美妙的生物系统.doc

美妙的生物系统把信息写得非常的小在生物学上的例子让我想起了一件可能的事。 生物学不仅写下信息，还做出这些信息有关的事。 一个生物系统可以很小。 许多细胞体积都很小，却非常活跃；它们制造许多物质；它们四处走；它们跑来跑去；它们做出许多美妙的事，所有动作与产品都非常微小。 它们还储存信息。 考虑一下这是否可能：我们也可以造出一个听我们指挥的小小东西；我们也可以制造出一个东西在上述的微小尺度上按计划行动！制造极小物体甚至在经济上也有有利之处。 让我提醒各位一些计算机问题。 在计算机中必须存大量的信息。 前面我所提的，以金属写下一切的方法是永久性的。 对计算机比较实用的是写，擦掉再写下其他东西的方法。 （通常，这是因为不想浪费刚写上东西的材料。 但如果可以写在极小的空间中，就没有关系了；将数据读出来以后就可以丢了。 这样小量的材料不会贵。） 制造微型计算机我不知道怎样用实际的方法把这东西做的很小，但我知道计算机大得可以塞满许多房间。 为何不能把它做得线很少，组件很少；并且做得很小。 我是说很小。 例如导线应该直径在10或100原子宽，电路长宽应该只有几千。 任何分析过计算机的逻辑理论的人都有这个结论：如果计算机因为组件尺寸缩小几个数量级而能做得更复杂，则计算机可能做到的事会非常的有趣。 如果计算机的组件是现在的百万倍，就能做判断。 计算机会有时间计算出做下一个计算的最佳方法。 它们会根据经验选择比我们会告诉它们的方法更好的分析方法。 在许多其它方面，它们会有新的特质。如果看到熟人的脸我会立刻发觉曾经见过（实际上，我的朋友会说我挑了个不好的例子。 至少我还认得那是人，不是苹果）。 但是还没有机器能以同样的速度看到一张相片，认出那是个人的；更没法认出是从前见过的同一个人，除非相片一模一样。 面孔改变了，距离较近，距离较远，还是光线变了，我都认得出来。 现在，我头壳里的计算机很容易就做得到。 我们造的计算机却不行。 我头壳里的组件数量比我们美妙的计算机多得多。 计算机太大了；里面的组件极微小。 我想来制造更小的。如果想造个计算机，具有这些额外的优异特质，尺寸大概跟五角大厦一般。 这有许多缺点。 首先，需要太多的材料；世界上的锗也许不够制造这巨物里的所有晶体管。 发热和功率消耗也是问题；需要 10 9 次方伏安为单位计算的功率来维持计算机运作。 更实际的问题是，这计算机的速度有一限制。 由于尺寸很大将数据由一处传到另一处需要一定的时间。 数据不可能传得比光速快，因此，当计算机速度越快越精巧时，必须做得越来越小。但还有空间做得更小。 在物理的法则中，我找不出限制我们缩小现今的计算机组件的理由。 事实上，缩小还有许多好处。 以蒸发法缩小制造我们如何能制造这样的装置？ 要有何种制程？ 既然我们讨论过以原子的排列来写，我们可能就会考虑一种可能：蒸镀材料，然后再蒸一层绝缘体上去。 然后下一层蒸上导线的另一部份，以及绝缘体，及其它。 因此，你只要一次一次地蒸，直到你有一块东西内含所有组件-线圈、蓄电器、晶体管及其它-所有组件都极小。为了好玩，我想讨论其它可能的方法。 为何不像制造大的计算机一样造这些小的计算机。 为何不在极小的程度钻、切、焊，冲压，铸出各种形状。 多少次你在搞小东西（像你老婆的腕表）时你曾对自己说：”如果能训练蚂蚁来做就好了？” 我想提议训练蚂蚁来训练更小的虫来做这事。 小而可动的机器能做些什么？ 它们不一定很有用，但是制造它们一定很有趣。考虑任一机器（例如汽车），提出制造超微版的相关问题。 假定在某汽车的设计中，零件必须有一定之精确度；假定是4/10,000英吋。若一圆柱或其它精度低于此，就不会运行顺利。 如果要造的东西太小，就得考虑原子的尺寸；如果一个圆很小，就无法以所谓的 “球”做出这个圆。 因此，如果原尺寸汽车的误差为4/10,000英吋；当误差缩小至10个原子大小时，就可以将汽车尺寸缩为1/4,000左右，大约是1mm长宽。非常明显的是：如果重新设计汽车，使它能容忍较大的零件误差（这并非全不可能），就能制造更小的装置。考虑这样小的机器的问题十分有趣。 首先，在零件受到同样压力时，由于面积缩小，受力也随之降低，因此像重量与惯量等因素的重要性就较低。 换句话说，材料的强度随尺寸的缩小而增强。 例如，尺寸缩为几倍，转速就要增为几倍，才能保持压力与张力（离心力引起的）不变。另一方面，金属的结构是一粒一粒的（晶体），在尺寸极小时这就很恼人，因为材料不够均匀。 像塑料，玻璃等非结晶性的材料就均匀的多，因此得用这类材料来造就我们的小机器。系统中的电机零件有点问题-铜导线和磁性零件有问题。 尺寸极小时的磁性质和大尺寸时不同。 牵涉到线圈的问题。 大号电磁铁可以绕个上百万圈线，小号的也许只能绕一圈。 电机零件不能只是尺缩小尺寸；必须重新设计。 但是我不觉得不能重新设计以能运作。 润滑的问题润滑上有些有趣的问题，油的等效黏滞性随尺寸的缩小而越大（设速度也等比例增加）。 如果速度不增加那么多，并把油换成煤油或其它流体，情形就还不算糟。 实际上也许完全不必润滑。 有许多其它外力介入。 让轴承干转吧。 温度不会升得太高，因为这样小的机件，热度散的非常快。如此的快速散热会使汽油无法燃烧，因此内燃机是不可能的。 其它能在凉温(cold) 释出能量的化学反应可以利用。 如此小的机器，由外部供应电能可能是最方便的。这样小的机器会有什么用处？ 谁晓得。 超小型车辆只能让超小的虫开，而且连基督徒也不会那样鸡婆。 我曾提到在具备小车床和其它超小型机工具的工厂中制造计算机用的小组件。 小车床不必跟大车床完全一样。 我让各位的想象力来改进设计；请完全利用小尺寸时的各种特性，并使全自动最容易达成。一位朋友（A.R.Hibbs）提出了非常有趣的用途。 他说（虽然这非常疯狂）动手术时能把手术医师吞下去会很有趣。 把机械手术医师弄到血管里，它跑到心脏里四处看（信息当然要送出来）。 它找出有问题的瓣膜，拿出一只小刀割掉。 其它小机器也许能永久装在身体内，以协助功能异常的器官。现在谈谈这有趣的问题：我们怎样造这样小的机器？ 我留给各位解答。 但是让我提出个古怪的建议。 在原子能厂里有很多材料与机器变得有放射性，没法直接处理。 它们有一组主从手臂来旋下螺帽，放上螺丝钉，及做其它事。 操作一具主手臂，从手臂会做一样的动作；如此就可以把螺帽转来转去，并把东西处理得很好。这样的主从手臂构造都很简单，有条像marionette(线控人偶)弦的缆线由主控连到从手臂。 使用的是伺服马达，因此缆线是电缆，传送电讯而非机械讯号。 你转动操纵杆，操纵杆转动伺服马达，马达使电线中的电流改变，这改变使电线另一端的马达也改变位置。现在，我想造出同样的装置一个电力带动的主从系统。 从系统由现代的大型机工极小心地制造，使它是主系统的1/4大小。 因此，就可以按此方案做1/4大小的事小伺服马达推动小手耍弄小螺帽螺钉，它们可以钻小浻，它们只有正常尺寸1/4大。 我造出1/4大小的车床和工具。 用这车床和工具可以造出另一组主从手臂，尺寸是车床和工具尺寸的1/4大（正常尺寸1/16大）。 然后我由正常尺寸的主手臂直接连电线到1/16大小的伺服马达上（也许中间通过变压器）。 这样我就可以操作1/16大小的从手臂。从这里你得到原则。 这相当难，但是可能做到。 你可能会说一次可以缩小更多倍。 当然。 这全都要非常小心地设计，而且不一定要做得像手，如果仔细思考，可以得到相同功用的更好方案。即使用现有的缩图器也可以在一步骤中缩得比1/4更小。 但是不能直接用大缩图器制造小缩图器，因为描图洞太松和缩图器制造时的误差。 缩图器尾端抖动的误差比你的手移动时的误差还大。 如此来缩小尺寸时，会发现一堆串接的缩图器的最末端震动得什么也不能做。在每个阶段都要改进机件的精度。 若由缩图器造了一个小车床，其中有个螺丝不够精密（比原尺寸的螺丝还不精密），可以找来螺帽，把螺丝转进转出，直到这小尺寸螺丝的误差百分比跟原尺寸螺丝一样。用三个不平的平面相互摩擦，可以使完成的三个平面都比原先任何一个更光滑。 因此，袛要方法正确，在小尺寸下改善精度并非不可能。 因此在造尺寸更小的东西之前，要先改善即将使用的零件的精度：铅螺丝等，以改善设备精度。每一阶段都要先制造下一阶段要用到的东西很耗时很难的计划。 也许你可以找到缩小更快的较佳方法。这一切完成后得到1/4,000大小的车床。 但我们想造的是大量的计算机，要在车床上钻洞制造计算机用的小垫圈。 在这一台车床你能造多少垫圈？ 一百只小手臂制造第一组1/4尺寸的从手臂时，我打算造十个，并把它们都连接到主手臂上，如此十个手臂会同时做同一动作。 再缩为1/4时，每个小从手臂造出十个小小从手臂，这样就有了100个1/16尺寸的小小从手臂。我们要把这些数以百万计的车床放在哪？ 这完全不是问题。 体积总和还比一个全尺寸车床小。 假设造了十亿个小车床，每个小车床尺寸是原尺寸的1/4,000，则材料和空间都不成问题，因为用掉的材料比全尺寸车床的2% 还少。你瞧，材料完全不花什么钱。 因此我想造十亿个相同的小工厂，同时进行制造、钻孔、铸造零件、及其他事。在缩小的过程中，会产生一些有趣的问题。 并非所有的现象都随着尺寸缩小的比例而变小。 材料因分子间引力（凡得瓦力）吸在一块儿也是问题。 情形会像这样：完成一件零件后，想把螺帽从螺丝上转下来，结果掉不下来，因为重力不够大。 想把螺帽从螺丝上弄下来还很难呢。 这就像老电影中的情节：手上沾了糖浆想要甩掉一杯水。 设计时要考虑许多同类性质的问题。 重新排列原子我不怕讨论这最终的问题：将来我们如何依我们想要的方式排列原子，尺寸缩小到排列原子的地步。 如果可以依我们想要的方式一个一个地排列原子，会怎样呢？(当然要合理地排，不能乱来。 例如不能排成化学上不稳定的排列方式)。到目前为止，我们觉得挖到地里来取得金属矿物没什么不好。 我们加热金属，做大规模的处理，想从如此多的杂质中纯化物质.等等。但是我们必须接受自然安排的原子排列。 我们没法有东西排成棋盘一样，其中的杂质距离恰为1,000 。 或是排成别的花样。如果能排出一层层的结构，每层排得非常正确，这能用来干什么？ 如果真能依我们所想来排列原子，产物会有什么性质？ 研究这些物质的理论会很有趣。 我不知道会发生什么事，但我深信，当我们能控制东西的排列（小尺寸的，原子的）时，一切物质的性质范围会大得多，我们能做的事也会多得多。想象我们在一片材料里造出小线圈和蓄电器（或利用固态物理造出的类似东西），每个组件1,000或10,000 ，一个接一个排满一大片，尾端伸出天线。 造这一整组组件。可能像从一套天线发射无线电波。 对欧洲传送节目一样，从一套天线中发射光线吗？ 也就是以非常高的密度朝单一方向射出光线。 （也许这样的光柱在技术上或经济上都不很有用）我已经考虑过建造小尺寸电气组件的一些问题。 阻抗的问题相当严重。 如果把大尺寸的组件缩小，组件的自然频率就上升（因为波长和尺寸成正比）。 但是SKIN DEPTH袛跟尺寸的平方根成正比，因此阻抗的问题就极麻烦。 如果频率不是很高，也许可以利用超导或者其他技巧来解决问题。 小世界中的原子当我们到达了这个非常小的世界例如7个原子组成的线路我们会发现许多可利用来帮助设计的新现象。 基于量力子学，原子在小规模上的表现，就像大规模上没有东西一样。 因此在缩小尺寸和拨弄原子的过程中，我们遵循不一样的定律，并且期待做到不一样的事。我们用不同的方法制造，我们可以利用（不仅利用各种线路）某种系统，其中利用了量子化的能阶，或量子化旋转（1）的交互作用。另一件我们会注意到的事是：只要造得够小，所有我们造的机件都可以大量制造得完全和正本一模一样。 大的机器没法造得一模一样。但是如果你的机器只有100个原子高，精度袛要有 0.5% 就可以让复本的尺寸一模一样也就是 100 个原子高。到了原子的阶段，会碰到新的力、新的可能性、和新的效应。 制造和材料的重制会有不同的问题。 我由一生物学的现象得到启发：重复使用化学力以制造各种奇怪效应（作者乃其一也）。照我看来，一个个原子地计划制造东西并不违反物理的原则。 这不是要试着违反定律，这是原则上可以做到的事情；袛是因为我们尺寸太大而尚未实行。最终我们可以做化学合成。 一个化学家会跑来找我们，说 我想要个分子，排列是这样排的；帮我造出来。 化学家想造某种分子时，方法都很神秘。 他发现这物质有这种环，因而混合这个和那个，摇一摇，搞来搞去，在完成一个艰难步骤之后通常都能合成他想要的东西。 当我的装置可以运转时，我们就可以用物理的方式合成，这化学家因此知道如何合成所有东西。 因此，化学家的方法会完全没有用。这很有趣：理论上物理学家有可能合成化学家写下来的任何化学物质。 下个命令，然后物理学家来合成。 听来如何？把原子放在化学家说的地方，就能造出这个物质。 如果我们能看到我们在做什么，和能在原子的尺度上操作东西，化学和生物学的许多问题就能够解决。 而这样的发展我想是无可避免的。现在你可能会说，谁该做这件事，为什么要做？ 我已经指出几项有经济价值的应用，但你们可能会为好玩而做。 那就来玩罢！我们来个实验室之间的竞赛。 一个实验室造了小马达寄到另外一间实验室，第二间实验室可能寄回个东西可以放在该小马达的转轴里。 高中的竞赛为了好玩，也为了使小孩们有兴趣，我建议让跟高中有点接触的人搞个高中竞赛。 毕竟我们还没在这领域中发展，而且连孩子也能写出前所未有的小字，可以在高中里竞赛。 洛杉矶高中寄个大头针给威尼斯高中，针头上面写，这个