星的質(zhì)量從以前的10千克減至5千克，而且功能不受影響。

通常意義上的小衛(wèi)星重10千克～500千克，微型衛(wèi)星的重量比小衛(wèi)星低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，約重0.1千克～10千克。但這兩種衛(wèi)星的設(shè)計(jì)思想都沒有脫離傳統(tǒng)衛(wèi)星一體式結(jié)構(gòu)的套路，即自身具有某種完整的實(shí)用功能。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，若想使一體式衛(wèi)星進(jìn)一步減重，需要對(duì)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行根本性變革，用一種前所未有的方式來設(shè)計(jì)衛(wèi)星，比如采用分散的星座式結(jié)構(gòu)?；谶@種思路，美國宇航公司于1993年首次提出了納米衛(wèi)星的概念。

納米衛(wèi)星

納米衛(wèi)星是以微型機(jī)電一體化系統(tǒng)（MEMS，簡(jiǎn)稱微機(jī)械）技術(shù)和由數(shù)個(gè)MEMS組成的專用集成微型儀器（ASIM）為基礎(chǔ)的一種全新概念的衛(wèi)星，重量可降到0.1千克以下。

借助于MEMS技術(shù)和ASIM技術(shù)，常規(guī)衛(wèi)星上的很多部件，如氣相層析儀、激光光纖陀螺、固體圖像傳感器、微波發(fā)射機(jī)以及電動(dòng)機(jī)等有可能做得很小，并集成在半導(dǎo)體芯片上。一塊由電池供電的微型芯片就可以達(dá)到一臺(tái)儀器的功效，且不必再使用如太陽能電池陣等小型電源，從而大大減輕部件的質(zhì)量。

將這些微小的衛(wèi)星基本組成部分或分系統(tǒng)在太空中的不同軌道上以一定方式分布排列組合，通過遙測(cè)遙控的方法把它們互相連接起來，形成有內(nèi)在緊密聯(lián)系的“星座”，微型衛(wèi)星擁有常規(guī)衛(wèi)星的完整功能將不再是奢望。

越小越快

龐大的粒子加速器正在探索微觀世界，類似的技術(shù)或許有一天可以使縫衣針大小的飛船進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行，甚至是在恒星系間來往穿梭。通過研究納米推進(jìn)器（作用相當(dāng)于便攜式粒子加速器），或許可以在我們的有生之年把微型飛船的速度加速到接近光速，并用它們探索附近的恒星。

從20世紀(jì)50年代開始，人類就發(fā)射了大量的無人飛船探索我們的太陽系，太陽、每一顆行星、眾多的衛(wèi)星、小行星以及彗星周圍都留下了探測(cè)器的痕跡。最近，盡管有火星車在火星這顆紅色行星上艱難跋涉，人造衛(wèi)星圍繞地球、月球、火星、金星和土星軌道進(jìn)行科學(xué)研究，但是，僅有為數(shù)不多的幾個(gè)探測(cè)器走出了我們的太陽系，慢吞吞地飛往更加遙遠(yuǎn)的區(qū)域。例如，“旅行者”號(hào)探測(cè)器的運(yùn)行速度大約是每小時(shí)65000千米，僅相當(dāng)于光速的0.00006%。

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律F=ma，在受力相同的情況下，物體的質(zhì)量越小，加速度越大。人類釋放的無人飛船也許應(yīng)該換個(gè)思路，不再貪大求全，而是朝小型化方向發(fā)展。如此一來，使用同樣的能量，就可以飛得更遠(yuǎn)。

進(jìn)行恒星際探索的辦法是利用可以達(dá)到極高速度的微型飛船，也就是納米飛船。粒子加速器中的質(zhì)子之所以能達(dá)到接近光速的速度，是因?yàn)樗鼈兎浅Ｐ?，而且非常輕。同理，非常小的無人太空探測(cè)器也將非常輕，可以達(dá)到接近光速的速度，可以進(jìn)行星際空間探索。目前，密歇根大學(xué)的研究人員正在制造納米發(fā)動(dòng)機(jī)，相信不久的將來，這種發(fā)動(dòng)機(jī)有望掀起一場(chǎng)迷你飛船的新潮流。

密歇根大學(xué)的布萊恩·吉爾斯特和他的同事們正在研發(fā)一種利用納米粒子作為推進(jìn)材料的發(fā)動(dòng)機(jī)，它大部分都是采用MEMS技術(shù)，直接雕刻在極薄的硅片上。這種納米發(fā)動(dòng)機(jī)的厚度不超過1厘米，擁有好幾萬個(gè)加速器，可以安裝在一塊跟郵票差不多大的地方。這些“粘貼”上的推進(jìn)器可以給微型飛船提供能量，讓它們飛到很遠(yuǎn)的地方。這種發(fā)動(dòng)機(jī)被稱作“納米粒子場(chǎng)提取推進(jìn)器”。微型推進(jìn)器的工作原理跟龐大的粒子加速器的迷你版非常類似。這種裝置利用堆疊在一起的很多微米厚度的“門”，在導(dǎo)電層和絕緣層之間交替運(yùn)行，產(chǎn)生電場(chǎng)。這些尺寸小、強(qiáng)度高的電場(chǎng)給一個(gè)導(dǎo)電納米粒子團(tuán)充電，為這些粒子加速，把它們發(fā)射到太空，生成快速運(yùn)行的粒子流。

自我復(fù)制的飛船

馮·諾依曼機(jī)

一旦納米飛船進(jìn)入恒星際空間，從地球上把指令傳到納米飛船上可能需要很長時(shí)間，所以納米飛船必須具有充分的自主權(quán)和自我修理能力。它應(yīng)該由一臺(tái)高智能的計(jì)算機(jī)控制和管理。具有自我修理功能和自主判斷力的機(jī)器，實(shí)質(zhì)上幾乎已經(jīng)具備了自我復(fù)制能力。對(duì)這樣的機(jī)器而言，只要有正確的指令，它們就能制造出任何東西。美國物理學(xué)家弗蘭克·提普勒把此類裝置稱作“馮·諾伊曼探測(cè)器”，以紀(jì)念最先研究和分析這類機(jī)器的著名美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼。馮·諾伊曼在《自復(fù)制自動(dòng)機(jī)理論》一書中，通過構(gòu)造數(shù)學(xué)模型證明了可以建造一臺(tái)相當(dāng)復(fù)雜的機(jī)器，該機(jī)器能夠進(jìn)行精確的自我復(fù)制。

馮·諾伊曼探測(cè)器一旦抵達(dá)其他恒星的行星系統(tǒng)，可以立即就地取材復(fù)制一批自己的“拷貝”，并將其送往別的星球。這樣，一代又一代的馮·諾伊曼探測(cè)器最終會(huì)遍及銀河系中的每一個(gè)行星系統(tǒng)，它們將把探測(cè)器獲得的信息發(fā)送給發(fā)射第一臺(tái)探測(cè)器的地球。如果在某一個(gè)行星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)?shù)氐摹巴林蔽拿鳎T·諾伊曼探測(cè)器就會(huì)想方設(shè)法與他們接觸；如果找不到智慧生命，它們也會(huì)把當(dāng)?shù)氐淖匀磺闆r報(bào)告回去。

人工智能與生物技術(shù)的結(jié)合，可能會(huì)構(gòu)成一個(gè)理想的馮·諾依曼探測(cè)器。從某種意義上說，這種先進(jìn)的探測(cè)器類似生物體，它具有生物體所有的功能：能夠自我修復(fù)，在遙遠(yuǎn)衛(wèi)星的冰凍表面上尋找“食物”，同時(shí)生產(chǎn)出幾千臺(tái)小探測(cè)器以繼續(xù)開發(fā)星系；它的人工智力很高，可以執(zhí)行基本的任務(wù)，并能總攬全局獨(dú)立做出決定。它還有“感情”，在避開危險(xiǎn)之前，能感覺到“疼痛”；在遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星上補(bǔ)足能量后能感覺到“舒服”；在看到后代時(shí)，能體驗(yàn)到“做母親的愉悅”；在完成基本任務(wù)后，會(huì)覺得高興并有一種成就感。這些功能都有助于在太空中執(zhí)行任務(wù)。

向其他恒星系移民

銀河系中有上千億顆恒星，有的擁有類似地球的行星，有的則沒有。向其他恒星系移民最簡(jiǎn)單的辦法，是向太空中發(fā)送大量馮·諾依曼探測(cè)器，這些微型機(jī)器人探測(cè)器將在遙遠(yuǎn)恒星系的衛(wèi)星上著陸，并建造能自我復(fù)制的機(jī)器人工廠。利用從大氣和土壤中提取的化學(xué)物質(zhì)，機(jī)器人工廠可以生產(chǎn)出幾千個(gè)復(fù)制品，它們將飛往深層太空去搜尋更多的恒星系。這個(gè)過程可以無限重復(fù)，每重復(fù)一次，產(chǎn)生的新探測(cè)器數(shù)目將是馮·諾依曼探測(cè)器原有數(shù)量的幾千倍。通過這種方法，有可能在最短的時(shí)間內(nèi)分析完數(shù)百萬個(gè)恒星系。

利用核火箭或者激光帆跨越兩顆恒星之間的平均距離，大概需要50年。核火箭或者激光帆可以攜帶大量的馮·諾伊曼探測(cè)器。如果這些探測(cè)器進(jìn)行一次自我復(fù)制要花50年的時(shí)間，那么一臺(tái)馮·諾伊曼探測(cè)器的子孫后裔充斥整個(gè)銀河系所需的時(shí)間大約是100萬年，這要比銀河系本身的年齡100億年短得多，甚至也比地球的年齡46億年短得多。最妙的是，這期間完全可以“撒手不管”，任探測(cè)器自生自滅。

如果用反物質(zhì)火箭以0.5倍光速發(fā)射這些探測(cè)器，那么就可以等待感興趣的恒星系的信號(hào)源源不斷而來。在1000年的時(shí)間里，馮·諾依曼探測(cè)器可以將500光年以內(nèi)的所有恒星系星圖繪制出來。在10萬年里，馮·諾依曼探測(cè)器可以將銀河系中正好一半的恒星開采完畢。這種探測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前采用的單一探測(cè)器。

納米機(jī)器蠶食宇宙

掃除納米灰霧

不過，自我復(fù)制的納米技術(shù)一旦失控，帶來的災(zāi)難比機(jī)器人的失控還要可怕。在科幻片《特種部隊(duì)：眼鏡蛇的崛起》中，恐怖分子在巴黎發(fā)射了裝滿微型納米機(jī)器人的導(dǎo)彈，只見爆炸產(chǎn)生的迷霧轉(zhuǎn)瞬間吞噬了房屋、汽車，路人亦不能幸免……要不是特種部隊(duì)及時(shí)發(fā)射無線電指令關(guān)閉數(shù)以億計(jì)的納米機(jī)器人，埃菲爾鐵塔都要成為納米機(jī)器人的食物。同樣的情節(jié)在《地球停轉(zhuǎn)之日》等科幻片中也都出現(xiàn)過。自復(fù)制機(jī)器席卷一切物質(zhì)復(fù)制自身，所到之處遍布它們的克隆體，科幻小說《蟹島驚魂》也講述了類似的故事。

納米技術(shù)的靈感來自于美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)因曼1959年所做的一次題為《在底部還有很大的空間》的演講。這位當(dāng)時(shí)在加州理工學(xué)院任教的科學(xué)家向同事們提出了一個(gè)新的想法：自石器時(shí)代開始，人類從磨尖箭頭到用激光雕刻芯片的所有技術(shù)，都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計(jì)的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。費(fèi)因曼反問道，為什么我們不可以從另外一個(gè)角度出發(fā)，從單個(gè)的分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以滿足我們對(duì)制成品的需要呢？比如可以把數(shù)百萬個(gè)微型機(jī)器放入人體的血液中，讓它們攻擊癌細(xì)胞，或者利用小型手術(shù)刀抗擊艾滋病毒，也可以用一群小型清潔機(jī)器人吃掉河流中的污染物，還可以開發(fā)出微型工業(yè)機(jī)器人，在短時(shí)間內(nèi)用無數(shù)個(gè)分子制造出我們希望得到的物品。然而，現(xiàn)在面臨的最大問題是，如何制造出數(shù)萬億個(gè)這種小型機(jī)器人——方法很簡(jiǎn)單，只要教會(huì)它們?nèi)绾卫铆h(huán)境中的物質(zhì)像細(xì)胞一樣復(fù)制自己。

納米技術(shù)之父埃里克·德雷克斯勒在提出上述美好的假設(shè)后，想象力及時(shí)剎車，提出了一個(gè)令人毛骨悚然的有關(guān)世界末日的假說——納米機(jī)器人或許更像微型終結(jié)者，它們比大自然的創(chuàng)造物更加先進(jìn)，會(huì)在一夜之間徹底打敗有機(jī)生命，遵循進(jìn)化論的規(guī)則消滅所有有機(jī)生命。

《侏羅紀(jì)公園》的作者邁克爾·克萊頓曾寫過一部名為《獵物》的科幻小說，在這個(gè)故事中，一群逃出實(shí)驗(yàn)室的納米機(jī)器人迅速進(jìn)行智能進(jìn)化，并按照“捕食獵物”程序運(yùn)行。失去控制后，它們變成了現(xiàn)實(shí)世界中的可怕掠食者。納米集群不僅在行動(dòng)上像個(gè)掠食者，而且不斷地自復(fù)制，開始追逐沙漠中的動(dòng)物，甚至對(duì)人也絕不放過。

這就是眾所周知的“納米灰霧”問題。這個(gè)問題指的是，納米機(jī)器人的自我復(fù)制開始失控，最后世界上幸存下來的只有無數(shù)的納米微型機(jī)器人?？茖W(xué)家想象，這些機(jī)器人看起來就像一片飄浮在空中的灰霧。

如何避免這個(gè)慘淡的結(jié)局呢？最好的辦法是絕不給它們植入“復(fù)制”自身的程序。再者就是給這種危險(xiǎn)的類生命體裝上統(tǒng)一的死亡開關(guān)，當(dāng)其數(shù)量達(dá)到某個(gè)閾值或接到指令后，就會(huì)停止繁殖，以此保證它們?cè)谑盏健瓣P(guān)閉”指令時(shí)，能夠停止吞噬周圍物質(zhì)的破壞行為。不過，這并不能保證恐怖分子造出一批納米機(jī)器人進(jìn)行要挾，也無法保證它們?cè)趶?fù)制過程中偶然的程序失靈，或者無線電指令發(fā)射器干脆也被它們吃掉。如果上述情況發(fā)生，人們只能祈禱了。因?yàn)檎麄€(gè)地球都會(huì)變成一坨納米機(jī)器人，它們?cè)谔栵L(fēng)的吹拂下會(huì)自由自在地飄到火星、木星……吞噬掉所有太陽系的物質(zhì)后，它們還會(huì)向銀河系深處蔓延。在這種情境下，就連科技發(fā)達(dá)的外星人都要恨恨地想，為何會(huì)有不知死活的家伙要發(fā)明這種可怕的東西？

倫理問題

即使解決了納米機(jī)器人的失控問題，還有倫理問題橫亙?cè)诩{米飛船的前進(jìn)道路上。自我復(fù)制飛船進(jìn)入外星系后，將“采集”這個(gè)星系的物質(zhì)與能量供自身運(yùn)轉(zhuǎn)和自我復(fù)制使用。生于行星地球的人類有權(quán)支配其他恒星和地外行星的資源嗎？自我復(fù)制飛船上的生命探測(cè)儀能否準(zhǔn)確分辨這個(gè)地外行星是否有智慧生命存在？使用目的地的資源，是否會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)卦斐森h(huán)境破壞與污染，以致影響其生命進(jìn)化的軌跡？

換位思考，如果與碳基生命完全不同的“外星人”發(fā)射的自我復(fù)制飛船到達(dá)地球，沒能識(shí)別地球是一顆生機(jī)勃勃的行星，徑自開始強(qiáng)拆地球，人類將作何感想？可見，有效率的東西看起來美好，卻未必是善的。或許，只有開發(fā)出一種適用于納米飛船的“機(jī)器人三定律”，并將保證智慧生命及其居所的安全作為最高定律，人類才能放心地把納米飛船像蒲公英種子一般撒入太空?！矩?zé)任編輯：楊 楓】

相關(guān)知識(shí)

普通人也能去太空旅游了？SpaceX想送首個(gè)全平民機(jī)組進(jìn)太空軌道
納米纖梅
孕婦納米鈣
年產(chǎn)800噸納米電子陶瓷項(xiàng)目可行性研究報(bào)告.doc
“旅行+運(yùn)動(dòng)”：最in的當(dāng)代健康生活方式
康養(yǎng)旅行 ｜ 用旅行的方式舒緩身心，用康養(yǎng)旅居的方式
太空艙食品，健康代餐的鼻祖
2024年納米銀抗菌靈項(xiàng)目可行性研究報(bào)告.docx
納米生物醫(yī)用材料的進(jìn)展研究
象州納祿村：文化+農(nóng)業(yè)+旅游=小康生活

網(wǎng)址: 納米時(shí)代的太空旅行 http://www.u1s5d6.cn/newsview551273.html