17 個(gè)四甲基對(duì)苯醌分子就是它的全部零件。這個(gè)世界上最小的計(jì)算機(jī)有望讓一切納米裝置具備智能。人們?cè)O(shè)想將它裝入納米機(jī)械“盔甲”，注入人的血液，成為與癌細(xì)胞戰(zhàn)斗的“鋼鐵俠”。
日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的安尼爾班? 班德亞帕德耶博士這樣形容四甲基對(duì)苯醌：“它看上去就像小汽車�！彼ǔ�(huì)在特殊的電子顯微鏡下研究這種有機(jī)物分子。在鏡頭下，這輛“小汽車”擁有六邊形苯環(huán)組成的“車身”， 有4 個(gè)圓錐體模樣的碳?xì)洹败囕啞甭?lián)接其上，而整個(gè)分子直徑小于1 納米，比可見光的波長(zhǎng)還要小數(shù)百倍。班德亞帕德耶希望用17 個(gè)這樣的分子拼湊出一部計(jì)算機(jī)。
只有17 個(gè)分子的微型大腦
在日本筑波市的實(shí)驗(yàn)室里，班德亞帕德耶每天在重復(fù)這樣的工作：讓這17 輛“小汽車”在黃金基板做成的“訓(xùn)練場(chǎng)”上排列成一個(gè)“車隊(duì)”，這一步驟必須在-196℃的真空環(huán)境里進(jìn)行。他將其中一個(gè)四甲基對(duì)苯醌分子放置在中央，充當(dāng)控制部門，其他16 個(gè)分子則環(huán)繞它排成一圈。裝置完成之后，這個(gè)17 個(gè)分子組成的“車隊(duì)”就能在室溫條件下正常工作了。
接著，班德亞帕德耶用一個(gè)非常鋒利的帶電傳導(dǎo)針對(duì)放置在中心的“小汽車”進(jìn)行電脈沖調(diào)節(jié)。由于中心“小汽車”與周圍的16 個(gè)“小汽
車”存在微弱的物理關(guān)聯(lián)性，因此，當(dāng)中心“小汽車”受到電脈沖調(diào)節(jié)而“掛檔”，其他的16 個(gè)“小汽車”也被發(fā)動(dòng)起來。整個(gè)裝置像一面蜘蛛網(wǎng)，位于中心的蜘蛛一旦移動(dòng)， 16 根蜘蛛絲也會(huì)產(chǎn)生不同程度的顫動(dòng)，這種顫動(dòng)隨著不同強(qiáng)度的電脈沖變化，形成不同的“信息”。這些電脈沖的變化，會(huì)被利用來充當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算的邏輯基礎(chǔ)。目前家庭中通用的晶體管計(jì)算機(jī)，僅能利用電脈沖的打開、關(guān)閉，構(gòu)成運(yùn)算需要的兩種邏輯狀態(tài)：0 和1，即俗稱“二進(jìn)制”。而班德亞帕德耶的“分子晶體管”則擁有4 個(gè)碳?xì)鋱A錐體結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上就有4 個(gè)不同的方向，從而擁有四種邏輯狀態(tài)： 0，1，2，3。“最亮的是3，而0是最暗的�！卑嗟聛喤恋乱钢娔X屏幕上的圖像上講解道。從理論上計(jì)算：一個(gè)電脈沖信號(hào)可以得出416 個(gè)不同結(jié)果，也就是近43 億種結(jié)果。目前這部納米計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是普通晶體管計(jì)算機(jī)的16 倍，“如果將這個(gè)分子裝置從二維16 分子環(huán)狀結(jié)構(gòu)擴(kuò)展至三維的1024 分子球狀結(jié)構(gòu)，就能同時(shí)執(zhí)行1024 個(gè)指令，比普通電腦快上1024 倍。”
班德亞帕德耶承認(rèn)，這項(xiàng)設(shè)計(jì)的靈感來源于人類的大腦細(xì)胞，大腦細(xì)胞呈現(xiàn)樹狀放射分支形狀，每一個(gè)分支都可用于與其他分支細(xì)胞進(jìn)行溝通。“人類大腦比任何
超級(jí)計(jì)算機(jī)都復(fù)雜，大腦的平行分支運(yùn)算法是其中關(guān)鍵。”班德亞帕德耶自信地說，“我們的研究做到了一個(gè)處理器在作出指令時(shí)，也必須同時(shí)影響其他處理器。這意味著什么？意味著每一個(gè)分子都能獨(dú)立思考并彼此溝通，這將是人類創(chuàng)造的第一個(gè)納米大腦。”電子計(jì)算機(jī)“黔驢技窮”
班德亞帕德耶不止一次聽到人工智能專家的抱怨：在涉及到天氣預(yù)測(cè)、微生物基因掃描和需要處理大量微分子數(shù)據(jù)的納米領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已經(jīng)跟不上形勢(shì)。19 世紀(jì)愛爾蘭數(shù)學(xué)家威廉? 哈米爾頓曾提出這樣一個(gè)問題：給出一系列任意的城市，每次只經(jīng)過一個(gè)城市，連接所有城市的最短路徑是哪一條？不少數(shù)學(xué)家曾經(jīng)試圖利用計(jì)算機(jī)來解答這一問題，但他們很快發(fā)現(xiàn)：如果城市有100 個(gè)，連目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也要耗費(fèi)上億年的時(shí)間去計(jì)算。
每個(gè)人都希望發(fā)展出運(yùn)算能力更強(qiáng)的電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的快慢，取決于芯片上集成晶體管數(shù)目的多少。但隨著芯片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長(zhǎng)。一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，導(dǎo)致采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作。
這種情況讓美國(guó)邁特公司的納米技術(shù)專家詹姆
斯? 埃倫博根教授堅(jiān)信，班德亞帕德耶博士的成果具有重大的意義：“一旦我們掌握了制造這種體積不超過鹽粒大的計(jì)算機(jī)的技術(shù)，我們就會(huì)從根本上處于一種新的形勢(shì)。自然界有各種分子，到目前為止，直接利用自然界中的分子來制造計(jì)算機(jī)，是我所知道的突破計(jì)算機(jī)運(yùn)算極限的唯一方式�！�“人工智能專家們已開始認(rèn)識(shí)到，如果要制造和人腦一樣復(fù)雜的電腦，模仿生物學(xué)是他們的最佳選擇�！泵绹�(guó)馬薩諸塞州庫(kù)日韋爾技術(shù)公司的雷? 庫(kù)日韋爾說，“因此，電腦公司和大學(xué)研究人員都忙著學(xué)習(xí)生物學(xué)速成課程。” 2003 年，以色列魏茲曼研究院耶胡達(dá)? 夏皮羅教授在試管中研制出具有數(shù)學(xué)計(jì)算功能的分子計(jì)算機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)只有一滴水滴大小，卻包含有數(shù)目繁多的器件。它用酶做硬件，用DNA 分子作為軟件，內(nèi)部包含有1 萬億個(gè)活的細(xì)胞，每秒鐘可完成10 億次計(jì)算，準(zhǔn)確率高達(dá)99.8%。但夏皮羅的同事伊塔瑪爾? 魏茲曼強(qiáng)調(diào)，研究的主要意圖并不在于突出分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度：“我們希望分子計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)生物監(jiān)控設(shè)備的作用，譬如，它植入人體內(nèi)可以監(jiān)控患者藥劑使用狀況和生理反應(yīng)�！�
有腦子的納米機(jī)器人
班德亞帕德耶對(duì)分子計(jì)算機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用很感興趣：“設(shè)想裝配這樣的分子儀
器并植入血液中，或許能夠摧毀人體內(nèi)的癌細(xì)胞。”2008 年4 月，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的研究人員在這方面領(lǐng)先了一步，他們?cè)斐隽丝梢詢?chǔ)藏、輸送抗癌藥物并在光的作用下釋放藥物攻擊癌細(xì)胞的分子裝置。該裝置由中孔硅納米粒子制成，其內(nèi)部細(xì)孔涂覆了化學(xué)物質(zhì)偶氮苯，抗癌藥物可以裝載在這種細(xì)孔中。由于偶氮苯具有光致變色特性，在光的作用下具有兩種振動(dòng)形態(tài)。研究人員首先讓上述裝置在黑暗中進(jìn)入置于玻璃器皿中的人類癌細(xì)胞內(nèi)，然后用光照射使它振動(dòng)，分子裝置細(xì)孔中的抗癌藥物隨之被釋放出來攻擊癌細(xì)胞。這套操作裝置有個(gè)時(shí)髦的稱呼：“納米機(jī)器人”。班德亞帕德耶還有更有趣的想法：造一個(gè)納米計(jì)算機(jī)，然后將“主機(jī)”與分子構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)器、轉(zhuǎn)換裝置、電梯、傳感器等結(jié)合在一起，使它們有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體。他開始為分子計(jì)算機(jī)尋找一種與其他裝置對(duì)接的方法，“目前它已經(jīng)可以與8 種混合裝置對(duì)接，工作起來就像一個(gè)微型工廠。我還要把它變成有記憶和行動(dòng)能力的納米機(jī)器人。”
南巴黎大學(xué)分子光物理實(shí)驗(yàn)室的迪雅爾丹教授認(rèn)為，這種想法需要滿足苛刻的條件：“首先是化學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造出納米級(jí)的單分子機(jī)械機(jī)構(gòu)，其次是找到精確控制單分子的方法，第三是
研制出可傳遞信息的機(jī)器人‘大腦’裝置�！�第一個(gè)條件已經(jīng)漸漸成為現(xiàn)實(shí)：2007 年被法國(guó)圖盧茲材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研究中心與德國(guó)柏林大學(xué)的科學(xué)家們“組裝”出來的納米機(jī)器“分子輪”，就由兩個(gè)直徑為0.7 納米的三苯甲基分子“車輪”組成。研究人員借助掃描探針式顯微鏡(SPM)的電子探針來驅(qū)動(dòng)“車輪”旋轉(zhuǎn)。
電子探針位于SPM 的終端，科學(xué)家像操縱游戲機(jī)杠桿一樣操縱它與樣品表面輕輕接觸，根據(jù)探針與樣品表面極其微弱的排斥力變化，再通過光學(xué)或電流原理將其進(jìn)行放大和分析，測(cè)定出樣品表面的形貌信息和探針?biāo)幍奈恢�，并把它的活�?dòng)放大上億倍后在電腦屏幕上顯示出來。SPM 探針帶有電性，因此人們通常順便用它來控制操作鏡頭下的單分子，1989 年，IBM 公司操縱35 個(gè)氙原子，在鎳金屬表面拼出“IBM”三個(gè)字母，開了納米微操作先河。
班德亞帕德耶同樣采用了這種方法，但它并非理想的首選。SPM 探針明顯比他的分子“小汽車”要大上許多，用來操縱他的“小汽車”，就如同現(xiàn)實(shí)世界中用樹枝來?yè)芘∥浵伒拿恳粭l腿一樣困難。班德亞帕德耶希望未來可以使用分子代替帶電傳導(dǎo)針實(shí)現(xiàn)對(duì)微型納米電腦的控制�！斑@樣第二、第三個(gè)條件也能滿足了�！�
盡管總體上看，短時(shí)間內(nèi)制造出科幻中的高智能納米機(jī)器人似乎不大可能，但迪雅爾丹教授的話代表了納米領(lǐng)域科學(xué)家們的樂觀：“在納米機(jī)器人產(chǎn)生前，人們會(huì)一直認(rèn)為研制它們是不可思議的事，其實(shí)好好想一下，不可思議的不是研究本身，而正是人類自己的思想。
