第254章 納米技術
李水旺新一期視頻：
納米技術正從科幻的領域走向現實，在這個過程中，這些微乎其微的技術正帶來巨大的
機遇。納米技術和納米機器人正迅速成為我們這個時代最具革命性的技術之一，有望改變從醫療到製造業的各個行業。試想一下，比人類頭髮絲小一千倍的微型機器人，它們能完成複雜的任務，比如修復受損組織、靶向攻擊癌細胞，甚至在原子層面構建材料。這些微型機器可能會徹底改變我們診斷和治療疾病、設計新型材料的方式，還能應對污染、資源短缺等全球性挑戰。憑藉著無可比擬的精準度和多功能性，納米技術有望重塑未來，催生那些曾經只存在於科幻世界中的創新成果。
從科幻誕生之初，人造生命和機器人就是核心主題，然而這些虛構的造物往往形似人類，比如阿斯莫夫筆下的機器人或是弗蘭肯斯坦的怪物，並非微型機器。它們最初被塑造成龐大的高級生命體，這與地球生命的起源方式截然相反 —— 地球生命始於只能進行自我複製的微小微生物。
如今，這些微型機器在某些方面被認為比體型更大的機器人更為複雜，而這一認知也已被證實是正確的。憑藉著我們的軀體和各類工具，在宏觀層面製造物體對我們而言更為容易，微觀層面尚且不易，更不用說原子層面了。人們理所當然地認為，在納米尺度進行製造比打造大型機器和機器人更具挑戰性。
早期的科幻作品中鮮有納米技術的身影，儘管微型化的設定偶爾出現，比如顯微鏡下存在完整的文明，但這些通常只是宏觀事物的縮小版，就像《戈爾旅行記》中的安扎・盧克斯。如今我們所理解的真正意義上的納米技術，在 20 世紀 50 至 60 年代開始初具雛形。理察・費曼 1959 年的演講《底部還有大量空間》，為在原子和分子尺度製造機器奠定了理論基礎。這篇並非科幻作品的演講，啟發了科幻作家去探索納米尺度技術的種種可能性。
「納米技術」 這一術語直到 1986 年才出現，彼時埃里克・德雷克斯勒的著作《創造的引擎：即將到來的納米技術時代》正式出版。這部開創性的作品讓納米技術的概念深入人心，也對科學家和公眾產生了深遠影響。在書中，德雷克斯勒構想了一種分子製造技術，認為它能徹底改變工業、醫療和日常生活，這一想法也引發了人們對納米技術潛力的熱議與探討。他還提出了如今廣為人知的 「灰色粘質」 場景，這是一個警示性的設想：自我複製的納米機器人可能會分解世間萬物，最終讓整個世界被一片由複製機器構成的銀色海洋所覆蓋。
儘管人們常常質疑這類微型機器人是否真的能成為現實，但納米技術的範疇遠不止納米機器人。對於這項未來技術，我可以直截了當地、毫不猶豫地給出肯定答案。原因在於，我們身邊本就存在微型機器 —— 細胞和病毒，而且地球上的大部分生命都存在於微觀層面。從某種意義上來說，有人或許會認為，地球生命的誕生本身就是一場 「綠色粘質」 事件。在某個時刻，簡單的自我複製有機體出現，在地球上不斷擴散、進化，最終遍布地球的每一個角落，從山頂到海溝，甚至在深埋於冰層數英里之下的湖泊中繁衍生息。
生命的大肆繁衍讓地球的大片土地披上綠裝，徹底改變了地球大氣，使其富含氧氣，甚至還影響了地球的地質結構。無論生命的誕生是源於隨機的偶然和達爾文式的進化壓力，還是某種智慧設計，生命的存在、人類的存在都表明，我們能夠運用自身的智慧，設計出為特定任務量身打造的同類微型機器。至少，我們可以改造現有的微生物或病毒，使其為我們所用 —— 這一點我們已經實踐了數百年，烘焙和釀酒中對酵母的利用就是最好的證明。事實上，人類早已與這些被改造或被加以利用的微生物形成共生關係，比如腸道內的細菌、細胞中的線粒體。這也引發了一個問題：考慮到我們體內許多細胞並不攜帶人類的 DNA，人類的定義是否真的由 DNA 決定？
儘管如此，我們在研發納米機器人的道路上已經取得了長足的進步，納米技術也早已成為現代工程學的重要組成部分。從半導體到石墨烯，我們當下的技術廣泛運用了納米尺度的工程設計。值得一提的是，人們常常將納米尺度、微觀尺度和原子尺度混為一談，因此有必要探討一下這些尺度的具體含義，它們代表著不同的尺寸級別和複雜程度，也決定了我們研發和運用這些微型機器的方式。
對於感興趣的人來說，「微」（micro）一詞源自古希臘語 「micros」，意為 「小的、微小的」。1873 年，它被用作公制前綴，代表百萬分之一。一微米（也常簡稱為 micron）就是百萬分之一米，略大於可見光光譜中光子的波長或尺寸，這也是普通顯微鏡的觀測極限。無論顯微鏡的工藝多麼精湛，都無法分辨出比觀測所用光的波長小得多的物體。「顯微鏡」（microscope）一詞早在 17 世紀初就已出現，而顯微鏡這一設備的發明時間還要更早一些，因此這個前綴用來描述該尺度十分貼切。「毫」（milli）在毫米（millimeter）中，實際源自古拉丁語，意為 「千」，因此將其用作代表千分之一的前綴也合乎情理。「千」（kilo）作為代表一千的前綴，如千克（kilogram，一千克），源自古希臘語中表示 「千」 的詞彙。
而 「納」（nano）源自古希臘語，意為 「侏儒、極其微小」，1960 年它被用作代表十億分之一的公制前綴，這也是為何在此之前，文獻中從未出現過 「納米技術」 的提法。在原子尺度的測量中，我們過去常使用埃格斯特朗單位（埃），它比納米小一個數量級，為 10 的負 10 次方米。如今，這個單位在很多領域已不再被推崇，取而代之的是標準公制前綴，但埃單位的使用依然十分廣泛。在科學研究中，埃單位尤為實用，因為它與原子尺度的測量相契合，比如分子鍵長和原子半徑都小於納米尺度，通常用埃來表示。
皮米（picometer）代表萬億分之一米，在該尺度的測量中也十分常用，100 皮米等於 1 埃，1000 皮米等於 1 納米。「皮」（pico）在西班牙語中意為 「少量、一點點」，1960 年，它與 「納」（nano）、「飛」（femto）一同被採納為公制前綴。「飛」 源自古丹麥語中表示 15 的詞彙，代表千萬億分之一，即 10 的負 15 次方。在 「飛」 之後是 「阿」（atto），源自古丹麥語中表示 18 的詞彙，而後是 20 世紀 90 年代初被採納的 「仄」（zepto）和 「麼」（yocto）。這兩個前綴分別代表 10 的負 21 次方（一秭分之一）和 10 的負 24 次方（一麼分之一），詞源分別為拉丁語和希臘語中表示 「七」 和 「八」 的詞彙。
飛米尺度在核物理中用於測量原子核，阿米尺度則用於測量亞原子粒子，而仄米和麼米則極少用於距離測量。不過，我們有時會用仄秒來測量量子時間尺度，用麼克來測量亞原子粒子的質量。在科幻作品中，偶爾會出現 「飛技術」（fotech）和 「皮技術」（picotech）這類說法，儘管如今人們並未對其展開深入研究。皮技術一般指由少數原子構成的技術，比如最簡單的分子；與之相反，納米技術涉及的機器則由數千、數百萬甚至數十億個原子構成。
生物細胞和大多數細胞器都處於微觀尺度，而納米尺度指的是比這些結構更小、但仍由大量原子組成的尺度。例如，一條 DNA 鏈包含約 1800 億個原子，許多病毒的原子數量達到十億級別，即便是脊髓灰質炎病毒這類極小的病毒，也含有數百萬個原子。飛技術則是利用質子、中子和其他亞原子粒子製造器件，實現亞原子尺度的技術研發。我們會在文末進一步探討這些概念，而就本次的探討而言，納米技術指的是所有與病毒尺度相當或更小、且仍由普通原子構成的機器。
我們無法指望完整的裝置能在皮米尺度運作，不過皮技術的產物可能會成為納米機器人的微小部件，比如由石墨烯片製成的齒輪，直徑可能僅有十幾個原子。我認為皮米機器人並不可能存在，而飛技術的研究則會涉及時空扭曲、弦理論應用或是其他奇異的物質形態。這一區分十分重要，因為在 20 世紀後期，儘管我們已經知道原子是構成物質的最小基本單元，且量子力學在原子尺度帶來了諸多重大挑戰，但我們仍一度認為技術的微型化可以無限進行下去。
如今，我們實際上已經在原子尺度開展研究，儘管方式還相對粗糙和簡單，而且我們認為技術的微型化已經幾乎觸底。下周，我們將探討亞亞原子尺度以及弦理論等概念，屆時會發現，即便是在那個尺度，技術的微型化空間也十分有限。要了解技術的發展極限，我們需要探索物質和能量的物理約束條件，但在深入探討這些之前，我們不妨先思考一下，納米技術為何會如此備受青睞。
我已經記不清第一次聽到 「納米技術」 這個詞是在什麼時候，或許是在《星際迷航：下一代》的某一集裡。但讓我第一次見識到它的全部潛力，並開始深入思考這一技術的，是我十幾歲中期時看的那部當時最愛的漫畫《毀滅博士 2099》。90 年代看了《X 戰警》動畫系列後，我開始迷上漫畫，後來又接觸到漫威受賽博朋克風格啟發創作的 2099 系列漫畫，最先看的就是《X 戰警 2099》。這也是我踏入更廣闊的賽博朋克領域的契機，而在一次漫威的跨界聯動劇情中，我又了解到了漫威 2099 系列的其他幾部作品。
也正因如此，我一開始並不知道毀滅博士是個反派，反而一下子就喜歡上了這個角色。不得不承認，我對很多科幻故事裡的反派都頗有好感。在《毀滅博士 2099》中，毀滅博士在 2099 年醒來，患上了失憶症。在漫畫後續的劇情中，他對納米技術的應用程度之低感到十分詫異，畢竟這項技術的多功能性堪稱驚人。他描繪了納米技術的種種應用：將垃圾轉化為鑽石，清理石油泄漏並以此生產食物。他對納米技術的暢想以及對這項技術的精妙運用，真正勾起了我的好奇心。
事實上，納米技術在科幻作品中往往並未得到充分運用，這是因為和瞬間移動、時間旅行、星際複製機以及全息甲板一樣，納米技術很容易被賦予過於誇張的能力，這就會引發一系列問題：比如他們為何不直接複製出整支艦隊，或是將病毒從病人身體裡瞬間傳送出去？在科幻作品中，納米技術要麼被作者嚴格限制使用，要麼被當作無所不能的魔法棒。後一種設定其實也有一定的合理性，因為從理論上來說，納米技術能夠完成一系列令人驚嘆的任務，但它也存在非常現實的局限性。
例如，我們無法將一堆隨意的垃圾變成鑽石，因為鑽石由碳原子構成，而大多數垃圾中，碳的占比微乎其微。如今，我們正在探索納米技術，這項技術即將重塑從醫療到製造業的所有領域。但如果生命的存續和文明的崛起，並不取決於他們創造了什麼，而是取決於他們所呼吸的空氣呢？
即便擁有足夠的碳元素，我們還面臨著另一項挑戰：製造出只有一個原子寬的探測器，以此精準放置每一個原子。在這種情況下，讓微型機器人建造一台更大的機器，專門利用碳原料製造鑽石，或許會更為合理 —— 而這項技術我們如今已經掌握。儘管如此，這一例子也恰好引出了納米技術中的 「粘手問題」。
納米技術中的 「粘手問題」，指的是微型機器或納米機器人在嘗試操控單個原子或分子時所遇到的困難。這是因為在納米尺度，分子間作用力的影響相對顯著，范德華力、靜電力，甚至是少量水汽帶來的輕微粘附力，都會導致物體粘在納米機器人的操作工具上，使得精準操控變得極具挑戰性。事實上，科學界對於單原子操控究竟是極具挑戰，還是完全不可能實現，一直存在激烈的爭論。
單原子操控並非實現高效納米技術的必要條件，事實上，我將單原子操控歸為皮技術的範疇，而對原子核的任何改造則屬於飛技術的領域，即便是對水、糖、甲烷這類小分子的操控，也屬於皮尺度的研究範疇。這一區分有助於凸顯不同尺度技術的差異。
納米機器人修復組織的方式，可能是識別受損的 DNA 鏈並將其清除，防止其複製，讓完好的 DNA 鏈進行正常複製；而皮米機器人則有可能直接修復 DNA 鏈上的受損部分。這裡需要強調的是，二者的核心區別在於是否能直接操控，而非僅僅是檢測。DNA 鏈雖然細長，但與基礎分子相比，直徑相對較大，約為 2 納米。考慮到 DNA 鏈的長度最多可達其直徑的十億倍，它更像是一根長長的金屬絲或紗線，而非鉛筆或針，並且會在細胞核內像毛線球一樣盤繞起來。
如果我們能夠檢測並修復或清除活細胞內受損的 DNA，那麼我們實際上就掌握了實現生物永生的關鍵。衰老還體現在其他方面，比如動脈中的斑塊和廢物堆積，但這些問題對於納米機器人而言更容易解決。記憶會隨著時間的推移逐漸衰退，這是另一個難題，不過說到底，我們中幾乎沒有人能清晰記得遙遠過去的事情。這一問題或許可以通過其他形式的納米技術來解決，而納米技術並非只有微型機器人這一種形式。儘管增強記憶的存儲能力和清晰度會帶來諸多益處，但這並非實現長壽的關鍵。
對 DNA 進行改造、檢測和修復的能力，往往被視為納米機器人研發的終極目標，因為這能讓我們從根源上解決衰老問題。然而，在微觀尺度實現這一目標面臨著諸多重大挑戰，尤其是在觀測方面。掃描受損的 DNA 序列本身就是一項複雜的工作，想像一下，一個帶著機械臂和手電筒的微型機器人沿著 DNA 鏈開展作業，這樣的畫面在插畫中或許頗具吸引力，但在現實中卻並不現實。
正如我之前所說，要分辨一個物體，觀測所用光的波長必須小於該物體的尺寸。衍射極限由光的波長除以成像系統數值孔徑的兩倍得出，為了簡化計算，我們可以將其近似為波長的一半。由於可見光的最短波長約為 400 納米，因此光學顯微鏡的分辨極限約為 200 納米，這一數值約為 DNA 鏈直徑的 100 倍，這也是 DNA 的發現至今仍被人們銘記的原因之一。顯然，可見光在這裡並不適用。
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納米機器人並不需要類似人類的眼睛，而且我們也無法製造出比其檢測光的波長更小的眼睛或攝像頭。解決這一問題的有效方法，是打造一個使用更短波長的觀測系統，比如 2 納米的波長，這樣就能實現 1 納米的分辨精度。但波長更短也會帶來新的問題：波長和光子能量成反比，波長越短，每個光子攜帶的能量就越高，其作用的區域也越小。在量子領域，這與我們的日常體驗截然不同。如果說可見光如同一張飄落在樂高雕塑上的紙，那麼 2 納米波長的光就如同一顆子彈，能量更高，衝擊力也更為集中。
當光子的能量達到 10 電子伏特時，對應的波長為 124 納米或更短，此時便進入了電離輻射的範疇。這一波段的波長約為最短的可見光 —— 藍紫光的三分之一，能量則約為其三倍。電離輻射會對複雜的分子結構造成嚴重破壞，不僅會損傷有機物質，還會損壞機器人和計算機晶片，而要抵禦這種輻射，需要用高密度材料製造相當厚的防護層，這對於微型機器而言顯然不切實際。這意味著，我們無法使用這類手電筒或雷射進行隨意掃描，否則會造成損傷，而波長更短的光，破壞性會更強。
配備 2 納米波長光源的納米機器人，發出的並非可見光（可見光的波長上限為 400 納米），也非紫外線 —— 包括長波紫外線（315 至 400 納米）、中波紫外線（280 至 315 納米）和短波紫外線（100 至 280 納米）。儘管短波紫外線會被地球臭氧層阻擋，且具有殺菌消毒的作用，但 2 納米的波長比短波紫外線還要短得多，甚至不屬於用於半導體光刻、像用刀或噴燈一樣蝕刻微型電路的極遠紫外線範疇（10 至 100 納米），而是處於軟 X 射線的波段，軟 X 射線的波長範圍約為 100 皮米至 10 納米。作為參考，硬 X 射線的波長範圍約為 1 皮米至 100 皮米。這讓直接修復 DNA 的難度又增加了一層 —— 一個和 DNA 鏈尺寸相當的微型機器人，想要修復 DNA 鏈幾乎是不可能的，而將 DNA 汽化則相對容易實現。
你可能會疑惑，這樣的技術能帶來什麼實際益處，尤其是我們尚且無法判斷這些可能受損的 DNA 是有害還是無害。但在這種情況下，仍有兩種方式可以實現 DNA 修復。首先，機器人無需讀取 DNA 序列來判斷其是否存在缺陷，DNA 是生命的藍圖，如果它指導合成的細胞出現損傷，就說明其本身存在問題。不妨換個視角來看：細胞是由數萬億個原子構成的微觀實體，如果將原子比作構建細胞的磚塊，那麼細胞就如同一座城市，而 DNA 則是城市中一座複雜的摩天大樓。要發現建築結構的損傷，或是定位並移除存在問題的 DNA 結構，我們無需檢查每一塊磚塊。
這一方法具有極大的優勢，因為 DNA 的複製過程幾乎不會出現錯誤。通過靶向清除危險的突變體，比如癌細胞，我們可以大幅延長人類的壽命，或將衰老的速度降低數個數量級。順便一提，我們目前甚至還無法通過改造自我複製的有機體，來減少其複製過程中的錯誤，實現近乎無突變的狀態，這一點我們後續會詳細探討。
微型機器人只是納米技術的一個方面，修復細胞還有其他方法，比如向細胞中植入完好無損的 DNA 鏈。但我們從何處獲取這些無缺陷的 DNA 呢？幸運的是，我們已經掌握了 DNA 列印技術，而且這一過程相對簡單。想像一下碳納米管的結構：它是將石墨烯片捲曲成的圓柱體，直徑與 DNA 鏈相當，約為 2 納米（即 2000 皮米），石墨烯中的碳碳鍵鍵長為 142 皮米。這種碳納米管就像一張和你手臂一樣粗的網或鐵絲網，其長度可以根據需要無限延伸，以此來合成 DNA—— 無論是完整的 DNA 鏈、單個染色體，還是無法在合成過程中連接的單個基因。我們甚至可以直接在細胞內列印 DNA，而且在類似甚至更小的尺度上，我們已經掌握了相關技術。
我們還可以利用病毒這類現有有機體，它們能侵入細胞並奪取細胞的合成系統為己所用，這一特性也可以作為 DNA 修復的理論基礎。舉個理論上的例子：假設有五個分別標記為 A、T、C、G 和 X 的納米機器人，它們朝著一個比自身大得多的受損細胞聚集，身後拖著一根碳納米管。X 機器人會像注射器的針頭一樣，在細胞膜上打開一個微小的缺口，並將碳納米管穿過這個缺口送入細胞內。隨後，X 機器人定位到受損的 DNA 並將其汽化，而另外四個機器人則開始通過碳納米管向細胞內輸送核苷酸 —— 腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）。
這些核苷酸會按照正確的藍圖，以精準的順序進入碳納米管，從而合成新的 DNA 鏈。每個納米機器人都儲存著相應的核苷酸，並會在準確的時間將其釋放到碳納米管中。我需要說明的是，精準的時間控制和定位也是納米技術中的一大難題，但在此我們暫且略過這一點。隨著 DNA 鏈逐漸合成，X 機器人會將新合成的 DNA 引導至細胞內的目標位置。
碳納米管在納米技術中具有極高的應用價值，很可能會成為製造許多納米機器人的主要材料。不過，納米機器人並非需要親自打造所有東西，我們可以建造更大的、微觀尺度的石墨烯或碳納米管工廠，由這些工廠來生產納米機器人的零部件，甚至完整的納米機器人。以自我複製的細胞為藍本製造通用組裝器，這是早期納米技術概念的核心，但我們並非一定要製造能自我複製的機器人。事實上，我認為這類機器人的價值不如其他替代方案，還會帶來切實的風險。
相反，我們可以由更大的微觀工廠來生產納米機器人，而這些工廠本身又可以由更小的工廠，甚至是遵循其他更智能、更大的機器指令運作的簡易納米機器人來建造，無論是在人體、房屋內，還是其他外部場所都可以實現。當然，快速合成 DNA 或侵入細胞還有其他方法，我們知道病毒能夠穿透細胞膜，而自然界中的 DNA 複製過程僅需數小時，現代的 DNA 列印技術則需要數小時至數周不等。我們可以對這一技術進行改進，但更重要的是，我們無需追求完美。
通過偶爾為部分細胞植入由完美的數字模板列印出的全新 DNA，我們可以確保人體的自然生理過程使用的是無缺陷的 DNA，同時讓納米機器人清除突變的細胞或衰老的細胞。如果想要用全新的 DNA 替換原有 DNA，比如改變頭髮或眼睛的顏色相關基因，這一方法同樣適用。當然，人們總會擔心出現失控的納米機器人，也就是發生突變的機器，而非突變的細胞。
自然常常為我們的設計帶來靈感，卻無法為我們提供詳盡的藍圖。我們之所以會擔心 「灰色粘質」 這類場景，是因為我們會聯想到病毒或細胞的無節制複製。但對於功能單一的微型工廠，我們無需過度擔心其失控問題 —— 如果這些工廠只能製造特定類型的機器人，無法製造出能對自身進行建造、維護或供能的機器人，就不會出現失控的情況。我們還可以借鑑自然界限制人體細胞生長的方式，為納米技術設定相應的約束。
自然界為我們打造了多樣化的生態系統，不同的有機體在其中共存、競爭、捕食。在納米技術的生態系統中，也會有高度多樣化的系統協同運作、彼此賦能。一些機器人可以充當 「偵察兵」，尋找各類問題，比如受損的基因、發動機壁或房屋上的微小裂縫；一些機器人可以充當 「資源收集者」，從被運送到指定地點或被人體攝入的封裝建築材料艙中收集原料；還有一些機器人可以負責回收或清除受損的材料。
系統中還會有專門的掃描機器人，它們與其他機器人協同工作，生成實時的 3D 地圖，並由附近一台負責為所有機器人定位的微型機器人對這些地圖進行整合。甚至還會有專門的機器人，其唯一的功能就是作為定位信標，為其他機器人的作業提供參考。還有的機器人可以充當 「燃料庫」，以單糖、澱粉，甚至是碳 14 鑽石電池這類先進能源的形式為其他機器人供能。
體型更大的機器人或許可以使用無線供電，而微波是我們首選的能量傳輸方式，但由於微波從定義上來說屬於微觀尺度的波，因此並不適合為納米尺度的設備供能。我們可以建造由微波供能的製糖工廠，讓小型機器人前往此處獲取能量，或是讓專門的機器人前往工廠取能後為其他機器人配送。在這一生態系統中，體型更大的機器人未必更智能，也未必處於層級頂端，每個機器人都為完成特定任務而設計，通常也只執行這一項任務。
在傳統的納米技術概念中，通用組裝器理論上無所不能，還能實現自我複製，但我們並非真的需要這樣的裝置，這一概念既不安全，也缺乏效率。如果想要讓納米機器人在脫離人類監控的環境下工作，就需要為其賦予高度的智能和自我複製能力，而智能的研發難題在任何人工智慧領域都存在，與設備的尺寸無關。此外，我們在設計機器時，不應將其造得比完成任務所需的尺寸更小。
不過，人類並非需要對納米機器人進行全程監控，而且我們可以通過機器人的鏈式生產實現自我複製 —— 由體型大的機器人製造體型更小的機器人。在這一體系的頂端，假設有十二個大型機器人，製造一個新的同類型機器人需要其中至少十個機器人達成共識，這樣一來，即便有一個甚至兩個機器人發生突變，也不會製造出有缺陷的機器人。
正如我們所了解的，納米機器人實際上根本無需具備自我複製的能力。在一個人類個體或類似尺寸的有機體、設備中，部署數十億個能自我複製且全能的通用組裝器，這一做法並不實際。更為合理的方式，是設計數千種專為特定任務打造的納米機器人，就像我們不會用螺絲刀完成所有工作，也不會試圖用螺絲刀製造另一把螺絲刀一樣，我們需要各式各樣的專業工具。
即便是那些體型較大、無法進入細胞但仍處於細胞尺度的微型機器人，也可以通過藥片或注射器的方式送入人體。納米機器人的尺寸和功能可能會存在巨大差異，部分機器人的體型會相對較大。這一納米技術生態系統還可以與智慧型手機這類宏觀計算機相連，甚至接入網際網路。
在納米技術的微型化研發中，我們並非只是簡單地將刀、鉗子這類工具縮小，這些工具在納米尺度的製造其實並不複雜，比如石墨烯片的鋒利程度超乎想像。納米機器人的運動系統可以模仿鞭毛或觸手的形態，這類結構兼具移動和操控的功能，且無需造得太大。不過，製造納米機器人遠不止是工具的微型化這麼簡單，它們需要動力來源和能量供應，還需要具備足夠的自主運作智能，或是配備發射器，接受更先進、更大的機器的遠程操控。
我們已經在實驗室中製造出了納米尺度的電線。石墨烯是性能極佳的導體，而六方氮化硼則是性能卓越的絕緣體。將石墨烯納米管包裹在氮化硼納米管中，就能製成理想的電線或通信線纜，連接體型較大的納米機器人或微型機器人，以及那些主要負責切割或夾持作業的小型機器人。
納米尺度的結構通常並不以耐用性著稱，但只要其堅固程度能達到生物結構的水平，就能滿足使用需求。如果石墨烯及同類材料的研發未能達到預期，金屬也可以成為可行的替代材料，儘管石墨烯的特性很可能會為納米技術帶來革命性的變革。在研究納米機器人的機械結構時，參考六種經典的簡單機械十分有必要，這些簡單機械是構成更複雜的複合機械的基礎，分別是槓桿、輪軸、滑輪、斜面、楔子和螺旋。
有人認為，這份清單其實無需如此詳盡，因為滑輪本質上是一種輪軸，而且滑輪的運作不僅需要輪軸，還需要繩索。正如我們之前探討納米尺度電線時所提到的，我們同樣有能力製造納米尺度的繩索。經過時間的積累和實踐的摸索，我們會逐漸掌握製造斜面、楔子和槓桿所需的厚度，這一參數取決於具體的任務和使用的材料。這些簡單機械可以被製造在納米尺度的最小範圍內，僅有幾個原子的厚度。
我們已經在實驗室中製造出了這一尺度的電路，而商業化生產的進度通常落後於實驗室研究。實際的工程設計和製造工藝，可能會為技術的微型化設定比實驗室研究更高的尺寸限制。例如，螺旋作為一種扭曲的斜面，其製造尺寸需要稍大一些，輪軸和齒輪也是如此。但製造那些在近代微工程學興起之前所使用的相對簡單的機械裝置，在幾十納米的尺度上是完全可行的，部分裝置的尺寸甚至可以更小，當然也有一些裝置需要造得稍大一點。
總的來說，幾乎沒有什麼能阻擋我們在納米尺度開展製造工作，這一尺度可至病毒級別，甚至還能更小。儘管這一過程並非一帆風順，但目前技術的發展速度十分迅猛，該領域的專家們總體上持樂觀態度，至少在技術研發觸及 「粘手問題」 的瓶頸之前是如此。
納米技術正在不斷發展，如今我們已經掌握了部分相關技術。可以將納米技術比作十年前的人工智慧：十年前，儘管基礎的人工智慧技術已經投入使用，但人們仍將人工智慧視為科幻概念；二十年前，許多人認為人工智慧要麼無法實現，要麼會立刻引發技術奇點。如今，人工智慧已經融入日常生活，不再神秘，但其存在是毋庸置疑的。
我認為納米技術的發展現狀與此相似，或許比人工智慧的發展落後約十年。利用微型納米機器人消除衰老，或是修復因生活損耗、低溫冷凍受損的神經元，這一目標的實現或許還為時尚早，但我們不應將納米機器人視為無所不能的魔法解決方案，而應將其視為工具箱中的工具，由我們掌控和引導，用以解決各類問題。
當技術的研發突破至真正的皮米尺度，甚至飛米尺度時，就進入了我們眼中近乎魔法的領域，更具體地說，我們將其稱為 「時鐘技術」，這一命名是為了致敬阿瑟・C・克拉克的著名第三定律：任何足夠先進的技術，都與魔法無異。在量子尺度之下製造機器，這看起來是一項不可能完成的任務 —— 在這一尺度，物體甚至沒有固定的位置，而是以概率分布的形式存在於空間中，而我也認為這一任務大概率無法實現。但我們也無法排除實現一些突破現有認知的技術的可能性，比如像《神奇旅程》這類經典科幻作品中描繪的人體微型化技術。
或許有一天，我們能夠操控甚至扭曲時空，就像《神秘博士》中的塔迪斯一樣，將一整座宏觀的工廠壓縮到亞原子尺度的口袋空間中，只留下一個僅有質子或電子大小的入口，工廠可以通過這個入口展開，對物體進行操控。就像微觀尺度的背後是納米尺度，納米尺度之下是皮米尺度和核物理的飛米尺度一樣，現實世界或許還存在更深層次、更具確定性的維度，這或許能讓我們製造出那些在量子力學理論中被認為不可能存在的機器。
本周晚些時候，我們將深入探討弦理論，嘗試簡化並解析這一理論的複雜內涵，屆時會對上述一種可能性展開研究。目前，納米尺度是技術研發的極限，但這是一個極具價值的極限。納米技術有望解決所有的醫療難題，讓人類在健康的狀態下擁有無限的壽命；它還能讓我們對機器進行修復而非替換，以無可比擬的效率對其進行維修、升級而非丟棄，還能將其打造得更為精良 —— 因為這些微型的 「工人」 能夠抵達此前人類無法觸及的微觀角落。
這項技術不僅能為人類、寵物等現有有機體提供支持，提升其健康水平和身體機能，還能將這種能力延伸至對人造物的維護中，讓我們能夠製造出那些僅依靠微觀工具無法實現的全新造物。事實上，納米技術之所以能被稱為 「萬物的未來」，不僅是因為它開啟了無數新的可能，更是因為它將融入幾乎所有的事物，甚至很可能融入我們每一個人。
納米技術正從科幻的領域走向現實，在這個過程中，這些微乎其微的技術正帶來巨大的
機遇。納米技術和納米機器人正迅速成為我們這個時代最具革命性的技術之一，有望改變從醫療到製造業的各個行業。試想一下，比人類頭髮絲小一千倍的微型機器人，它們能完成複雜的任務，比如修復受損組織、靶向攻擊癌細胞，甚至在原子層面構建材料。這些微型機器可能會徹底改變我們診斷和治療疾病、設計新型材料的方式，還能應對污染、資源短缺等全球性挑戰。憑藉著無可比擬的精準度和多功能性，納米技術有望重塑未來，催生那些曾經只存在於科幻世界中的創新成果。
從科幻誕生之初，人造生命和機器人就是核心主題，然而這些虛構的造物往往形似人類，比如阿斯莫夫筆下的機器人或是弗蘭肯斯坦的怪物，並非微型機器。它們最初被塑造成龐大的高級生命體，這與地球生命的起源方式截然相反 —— 地球生命始於只能進行自我複製的微小微生物。
如今，這些微型機器在某些方面被認為比體型更大的機器人更為複雜，而這一認知也已被證實是正確的。憑藉著我們的軀體和各類工具，在宏觀層面製造物體對我們而言更為容易，微觀層面尚且不易，更不用說原子層面了。人們理所當然地認為，在納米尺度進行製造比打造大型機器和機器人更具挑戰性。
早期的科幻作品中鮮有納米技術的身影，儘管微型化的設定偶爾出現，比如顯微鏡下存在完整的文明，但這些通常只是宏觀事物的縮小版，就像《戈爾旅行記》中的安扎・盧克斯。如今我們所理解的真正意義上的納米技術，在 20 世紀 50 至 60 年代開始初具雛形。理察・費曼 1959 年的演講《底部還有大量空間》，為在原子和分子尺度製造機器奠定了理論基礎。這篇並非科幻作品的演講，啟發了科幻作家去探索納米尺度技術的種種可能性。
「納米技術」 這一術語直到 1986 年才出現，彼時埃里克・德雷克斯勒的著作《創造的引擎：即將到來的納米技術時代》正式出版。這部開創性的作品讓納米技術的概念深入人心，也對科學家和公眾產生了深遠影響。在書中，德雷克斯勒構想了一種分子製造技術，認為它能徹底改變工業、醫療和日常生活，這一想法也引發了人們對納米技術潛力的熱議與探討。他還提出了如今廣為人知的 「灰色粘質」 場景，這是一個警示性的設想：自我複製的納米機器人可能會分解世間萬物，最終讓整個世界被一片由複製機器構成的銀色海洋所覆蓋。
儘管人們常常質疑這類微型機器人是否真的能成為現實，但納米技術的範疇遠不止納米機器人。對於這項未來技術，我可以直截了當地、毫不猶豫地給出肯定答案。原因在於，我們身邊本就存在微型機器 —— 細胞和病毒，而且地球上的大部分生命都存在於微觀層面。從某種意義上來說，有人或許會認為，地球生命的誕生本身就是一場 「綠色粘質」 事件。在某個時刻，簡單的自我複製有機體出現，在地球上不斷擴散、進化，最終遍布地球的每一個角落，從山頂到海溝，甚至在深埋於冰層數英里之下的湖泊中繁衍生息。
生命的大肆繁衍讓地球的大片土地披上綠裝，徹底改變了地球大氣，使其富含氧氣，甚至還影響了地球的地質結構。無論生命的誕生是源於隨機的偶然和達爾文式的進化壓力，還是某種智慧設計，生命的存在、人類的存在都表明，我們能夠運用自身的智慧，設計出為特定任務量身打造的同類微型機器。至少，我們可以改造現有的微生物或病毒，使其為我們所用 —— 這一點我們已經實踐了數百年，烘焙和釀酒中對酵母的利用就是最好的證明。事實上，人類早已與這些被改造或被加以利用的微生物形成共生關係，比如腸道內的細菌、細胞中的線粒體。這也引發了一個問題：考慮到我們體內許多細胞並不攜帶人類的 DNA，人類的定義是否真的由 DNA 決定？
儘管如此，我們在研發納米機器人的道路上已經取得了長足的進步，納米技術也早已成為現代工程學的重要組成部分。從半導體到石墨烯，我們當下的技術廣泛運用了納米尺度的工程設計。值得一提的是，人們常常將納米尺度、微觀尺度和原子尺度混為一談，因此有必要探討一下這些尺度的具體含義，它們代表著不同的尺寸級別和複雜程度，也決定了我們研發和運用這些微型機器的方式。
對於感興趣的人來說，「微」（micro）一詞源自古希臘語 「micros」，意為 「小的、微小的」。1873 年，它被用作公制前綴，代表百萬分之一。一微米（也常簡稱為 micron）就是百萬分之一米，略大於可見光光譜中光子的波長或尺寸，這也是普通顯微鏡的觀測極限。無論顯微鏡的工藝多麼精湛，都無法分辨出比觀測所用光的波長小得多的物體。「顯微鏡」（microscope）一詞早在 17 世紀初就已出現，而顯微鏡這一設備的發明時間還要更早一些，因此這個前綴用來描述該尺度十分貼切。「毫」（milli）在毫米（millimeter）中，實際源自古拉丁語，意為 「千」，因此將其用作代表千分之一的前綴也合乎情理。「千」（kilo）作為代表一千的前綴，如千克（kilogram，一千克），源自古希臘語中表示 「千」 的詞彙。
而 「納」（nano）源自古希臘語，意為 「侏儒、極其微小」，1960 年它被用作代表十億分之一的公制前綴，這也是為何在此之前，文獻中從未出現過 「納米技術」 的提法。在原子尺度的測量中，我們過去常使用埃格斯特朗單位（埃），它比納米小一個數量級，為 10 的負 10 次方米。如今，這個單位在很多領域已不再被推崇，取而代之的是標準公制前綴，但埃單位的使用依然十分廣泛。在科學研究中，埃單位尤為實用，因為它與原子尺度的測量相契合，比如分子鍵長和原子半徑都小於納米尺度，通常用埃來表示。
皮米（picometer）代表萬億分之一米，在該尺度的測量中也十分常用，100 皮米等於 1 埃，1000 皮米等於 1 納米。「皮」（pico）在西班牙語中意為 「少量、一點點」，1960 年，它與 「納」（nano）、「飛」（femto）一同被採納為公制前綴。「飛」 源自古丹麥語中表示 15 的詞彙，代表千萬億分之一，即 10 的負 15 次方。在 「飛」 之後是 「阿」（atto），源自古丹麥語中表示 18 的詞彙，而後是 20 世紀 90 年代初被採納的 「仄」（zepto）和 「麼」（yocto）。這兩個前綴分別代表 10 的負 21 次方（一秭分之一）和 10 的負 24 次方（一麼分之一），詞源分別為拉丁語和希臘語中表示 「七」 和 「八」 的詞彙。
飛米尺度在核物理中用於測量原子核，阿米尺度則用於測量亞原子粒子，而仄米和麼米則極少用於距離測量。不過，我們有時會用仄秒來測量量子時間尺度，用麼克來測量亞原子粒子的質量。在科幻作品中，偶爾會出現 「飛技術」（fotech）和 「皮技術」（picotech）這類說法，儘管如今人們並未對其展開深入研究。皮技術一般指由少數原子構成的技術，比如最簡單的分子；與之相反，納米技術涉及的機器則由數千、數百萬甚至數十億個原子構成。
生物細胞和大多數細胞器都處於微觀尺度，而納米尺度指的是比這些結構更小、但仍由大量原子組成的尺度。例如，一條 DNA 鏈包含約 1800 億個原子，許多病毒的原子數量達到十億級別，即便是脊髓灰質炎病毒這類極小的病毒，也含有數百萬個原子。飛技術則是利用質子、中子和其他亞原子粒子製造器件，實現亞原子尺度的技術研發。我們會在文末進一步探討這些概念，而就本次的探討而言，納米技術指的是所有與病毒尺度相當或更小、且仍由普通原子構成的機器。
我們無法指望完整的裝置能在皮米尺度運作，不過皮技術的產物可能會成為納米機器人的微小部件，比如由石墨烯片製成的齒輪，直徑可能僅有十幾個原子。我認為皮米機器人並不可能存在，而飛技術的研究則會涉及時空扭曲、弦理論應用或是其他奇異的物質形態。這一區分十分重要，因為在 20 世紀後期，儘管我們已經知道原子是構成物質的最小基本單元，且量子力學在原子尺度帶來了諸多重大挑戰，但我們仍一度認為技術的微型化可以無限進行下去。
如今，我們實際上已經在原子尺度開展研究，儘管方式還相對粗糙和簡單，而且我們認為技術的微型化已經幾乎觸底。下周，我們將探討亞亞原子尺度以及弦理論等概念，屆時會發現，即便是在那個尺度，技術的微型化空間也十分有限。要了解技術的發展極限，我們需要探索物質和能量的物理約束條件，但在深入探討這些之前，我們不妨先思考一下，納米技術為何會如此備受青睞。
我已經記不清第一次聽到 「納米技術」 這個詞是在什麼時候，或許是在《星際迷航：下一代》的某一集裡。但讓我第一次見識到它的全部潛力，並開始深入思考這一技術的，是我十幾歲中期時看的那部當時最愛的漫畫《毀滅博士 2099》。90 年代看了《X 戰警》動畫系列後，我開始迷上漫畫，後來又接觸到漫威受賽博朋克風格啟發創作的 2099 系列漫畫，最先看的就是《X 戰警 2099》。這也是我踏入更廣闊的賽博朋克領域的契機，而在一次漫威的跨界聯動劇情中，我又了解到了漫威 2099 系列的其他幾部作品。
也正因如此，我一開始並不知道毀滅博士是個反派，反而一下子就喜歡上了這個角色。不得不承認，我對很多科幻故事裡的反派都頗有好感。在《毀滅博士 2099》中，毀滅博士在 2099 年醒來，患上了失憶症。在漫畫後續的劇情中，他對納米技術的應用程度之低感到十分詫異，畢竟這項技術的多功能性堪稱驚人。他描繪了納米技術的種種應用：將垃圾轉化為鑽石，清理石油泄漏並以此生產食物。他對納米技術的暢想以及對這項技術的精妙運用，真正勾起了我的好奇心。
事實上，納米技術在科幻作品中往往並未得到充分運用，這是因為和瞬間移動、時間旅行、星際複製機以及全息甲板一樣，納米技術很容易被賦予過於誇張的能力，這就會引發一系列問題：比如他們為何不直接複製出整支艦隊，或是將病毒從病人身體裡瞬間傳送出去？在科幻作品中，納米技術要麼被作者嚴格限制使用，要麼被當作無所不能的魔法棒。後一種設定其實也有一定的合理性，因為從理論上來說，納米技術能夠完成一系列令人驚嘆的任務，但它也存在非常現實的局限性。
例如，我們無法將一堆隨意的垃圾變成鑽石，因為鑽石由碳原子構成，而大多數垃圾中，碳的占比微乎其微。如今，我們正在探索納米技術，這項技術即將重塑從醫療到製造業的所有領域。但如果生命的存續和文明的崛起，並不取決於他們創造了什麼，而是取決於他們所呼吸的空氣呢？
即便擁有足夠的碳元素，我們還面臨著另一項挑戰：製造出只有一個原子寬的探測器，以此精準放置每一個原子。在這種情況下，讓微型機器人建造一台更大的機器，專門利用碳原料製造鑽石，或許會更為合理 —— 而這項技術我們如今已經掌握。儘管如此，這一例子也恰好引出了納米技術中的 「粘手問題」。
納米技術中的 「粘手問題」，指的是微型機器或納米機器人在嘗試操控單個原子或分子時所遇到的困難。這是因為在納米尺度，分子間作用力的影響相對顯著，范德華力、靜電力，甚至是少量水汽帶來的輕微粘附力，都會導致物體粘在納米機器人的操作工具上，使得精準操控變得極具挑戰性。事實上，科學界對於單原子操控究竟是極具挑戰，還是完全不可能實現，一直存在激烈的爭論。
單原子操控並非實現高效納米技術的必要條件，事實上，我將單原子操控歸為皮技術的範疇，而對原子核的任何改造則屬於飛技術的領域，即便是對水、糖、甲烷這類小分子的操控，也屬於皮尺度的研究範疇。這一區分有助於凸顯不同尺度技術的差異。
納米機器人修復組織的方式，可能是識別受損的 DNA 鏈並將其清除，防止其複製，讓完好的 DNA 鏈進行正常複製；而皮米機器人則有可能直接修復 DNA 鏈上的受損部分。這裡需要強調的是，二者的核心區別在於是否能直接操控，而非僅僅是檢測。DNA 鏈雖然細長，但與基礎分子相比，直徑相對較大，約為 2 納米。考慮到 DNA 鏈的長度最多可達其直徑的十億倍，它更像是一根長長的金屬絲或紗線，而非鉛筆或針，並且會在細胞核內像毛線球一樣盤繞起來。
如果我們能夠檢測並修復或清除活細胞內受損的 DNA，那麼我們實際上就掌握了實現生物永生的關鍵。衰老還體現在其他方面，比如動脈中的斑塊和廢物堆積，但這些問題對於納米機器人而言更容易解決。記憶會隨著時間的推移逐漸衰退，這是另一個難題，不過說到底，我們中幾乎沒有人能清晰記得遙遠過去的事情。這一問題或許可以通過其他形式的納米技術來解決，而納米技術並非只有微型機器人這一種形式。儘管增強記憶的存儲能力和清晰度會帶來諸多益處，但這並非實現長壽的關鍵。
對 DNA 進行改造、檢測和修復的能力，往往被視為納米機器人研發的終極目標，因為這能讓我們從根源上解決衰老問題。然而，在微觀尺度實現這一目標面臨著諸多重大挑戰，尤其是在觀測方面。掃描受損的 DNA 序列本身就是一項複雜的工作，想像一下，一個帶著機械臂和手電筒的微型機器人沿著 DNA 鏈開展作業，這樣的畫面在插畫中或許頗具吸引力，但在現實中卻並不現實。
正如我之前所說，要分辨一個物體，觀測所用光的波長必須小於該物體的尺寸。衍射極限由光的波長除以成像系統數值孔徑的兩倍得出，為了簡化計算，我們可以將其近似為波長的一半。由於可見光的最短波長約為 400 納米，因此光學顯微鏡的分辨極限約為 200 納米，這一數值約為 DNA 鏈直徑的 100 倍，這也是 DNA 的發現至今仍被人們銘記的原因之一。顯然，可見光在這裡並不適用。
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納米機器人並不需要類似人類的眼睛，而且我們也無法製造出比其檢測光的波長更小的眼睛或攝像頭。解決這一問題的有效方法，是打造一個使用更短波長的觀測系統，比如 2 納米的波長，這樣就能實現 1 納米的分辨精度。但波長更短也會帶來新的問題：波長和光子能量成反比，波長越短，每個光子攜帶的能量就越高，其作用的區域也越小。在量子領域，這與我們的日常體驗截然不同。如果說可見光如同一張飄落在樂高雕塑上的紙，那麼 2 納米波長的光就如同一顆子彈，能量更高，衝擊力也更為集中。
當光子的能量達到 10 電子伏特時，對應的波長為 124 納米或更短，此時便進入了電離輻射的範疇。這一波段的波長約為最短的可見光 —— 藍紫光的三分之一，能量則約為其三倍。電離輻射會對複雜的分子結構造成嚴重破壞，不僅會損傷有機物質，還會損壞機器人和計算機晶片，而要抵禦這種輻射，需要用高密度材料製造相當厚的防護層，這對於微型機器而言顯然不切實際。這意味著，我們無法使用這類手電筒或雷射進行隨意掃描，否則會造成損傷，而波長更短的光，破壞性會更強。
配備 2 納米波長光源的納米機器人，發出的並非可見光（可見光的波長上限為 400 納米），也非紫外線 —— 包括長波紫外線（315 至 400 納米）、中波紫外線（280 至 315 納米）和短波紫外線（100 至 280 納米）。儘管短波紫外線會被地球臭氧層阻擋，且具有殺菌消毒的作用，但 2 納米的波長比短波紫外線還要短得多，甚至不屬於用於半導體光刻、像用刀或噴燈一樣蝕刻微型電路的極遠紫外線範疇（10 至 100 納米），而是處於軟 X 射線的波段，軟 X 射線的波長範圍約為 100 皮米至 10 納米。作為參考，硬 X 射線的波長範圍約為 1 皮米至 100 皮米。這讓直接修復 DNA 的難度又增加了一層 —— 一個和 DNA 鏈尺寸相當的微型機器人，想要修復 DNA 鏈幾乎是不可能的，而將 DNA 汽化則相對容易實現。
你可能會疑惑，這樣的技術能帶來什麼實際益處，尤其是我們尚且無法判斷這些可能受損的 DNA 是有害還是無害。但在這種情況下，仍有兩種方式可以實現 DNA 修復。首先，機器人無需讀取 DNA 序列來判斷其是否存在缺陷，DNA 是生命的藍圖，如果它指導合成的細胞出現損傷，就說明其本身存在問題。不妨換個視角來看：細胞是由數萬億個原子構成的微觀實體，如果將原子比作構建細胞的磚塊，那麼細胞就如同一座城市，而 DNA 則是城市中一座複雜的摩天大樓。要發現建築結構的損傷，或是定位並移除存在問題的 DNA 結構，我們無需檢查每一塊磚塊。
這一方法具有極大的優勢，因為 DNA 的複製過程幾乎不會出現錯誤。通過靶向清除危險的突變體，比如癌細胞，我們可以大幅延長人類的壽命，或將衰老的速度降低數個數量級。順便一提，我們目前甚至還無法通過改造自我複製的有機體，來減少其複製過程中的錯誤，實現近乎無突變的狀態，這一點我們後續會詳細探討。
微型機器人只是納米技術的一個方面，修復細胞還有其他方法，比如向細胞中植入完好無損的 DNA 鏈。但我們從何處獲取這些無缺陷的 DNA 呢？幸運的是，我們已經掌握了 DNA 列印技術，而且這一過程相對簡單。想像一下碳納米管的結構：它是將石墨烯片捲曲成的圓柱體，直徑與 DNA 鏈相當，約為 2 納米（即 2000 皮米），石墨烯中的碳碳鍵鍵長為 142 皮米。這種碳納米管就像一張和你手臂一樣粗的網或鐵絲網，其長度可以根據需要無限延伸，以此來合成 DNA—— 無論是完整的 DNA 鏈、單個染色體，還是無法在合成過程中連接的單個基因。我們甚至可以直接在細胞內列印 DNA，而且在類似甚至更小的尺度上，我們已經掌握了相關技術。
我們還可以利用病毒這類現有有機體，它們能侵入細胞並奪取細胞的合成系統為己所用，這一特性也可以作為 DNA 修復的理論基礎。舉個理論上的例子：假設有五個分別標記為 A、T、C、G 和 X 的納米機器人，它們朝著一個比自身大得多的受損細胞聚集，身後拖著一根碳納米管。X 機器人會像注射器的針頭一樣，在細胞膜上打開一個微小的缺口，並將碳納米管穿過這個缺口送入細胞內。隨後，X 機器人定位到受損的 DNA 並將其汽化，而另外四個機器人則開始通過碳納米管向細胞內輸送核苷酸 —— 腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）。
這些核苷酸會按照正確的藍圖，以精準的順序進入碳納米管，從而合成新的 DNA 鏈。每個納米機器人都儲存著相應的核苷酸，並會在準確的時間將其釋放到碳納米管中。我需要說明的是，精準的時間控制和定位也是納米技術中的一大難題，但在此我們暫且略過這一點。隨著 DNA 鏈逐漸合成，X 機器人會將新合成的 DNA 引導至細胞內的目標位置。
碳納米管在納米技術中具有極高的應用價值，很可能會成為製造許多納米機器人的主要材料。不過，納米機器人並非需要親自打造所有東西，我們可以建造更大的、微觀尺度的石墨烯或碳納米管工廠，由這些工廠來生產納米機器人的零部件，甚至完整的納米機器人。以自我複製的細胞為藍本製造通用組裝器，這是早期納米技術概念的核心，但我們並非一定要製造能自我複製的機器人。事實上，我認為這類機器人的價值不如其他替代方案，還會帶來切實的風險。
相反，我們可以由更大的微觀工廠來生產納米機器人，而這些工廠本身又可以由更小的工廠，甚至是遵循其他更智能、更大的機器指令運作的簡易納米機器人來建造，無論是在人體、房屋內，還是其他外部場所都可以實現。當然，快速合成 DNA 或侵入細胞還有其他方法，我們知道病毒能夠穿透細胞膜，而自然界中的 DNA 複製過程僅需數小時，現代的 DNA 列印技術則需要數小時至數周不等。我們可以對這一技術進行改進，但更重要的是，我們無需追求完美。
通過偶爾為部分細胞植入由完美的數字模板列印出的全新 DNA，我們可以確保人體的自然生理過程使用的是無缺陷的 DNA，同時讓納米機器人清除突變的細胞或衰老的細胞。如果想要用全新的 DNA 替換原有 DNA，比如改變頭髮或眼睛的顏色相關基因，這一方法同樣適用。當然，人們總會擔心出現失控的納米機器人，也就是發生突變的機器，而非突變的細胞。
自然常常為我們的設計帶來靈感，卻無法為我們提供詳盡的藍圖。我們之所以會擔心 「灰色粘質」 這類場景，是因為我們會聯想到病毒或細胞的無節制複製。但對於功能單一的微型工廠，我們無需過度擔心其失控問題 —— 如果這些工廠只能製造特定類型的機器人，無法製造出能對自身進行建造、維護或供能的機器人，就不會出現失控的情況。我們還可以借鑑自然界限制人體細胞生長的方式，為納米技術設定相應的約束。
自然界為我們打造了多樣化的生態系統，不同的有機體在其中共存、競爭、捕食。在納米技術的生態系統中，也會有高度多樣化的系統協同運作、彼此賦能。一些機器人可以充當 「偵察兵」，尋找各類問題，比如受損的基因、發動機壁或房屋上的微小裂縫；一些機器人可以充當 「資源收集者」，從被運送到指定地點或被人體攝入的封裝建築材料艙中收集原料；還有一些機器人可以負責回收或清除受損的材料。
系統中還會有專門的掃描機器人，它們與其他機器人協同工作，生成實時的 3D 地圖，並由附近一台負責為所有機器人定位的微型機器人對這些地圖進行整合。甚至還會有專門的機器人，其唯一的功能就是作為定位信標，為其他機器人的作業提供參考。還有的機器人可以充當 「燃料庫」，以單糖、澱粉，甚至是碳 14 鑽石電池這類先進能源的形式為其他機器人供能。
體型更大的機器人或許可以使用無線供電，而微波是我們首選的能量傳輸方式，但由於微波從定義上來說屬於微觀尺度的波，因此並不適合為納米尺度的設備供能。我們可以建造由微波供能的製糖工廠，讓小型機器人前往此處獲取能量，或是讓專門的機器人前往工廠取能後為其他機器人配送。在這一生態系統中，體型更大的機器人未必更智能，也未必處於層級頂端，每個機器人都為完成特定任務而設計，通常也只執行這一項任務。
在傳統的納米技術概念中，通用組裝器理論上無所不能，還能實現自我複製，但我們並非真的需要這樣的裝置，這一概念既不安全，也缺乏效率。如果想要讓納米機器人在脫離人類監控的環境下工作，就需要為其賦予高度的智能和自我複製能力，而智能的研發難題在任何人工智慧領域都存在，與設備的尺寸無關。此外，我們在設計機器時，不應將其造得比完成任務所需的尺寸更小。
不過，人類並非需要對納米機器人進行全程監控，而且我們可以通過機器人的鏈式生產實現自我複製 —— 由體型大的機器人製造體型更小的機器人。在這一體系的頂端，假設有十二個大型機器人，製造一個新的同類型機器人需要其中至少十個機器人達成共識，這樣一來，即便有一個甚至兩個機器人發生突變，也不會製造出有缺陷的機器人。
正如我們所了解的，納米機器人實際上根本無需具備自我複製的能力。在一個人類個體或類似尺寸的有機體、設備中，部署數十億個能自我複製且全能的通用組裝器，這一做法並不實際。更為合理的方式，是設計數千種專為特定任務打造的納米機器人，就像我們不會用螺絲刀完成所有工作，也不會試圖用螺絲刀製造另一把螺絲刀一樣，我們需要各式各樣的專業工具。
即便是那些體型較大、無法進入細胞但仍處於細胞尺度的微型機器人，也可以通過藥片或注射器的方式送入人體。納米機器人的尺寸和功能可能會存在巨大差異，部分機器人的體型會相對較大。這一納米技術生態系統還可以與智慧型手機這類宏觀計算機相連，甚至接入網際網路。
在納米技術的微型化研發中，我們並非只是簡單地將刀、鉗子這類工具縮小，這些工具在納米尺度的製造其實並不複雜，比如石墨烯片的鋒利程度超乎想像。納米機器人的運動系統可以模仿鞭毛或觸手的形態，這類結構兼具移動和操控的功能，且無需造得太大。不過，製造納米機器人遠不止是工具的微型化這麼簡單，它們需要動力來源和能量供應，還需要具備足夠的自主運作智能，或是配備發射器，接受更先進、更大的機器的遠程操控。
我們已經在實驗室中製造出了納米尺度的電線。石墨烯是性能極佳的導體，而六方氮化硼則是性能卓越的絕緣體。將石墨烯納米管包裹在氮化硼納米管中，就能製成理想的電線或通信線纜，連接體型較大的納米機器人或微型機器人，以及那些主要負責切割或夾持作業的小型機器人。
納米尺度的結構通常並不以耐用性著稱，但只要其堅固程度能達到生物結構的水平，就能滿足使用需求。如果石墨烯及同類材料的研發未能達到預期，金屬也可以成為可行的替代材料，儘管石墨烯的特性很可能會為納米技術帶來革命性的變革。在研究納米機器人的機械結構時，參考六種經典的簡單機械十分有必要，這些簡單機械是構成更複雜的複合機械的基礎，分別是槓桿、輪軸、滑輪、斜面、楔子和螺旋。
有人認為，這份清單其實無需如此詳盡，因為滑輪本質上是一種輪軸，而且滑輪的運作不僅需要輪軸，還需要繩索。正如我們之前探討納米尺度電線時所提到的，我們同樣有能力製造納米尺度的繩索。經過時間的積累和實踐的摸索，我們會逐漸掌握製造斜面、楔子和槓桿所需的厚度，這一參數取決於具體的任務和使用的材料。這些簡單機械可以被製造在納米尺度的最小範圍內，僅有幾個原子的厚度。
我們已經在實驗室中製造出了這一尺度的電路，而商業化生產的進度通常落後於實驗室研究。實際的工程設計和製造工藝，可能會為技術的微型化設定比實驗室研究更高的尺寸限制。例如，螺旋作為一種扭曲的斜面，其製造尺寸需要稍大一些，輪軸和齒輪也是如此。但製造那些在近代微工程學興起之前所使用的相對簡單的機械裝置，在幾十納米的尺度上是完全可行的，部分裝置的尺寸甚至可以更小，當然也有一些裝置需要造得稍大一點。
總的來說，幾乎沒有什麼能阻擋我們在納米尺度開展製造工作，這一尺度可至病毒級別，甚至還能更小。儘管這一過程並非一帆風順，但目前技術的發展速度十分迅猛，該領域的專家們總體上持樂觀態度，至少在技術研發觸及 「粘手問題」 的瓶頸之前是如此。
納米技術正在不斷發展，如今我們已經掌握了部分相關技術。可以將納米技術比作十年前的人工智慧：十年前，儘管基礎的人工智慧技術已經投入使用，但人們仍將人工智慧視為科幻概念；二十年前，許多人認為人工智慧要麼無法實現，要麼會立刻引發技術奇點。如今，人工智慧已經融入日常生活，不再神秘，但其存在是毋庸置疑的。
我認為納米技術的發展現狀與此相似，或許比人工智慧的發展落後約十年。利用微型納米機器人消除衰老，或是修復因生活損耗、低溫冷凍受損的神經元，這一目標的實現或許還為時尚早，但我們不應將納米機器人視為無所不能的魔法解決方案，而應將其視為工具箱中的工具，由我們掌控和引導，用以解決各類問題。
當技術的研發突破至真正的皮米尺度，甚至飛米尺度時，就進入了我們眼中近乎魔法的領域，更具體地說，我們將其稱為 「時鐘技術」，這一命名是為了致敬阿瑟・C・克拉克的著名第三定律：任何足夠先進的技術，都與魔法無異。在量子尺度之下製造機器，這看起來是一項不可能完成的任務 —— 在這一尺度，物體甚至沒有固定的位置，而是以概率分布的形式存在於空間中，而我也認為這一任務大概率無法實現。但我們也無法排除實現一些突破現有認知的技術的可能性，比如像《神奇旅程》這類經典科幻作品中描繪的人體微型化技術。
或許有一天，我們能夠操控甚至扭曲時空，就像《神秘博士》中的塔迪斯一樣，將一整座宏觀的工廠壓縮到亞原子尺度的口袋空間中，只留下一個僅有質子或電子大小的入口，工廠可以通過這個入口展開，對物體進行操控。就像微觀尺度的背後是納米尺度，納米尺度之下是皮米尺度和核物理的飛米尺度一樣，現實世界或許還存在更深層次、更具確定性的維度，這或許能讓我們製造出那些在量子力學理論中被認為不可能存在的機器。
本周晚些時候，我們將深入探討弦理論，嘗試簡化並解析這一理論的複雜內涵，屆時會對上述一種可能性展開研究。目前，納米尺度是技術研發的極限，但這是一個極具價值的極限。納米技術有望解決所有的醫療難題，讓人類在健康的狀態下擁有無限的壽命；它還能讓我們對機器進行修復而非替換，以無可比擬的效率對其進行維修、升級而非丟棄，還能將其打造得更為精良 —— 因為這些微型的 「工人」 能夠抵達此前人類無法觸及的微觀角落。
這項技術不僅能為人類、寵物等現有有機體提供支持，提升其健康水平和身體機能，還能將這種能力延伸至對人造物的維護中，讓我們能夠製造出那些僅依靠微觀工具無法實現的全新造物。事實上，納米技術之所以能被稱為 「萬物的未來」，不僅是因為它開啟了無數新的可能，更是因為它將融入幾乎所有的事物，甚至很可能融入我們每一個人。