纳米计算机与纳米技术

PAGE33/NUMPAGES34第一部展望的基础

第一章建筑的发动机

蛋白质工程……同意我们一个原子一个原子地构造物质，代表了我们迈向具有更通用能力的分子工程的首要一步。

——KEVINULMER（基因探究性研究公司董事长）

煤和钻石，砂子和芯片，癌细胞和健康组织：纵观历史，原子排列的不同导致了廉价和贵重，疾病和健康的显著区不。按一种形式排列，原子形成了土壤，空气和水；按另一种形式排列，它们形成了草莓。按一种形式排列，它们形成了家园和新奇空气；按另一种形式排列，他们形成了烟雾和灰尘。

我们排列组合原子的能力取决于我们的技术基础。我们在原子排列的路上差不多走了专门长时刻了，从砸石头制作箭头到加工铝制作宇宙飞船。我们为我们的救生药和计算机技术而骄傲。然而我们的飞船依旧专门粗糙，我们的电脑依旧专门笨，我们躯体组织里的分子依旧会变得无序，先是摧毁健康，然后是生命本身。我们所有在排列原子方面的进展仍然在使用原始的方法。我们现在的技术仍然是把原子作为杂乱的一大堆来操作。

然而自然的法则为进展留出了足够的空间，同时全球竞赛的压力也促使我们快速向前，不论是好是坏，历史上最伟大的技术突破正在到来！

两种类型的技术

我们的现代技术建立在一个古老的传统上。3万年前，石片切削是当时的高技术。我们的祖先手里抓着含有1024个原子的石头，去掉含有1021个原子的碎片来制造他们的战斧；他们使用的技巧现在都难以模仿。他们也能把手作为模板，用颜料在洞壁上画画。之后他们用粘土烧制陶罐，然后是烧化矿石得到青铜，他们锤打青铜使之成型。他们炼出了铁，然后是钢，用加热、锻打、切削的方法使之成型。

我们现在能烧制更纯的陶瓷和强度更高的钢，然而我们仍然使用锻打、切削等的方法来使它们成型。我们炼制纯硅，把它们切成薄片，用紫外线通过模板在它们的表面蚀刻图案。我们把完成的产品叫做芯片同时认为它们极其精细，至少和斧头比起来是如此。

我们的微电子技术的进展差不多使得计算机从1950年代的塞满整个房间的大伙儿伙缩小到了能够放在口袋里的地步。工程师们现在正在制造更小的装置，在晶体表面放置大量原子形成线路，宽度只有头发丝的1/10。

这些微电路按石片的标准来讲可能算小，然而其每个晶体管仍然由1012个原子组成，因此所谓的微型电脑仍然是肉眼可见的，而按照更新的更有威力的技术的标准来看它们就象是巨人。

把我们从石器时代领到硅芯片时代的旧形式的技术把原子和分子当作一大堆来使用；称作“体积技术”，新形式的技术将精确地操纵单个的原子和分子；称作“分子技术”。它将在专门多方面超出我们想象地改变我们的世界。

微电路部分地用微米来度量——确实是讲一米的百万分之一，而分子要用纳米来度量（再小1000倍）。我们能够使用“纳米技术”和“分子技术”来交替地描述这种新形式的技术。新技术工程师们将制造纳米电路和纳米机器。

今日的分子技术

在一本字典里如此定义机器“一种系统，通常有刚性的主体，连接成型以便按预先定好的方式改变、传输、引导力来实现特定的目标，诸如做有用的工作。”分子机器专门适合此定义。

要想象如此的机器，你必须先有分子的形象。我们能够把原子想象为一个珠子而分子是一团珠子，就像小孩玩的由按扣连起来的珠子。事实上，化学家们确实有时也用塑料球建筑分子模型。原子是圆形的象球，尽管分子键并不是按扣，但我们的图像至少抓住了分子键能够被打断和重连接的差不多概念。

假如一个原子象一个小弹球那么大，一个相当复杂的分子就会像你的拳头那么大。如此的想象对我们特不有用，原子大约是细菌尺寸的1/10000，细菌大约是蚊子尺寸的1/10000。（原子核是原子自躯体积的1/100000；原子和原子核的差不，就像一团火和一次核反应之间的差不）

我们周围的物质性质取决于它们的分子的属性。空气的形状和体积都不固定是因为它的分子能够自由移动，在开放的空间中碰撞跳动。水分子粘在一起同时又到处移动，因此水在变形的同时保持体积不变。铜保持它的形状是因为它的原子按规则形式粘在一起；我们能弯曲和锤打它是因为它的原子能够互相滑动同时又保持联系。玻璃在锤击下会破裂是因为它的原子在滑动之前就互相分离了。橡胶由互相扭曲在一起的大分子网络组成，象一堆弹簧，当拉长和放开后，它的分子也被拉直和重新盘绕。这些简单分子结构形成的是消极被动的物质，更复杂的形式形成了活细胞中的活动的纳米机器。

生化学家差不多在利用这些机器，要紧是蛋白质，蛋白质也是活细胞的要紧构成材料。这些分子机器由相对少的原子组成，因此它们的表面凸凹不平，就像把一堆珠子粘在一起的那种形状。同时专门多对原子之间的键能够被弯曲和旋转，因此蛋白质机器具有非同一般的灵活性，同时和所有的机器一样，它们有不同形状的部件和尺寸来完成有用的工作。所有的机器都使用一大堆原子作零件，蛋白质机器仅仅是使用了专门小的一堆原子。

生化学家梦想能设计和制造如此的装置，然而有专门多困难要克服。工程师们用光束在硅片表面上蚀刻，而化学家们要做的比这苦恼的多。假如他们想要组成不同的分子，他们只能有限地操纵分子的结合。当生化学家需要复杂的分子机器时，他们依旧不得不从细胞中借用。然而，先进的分子机器将使他们能像工程师们制造微电路和洗衣机那样容易地制造纳米电路和纳米机器，之后进步将变得快速而富有戏剧性。

在现代基因合成机器里，基因工程师们建筑了更规则的聚合体——专门的DNA分子——通过按特定的顺序组合分子，这些分子确实是DNA中的核苷酸（基因字母表中的字母），基因工程师们并不是把它们像倒垃圾那样倒在一起，他们引导机器按特定顺序加入不同的核苷酸以便拼出有特定含义的信息。他们先将一种核苷酸加入到链的末端，然后洗掉多余的材料，然后加入化合物让新链的末端预备好能够加入下一个核苷酸，重复此步骤链就按照特定的顺序一次一个单位地不断的生长。他们把链的头部固定在一个固体表面防止链被冲洗的液体冲走，通过这种方法，他们用一个大而笨的机器合成了一个比它自己小一亿倍的专门的分子结构。

然而这种“盲打”操作有时会丢失链条上的核苷酸，随着链条的增长，这种可能性也在增加。像工人在组装前把有缺陷的零件丢掉一样，基因工程师也通过抛弃坏链条来减少错误，然后为了把这条短链加入工作基因（通常有几千个核苷酸长），他们将使用在细菌中发觉的分子机器。

这些蛋白质机器，称为限制酶，“读取”某种含义为“剪这儿”的DNA片断，他们通过碰触，然后粘在上面来读此信息，并通过重新排列一些原子来剪断链条。其他的酶通过读取“粘这儿”的信息把剪下来的片断结合到一起，过程与剪断类似，只是通过重新排列原子把不同的片断结合起来。通过用基因合成机器写，用限制酶剪切和粘合，基因工程师们能够写入和编辑任何它们想要的DNA信息。

就DNA本身来讲，它是一种无用的分子，它既不象Kevlar（凯芙拉）那么结实，又不象染料分子那么多姿多彩，更不象酶那么爽朗，然而它有某种特质使得工业上情愿花成百万的美元来获得：这确实是能够指挥被称为核糖体的分子机器的能力。在细胞中，分子机器首先转录DNA，复制它的信息到RNA“磁带”上，然后专门象早期的靠纸带上记录的信息来操纵加工的数控机床，核糖体通过读RNA链上的信息来合成蛋白质，而蛋白质是特不有用的。

核糖体（图中央的绿色土豆状物体）通过读取RNA分子（图中那串黄色的珠子）上的信息来合成蛋白质长链（紫色长链）

蛋白质，象DNA一样，也是由一堆珠子串成的链，然而又不象DNA，蛋白质分子折叠起来形成能够做点情况的小团团。一些称为酶，建筑和分解分子的机器（以及复制DNA，建筑生命循环所需的其他蛋白质），其他蛋白质称为激素，作为信号来使细胞改变它们的行为。基因工程师们能够通过指导这些存在于生物组织中的廉价而有效的分子机器来方便地制造达到目的。在化工厂工作的工程师们必须应付大桶的化学药品（经常错排原子和产生有害的副产品），而用细菌工作的工程师们则让它们汲取化学物质，小心地重排原子，把产品存储起来或者排放到它们周围的液体中。

基因工程师们现在能够通过为细菌编程来生产从人的生长荷尔蒙到RENNIN，一种制造干酪的酶。一家叫Elililly的药物公司现在向市场供应Humulin，由细菌生产的人类胰岛素分子。

现有的蛋白质机器

这些蛋白质激素和酶有选择地结合其他的分子。酶能够改变目标的结构，然后移开；激素仅仅在和目标结合时才改变其属性。激素和酶能够用机械术语来描述，然而它们更经常地被用化学术语来描述。

其它的一些蛋白质执行差不多的机械功能，一些能够推和拉，一些则象绳子和杠杆，一些分子部件形成了极好的轴承。例如肌肉的工作机制，一群蛋白质抓住一条绳子（也由蛋白质构成），拉它，然后松开为下一次抓握作好预备；不管何时只要你运动，你就在使用这些机器。阿米巴变形虫和人类细胞通过使用分子构成的类似于“肌肉”和“骨骼”的纤维和长杆来移动和改变它们的形状。一台可反转的，可变速的马达通过旋转螺丝锥形的螺旋桨来驱动细菌在水中潜行。假如某位爱好者用此马达制作了一部微小的汽车，那么你的口袋里能够放下1018个这种小车，同时在你的毛细血管里能够为它建筑一条150车道的高速公路。

简单的分子装置能够结合起来形成系统就象工业机器一样。在1950年代工程师们开发了用穿孔纸带操纵的金属加工机床。一个半世纪往常，Joseph-MarieJacquard建筑了一台织布机，在一串穿孔卡片的操纵下它能够编织复杂的图案。在Jacquard之前30亿年，细胞差不多进化出了核糖体机器，它们证明了纳米机器能够由蛋白质构成同时通过RNA的编程能够制造复杂的分子。

T4噬菌体

现在我们来看看病毒，其中的一种叫T4噬菌体，工作起来象一个弹簧驱动的注射器，其形状在任何工业手册上都找不到类似物。它会粘附到一个细菌表面，打个洞，然后把自己的DNA注射到里面去（是的，即使细菌也得遭受打针之苦）。就象制服者夺取工厂为他们生产坦克一样，这些DNA会指导细胞机器制造更多的病毒DNA和注射器。象所有生物体一样，这些病毒存在是因为它们相当稳定同时善于获得它们自己的复制品。

不管是否在细胞内部，纳米机器都遵守自然的普遍法则。一般的化学键将它们的原子连接到一起，一般的化学反应（由其他纳米机器引导）把它们组装起来。蛋白质分子甚至能够不用额外辅助就能够连接并成形，仅仅由热运动和化学力驱动。同过在试管里混合不同的蛋白质（以及它们为之工作的DNA），分子生物学家差不多合成了能够工作的T4病毒。这种能力是惊人的：想象把一堆汽车零件放到一个箱子里，摇晃它，当你再往里看的时候你就看到了一台组装好了的汽车！而T4病毒仅仅是许多自组装结构的一种。分子生物学家差不多把核糖体分解成50种蛋白质和RNA分子，然后在试管中混合它们以形成可工作的核糖体。

为了看到这一切是如何发生的，我们能够想象不同的T4蛋白质链漂移在水中，每种都折叠缠绕成专门的团状，具有各自不同的突起和凹处，形成不同的粘度、湿度和电荷分布。想象它们不断游动和翻滚，被周围水分子的热运动推来挤去。一次又一次地撞到一起又被撞开，在有些情况下，两个撞在一起的分子由于突起和凹处正好适合而匹配，它们就紧紧地结合在一起；通过这种方式蛋白质和蛋白质结合形成部件，而部件结合形成了整个病毒。

蛋白质工程师们不需要纳米臂和纳米手来组装复杂的纳米机器，然而微小的操纵器依旧有用的和应该被制造的。和今日的工程师们用一般马达、轴承和动作部件来制造机械手一样，明日的生化学家将能使用蛋白质分子构成马达和轴承以及动作部件来组装成机械手以便能够操纵单个分子。

蛋白质设计

如此的能力离我们有多远？现在差不多上路了，然而还有专门多工作要做。生化学家们差不多画出了专门多蛋白质的结构。通过使用基因机器来写DNA磁带，它们能够指导细胞建筑任何他们设计出来的蛋白质。然而他们仍然不明白如何使蛋白质链条折叠成正确的形状来完成特定功能。折叠蛋白质的力是弱的，而蛋白质链能够折叠的形式却是个天文数字，因此设计一个有用的蛋白质是不容易的。

使不同蛋白质结合形成复杂机器的力和把单个蛋白质链折叠成有用形式的力是同一种力。具有不同形状和结合力的氨基酸——形成蛋白质链的珠子——使得每个蛋白质链通过特定的方式折叠形成专门的形状。生物化学家差不多学到了一些关于氨基酸链如何折叠的规律，然而这些规律还不是专门确定，尝试预测一条氨基酸链如何折叠就象解一道七巧板难题，同时没有可见的形状让你明白拼图是否是正确的，每个小块都有专门多种方式与不的小块结合，然而除了一种之外其他的结合方式差不多上错误的。错误的开始会白费专门多宝贵的时刻，同时正确的答案我们又几乎不能识不，生化学家使用了当前能得到最好的计算软件依旧不能预测一条自然的蛋白质长链是如何折叠的，一些人甚至差不多对设计蛋白质分子无望了。

绝大部分生化学家象科学家那样工作而不是象工程师。他们致力于预测一条自然的蛋白质链如何折叠，而不是设计一条能够按预测方式折叠的蛋白质链，这听起来是相似的，然而实际上有专门大差不：首先是科学上的挑战，其次是工程上的挑战。什么缘故自然的蛋白质链要按照科学家容易预测的方式折叠？它们会按照自然的需求正确折叠，而不是按照人们容易理解的方式折叠。

能够从开始设计蛋白质时就按照使它们的折叠专门容易预测的目标来设计。CarlPabo，自然杂志的专栏作家，差不多提出了一个基于那个策略的设计方法，一些生化学家也差不多设计和建筑了具有几十个氨基酸的短链然后按照设计好的方式折叠和安置在其它分子的表面。他们现在能够从头开始设计一种蛋白质，其特性与一种存在于蜜蜂毒液里的蜂毒素类似。他们改进现有的酶，按可预测的途径改变它们的行为。我们对蛋白质的认识正在与日俱进。

在1959年，按生化学家GarrettHardin的讲法，一些基因学家声称基因工程是不可能的；而今天，它差不多形成产业。生化学家和计算机辅助设计开始探究新的领域，就象FrederickBlattner在科学杂志上写的那样：“计算机象棋程序差不多达到了特级大师的水平，也许蛋白质折叠问题的解决会比我们想象的要快。”Genentech的WilliamRastetter在“应用生化技术”上写道：“新酶的设计和合成还要多久？10，15年？”他答道，“也许不需要那么久。”

美国海军研究实验室的ForrestCarter，IBM的AriAviram和PhilipSeiden，Genex公司的KevinUlmer，以及其他分布在全球的大学和工业实验室里的研究者们差不多开始进行理论性的工作和试验，目标是进展分子开关、存储装置以及其他结构以便组成蛋白质计算机。美国海军研究实验室拥有两个国际性的车间制造分子电子装置，一个由美国国家科学基金会赞助的会议建议支持开发分子计算机的基础性研究。据闻日本差不多开始了一个数百万美元的打算开发具有自组装能力的分子马达和计算机。VLSI研究公司的报告中写道：“看起来生物芯片（分子电子系统的另一种叫法）的竞赛差不多开始。NEC，日立，东芝，Matsushita，富士，三洋和夏普差不多开始全面地进行生物芯片和生物计算机的研究。”

生物化学家有另外的理由来学习蛋白质设计的艺术。新的酶确信能够使肮脏、昂贵的化学处理变得更廉价和更洁净，同时奇妙的蛋白质也为生化学家提供了一个更宽敞的工具选择范围。他们差不多走上了蛋白质工程之路，就象本章开头引用的KevinUlmer的话讲的那样，这条路将带我们“走向一条能够让我们获得一个原子一个原子地构成物质的更通用能力的分子工程之路。”

第二代纳米技术

尽管具有多功能性，蛋白质作为工程材料来讲也有缺点。蛋白质机器在干燥的环境下会不工作，冷冻时会凝固，加热时会失效。我们并不用肌肉，头发和胶水来制造机器，几个世纪以来，我们用由我们的肌肉和骨骼组成的手来制造由木头、陶瓷、钢铁和塑料组成的机器。我们在今后仍将这么做。我们用蛋白质机器来制造由比蛋白质更坚硬的材料组成的纳米机器。

随着纳米技术的进展超越了对蛋白质的依靠后，从一个工程师的角度来看，它将变得更平常。分子将象装配工手里的零件一样被组装，然后组装好的部件被安装牢固。就象一般工具能够把零件组装成一般机器一样，分子工具把分子组装在一起形成微小的齿轮、马达、杠杆、外壳然后把它们组合成复杂的机器。

只含有几个原子的部件是粗糙的，然而工程师们能够使用这些粗糙的部件，假如他们有光滑的轴承的话。专门方便地，一些原子间的结合力形成了专门好的轴承；一个部件能够被一个简单的化学键托起同时能够自由地光滑地旋转。由于一个轴承能够由仅仅两个原子构成（因此运动部件能够仅仅由数个原子组成），纳米机器的确能够拥有分子尺寸上的机械零件。

我们将如何样制造这些更好的机器？一直以来，工程师们利用技术本身来改进技术。他们用金属工具来切削金属制成更好的工具，用计算机来设计更好的计算机。他们也一样会用蛋白质纳米机器来制造更好的纳米机器。酶显示了这种方法：它们通过从周围的水中抓取小分子并把它们放到一起形成键来组装大分子。酶通过这种方法来组装DNA、RNA、蛋白质、脂肪、激素以及叶绿素——事实上是生物体内的所有分子。

生化工程师们，将制造新的酶来组装新的原子结构。例如，他们可能制造一种象酶一样的机器，它能够把碳原子连接在一点上，一层又一层的垒起来。假如连接正确的话，原子将会形成一条极好的柔韧的钻石纤维，这条纤维将比同样重量的铝合金强度高50倍。宇航工程公司将排着队来成吨地买如此的纤维去造性能先进的复合材料。（这显示了军事竞赛将会推动分子技术的一个小缘故，就象在过去它推动了许多领域一样）。

当蛋白质机器能够建筑比纤维更复杂的结构时就意味着伟大的进步立即到来。这些可编程的蛋白质机器将象由RNA编程的核糖体，或者老一代纸带编程的自动机床那样工作。它们将开创一个新的充满了可能性的世界，使工程师们摆脱蛋白质的限制，直接设计和制造纳米机器。

工程蛋白质将象酶那样分裂和连接分子。现有的蛋白质结合多种小分子，使用它们作为化学工具，新的工程蛋白质将使用所有这类工具甚至更多。

此外，有机化学家显示了化学反应在没有纳米机器引导分子的情况下也能够产生显著的结果。化学家不能操纵液体中的分子碰撞，因此分子任意地起反应，仅取决于它们如何结合，然而他们仍然试图让反应分子形成规则结构诸如立方体或十二面体，或者形成不太稳定的结构比如键高度绷紧的分子环。分子机器将具有形成键的多功能性，因为它们能利用熟悉的分子运动来形成键，同时能引导这些运动，而这是化学家做不到的。

因此，由于化学家还不能引导分子运动，他们专门少能按照特定要求组装复杂分子。他们能造的最大的复杂分子只是一些线性长链。化学家制造这些结构的方式类似于基因机器，他们一次一个地把分子依次接到链上。因为只有一种连接可能性，因此他们能够确信下一个会连到正确的位置上。

然而假如面对一个团状的，有上百个氢原子在表面上的疙疙瘩瘩的分子，化学家又如何样才能从上面分离一个特定的原子或者放些东西在它表面呢？使用简单化学药品是几乎不可能做到的，因为一般小分子是不能选择在什么位置和大分子起反应的，然而蛋白质机器是有选择性的。

一个可变形的可编程的蛋白质机器能够抓住一个大分子（工件）同时又相应地在对应的位置抓住一个小分子。象一个酶那样它会把两个分子结合起来。通过结合一个又一个的分子到工件上，机器会组装出越来越大的结构体同时保持对结合到主体上的原子的完全操纵。这正是化学家所欠缺的关键能力。

就象核糖体一样，这种纳米机器能在分子磁带的指导下工作。不同于核糖体，它们能够操纵更多种小分子（不仅是氨基酸分子）同时能够把它们安装到工件的任何位置而不只是在链的末端。蛋白质机器因此能够集中酶的分解与结合能力以及核糖体的可编程性质于一身。尽管核糖体只能制造未折叠的蛋白质，这些蛋白质机器却能够建筑组成金属、陶瓷或钻石的微小的固体块——小到看不见，然而却是粗糙的。

因为我们的手指容易被擦伤或烫伤，因此我们制造了钢钳，而因为蛋白质机器容易变形和分解，我们将制造由更坚硬的材料制成的纳米机器。

通用组装机

这些第二代纳米机器——不仅由蛋白质构成——将能做所有蛋白质能做的工作，以及更多的工作。特不是，一些将作为组装分子结构的改进装置，能忍受酸性或真空，冷冻或烘烤。通过不同的设计，这种类似酶的第二代纳米机器将能作为化学家手中的工具去操纵几乎任何反应分子，具有可编程机器的精确性。它们能把原子结合成任何稳定的形态，能够一次一点地把零件加到工件表面直到形成一个复杂结构体。我们能够把如此的纳米机器想象成一个装配工。

因为装配工能够让我们把原子按任何合理的顺序排列，它们能够帮我们建筑任何自然法则同意存在的东西，特不是，它们能够让我们能按照设计建筑任何东西——包括更多的装配工。这导致的结果是意义深远的，因为我们的原始的工具只让我们探究了自然法则同意的可能性的专门小一部分。组装机将开创一个新技术的世界。

在医药、航天、计算、制造以及军事方面的技术进步——都依靠于我们排列组合原子的能力。通过使用组装机，我们将能重塑我们的世界或者毁灭它。在这点上来讲我们应该退后一点以便看清前景，同时能使我们确信组装机和纳米技术不仅仅是个以后的幻影。

明确结论

在前面我讨论过的所有内容差不多上基于已被证明的化学和分子生物学事实。然而人们依旧会基于根深蒂固的物理学和生物学观念提出某些疑问，关于这些疑问应该给出更直接的回答。

“量子力学的不确定性原理会可不能使分子机器无法工作？”

这条原理讲明粒子不能被固定在一个精确的位置，在任何可确定的时刻范围内。它限定了分子机器的动作，就象它限定了任何不的事物的动作一样。尽管如此，计算表明不确定性对放置原子来讲并不是重要的限制因素，至少对那个地点概略讨论的目的来讲是如此。不确定性原理使电子的位置专门模糊，事实上这种模糊决定了原子的真实尺寸和结构。原子作为一个整体来讲具有相当明确的位置，而这是由它的相对厚重的原子核决定的。假如原子不能被稳定放置，那么分子将不存在。你不用学过量子力学就能够确信那个结论，因为细胞中的分子机器差不多证明了分子机器是能够工作的。

“分子的热振动会使分子机器不能工作或者太不稳定而没有用处吗？”

热振动将会引起比不确定性原理更大的问题，然而现存的分子机器仍然证明了分子机器能够在常温下工作。除开热振动不谈，细胞中的DNA复制机制在100，000，000，000次复制中只有不到一次出错。为了达到如此的精度，细胞使用了机器（例如DNA聚合酶）来保证复制以及纠正错误。组装机也需要相似的错误检查和错误纠正机制以达到可靠的结果。

“辐射会分解分子机器使它们失去作用吗？”

高能射线能够打断化学键从而分解分子机器。活细胞多次显示了此种结果：它们整年地工作来修补和替换被辐射破坏的部分。由于单个分子机器是如此小，以至它们对射线来讲太小而专门少被击中。因此假如一个纳米机器系统要可靠工作，它必须能容忍一定的破坏，同时被破坏的部件也必须能被有规律地修补和替换。这种达到可靠性的方法被飞机和飞船的设计者所熟知。

“由于进化没有产生组装机，是否讲明它们是不可能实现的或者是无用的？”

前面的问题能够部分地用细胞中工作的分子机器来回答。这是一个简单而有力的案例，证明了自然法则同意一团原子组成可控机器，能建筑其它的纳米机器。然而尽管和核糖体有差不多的相似性，组装机依旧不同于细胞中发觉的任何东西，它们做的事——尽管是由一般的分子运动和反应组成——却能带来奇异的结果。例如，没有一种细胞能制造出钻石纤维。

新型的纳米机器能带来新的有用的能力的观点可能是令人吃惊的：在几十亿年的进化中，生命从来没有抛弃它对蛋白质机器的差不多的信念。是否这就暗示了进步是不可能的？进化是通过微小的改变来完成的，DNA的进化不能简单地取代DNA。由于DNA/RNA/核糖体系统是特不用来制造蛋白质的，生命实际上没有机会进展另外的系统。任何产品经理都会感激那个理由，比工厂更甚，生命不能承受被关闭以便更换旧的系统带来的后果。

改进的分子机器也可不能比合金钢的强度10倍于骨头，或者铜导线传导信号的速度100万倍于神经传导的速度而更使我们吃惊。汽车比美洲豹跑得快，喷气飞机比猎鹰飞的快，计算机比人心算的快。以后将带给我们生物进化上的更多例子，第二代纳米机器只是其中之一。

从物理上来讲，什么缘故先进的组装机能比现存的蛋白质机器做更多的事是显而易见的。它们象核糖体那样可编程，而且能够使用比细胞中的酶更多的工具。因为它们将用比蛋白质更坚硬、更稳定的原料制成，因此能发出更大的力，运动精度更高，以及适应更苛刻的环境。象个工业机械手——而不象任何活细胞中的东西——它们能够在程序操纵下在三维空间中旋转和移动分子，使得精确装配复杂物体成为可能。这些优势使它们能够组装形成比活细胞差不多制造出来的更多得多的分子结构。

“是否生命具有某种魔力，而在实质上使得分子机器工作？”

人们可能会怀疑人造的纳米机器是否能和细胞中的纳米机器具有同样的能力，假如有证据表明细胞中存在有某种魔力使之工作的话。这种方法被称为“生机论”，生物学家差不多抛弃了它因为他们在活细胞研究的所有方面都找到了化学和物理的解释，包括它们的运动、生长和复制。事实上，这些知识是生物学的基石。

纳米机器漂移在消过毒的试管中，在细胞之外，表现了所有它们在活细胞内表现出的行为。通过化学物质，生化学家建筑了能工作的蛋白质机器而不用活细胞的关心。例如，R.B.Merrifield使用化学技术来组装简单的氨基酸，制成牛胰岛素，一种分解RNA的酶。支配生命的自然法则同样也支配宇宙中其它的事物。

“组装机和其他纳米机器的可能性听起来有道理，然而我们什么缘故不等等看，看它们是否能被进展出来？”

纯粹的好奇心可能是检验纳米技术为我们制造的可能性的足够的理由，然而还有更重要的理由。这些进展将会在10到50年内席卷全球——确实是讲，在我们的一生之内。更甚者，下面的章节的结论将讲明等待观望的政策代价将是专门昂贵的——可能会搭上几百万人的生命，也可能会结束地球上的生命。

是不是纳米技术和组装机的可能性足以引起重视？看起来是如此的，因为这件事的核心是建立在两个确定的科学和工程事实之上的。这确实是（1）现存的分子机器提供了专门多种差不多功能，以及（2）提供这些差不多功能的部件能够被连接起来组成复杂的机器。由于化学反应能够把原子按不同方式结合，而且分子机器能够按照程序指令引导化学反应，组装机确实是可行的。

纳米计算机

组装机将带来的一个显而易见的重要的突破是：工程师们将能够用它们来大幅减小计算机的尺寸和价格同时大大地提高运算速度。

使用目前的体积技术，工程师们通过向硅片喷射原子和光子来形成图案，然而图案是平面的同时分子水平的缺陷是难以幸免的。而假如使用组装机，不管如何，工程师们能够在三维空间中建筑电路，精确到一个原子。今日的电子技术的精度极限是不确定的因为电子在微小结构中的量子特性带来了复杂问题，一些问题是不确定性原理导致的直接后果。不管它的极限在哪儿，都会由于组装机的使用而被达到。

最快的计算机将利用电子效应，但最小的未必如此。这看起来有点惊奇，然而计算的本质却和电子一点关系都没有。一台电子计算机由一堆能够彼此互相开关的开关组成，它的开关开始时是一种组合图案（可能代表2+2）然后彼此开关又形成了另一种图案（代表4），等等。这种图案能够代表几乎任何事物。工程师们用微电路来制造计算机只是因为由电线和杠杆组成的机械开关又大、又慢、又不可靠同时昂贵，按今天的标准来看。

制造纯机械计算机的方法不是什么新方法，在十九世纪中叶的英格兰，CharlesBabbage就发明了一台由黄铜齿轮组成的机械计算机，它的合作者AugustaAda女伯爵，发明了计算机程