Одна із цілей нанотехнологій – навчитися будувати з атомів малюсінькі роботи, здатні виконувати функцію важеля, шестірні, підшипника і блоку. Після створенняня цих наномашин багато фізиків мріють навчитися довільно організовувати молекули усередині об’єкта, переставляти в них атом за атомом, поки один предмет не перетвориться в іншій. На цьому принципі засновані «реплікатори», які можна виявити в багатьох науково-фантастичних добутках; вони можуть виготовити будь-який бажаний предмет, варто тільки попросити. У принципі реплікаторів міг би позбавити людство від бідності і повністю змінити природу суспільства. Якщо можна буде запросто одержати будь-яку річ, то це переверне з ніг на голову всі подання про потреби і вартість, а також про ієрархії в людському суспільстві.
(Репликатор фігурує, зокрема, в одному з улюблених моїх епізодів «Зоряного шляху» – у серії «Наступне покоління». У відкритому космосі знаходять древню космічну капсулу XX в., а в ній заморожені тіла людей, що страждали невиліковними захворюваннями. Тіла швиденько відтають, людей виліковують за допомогою фантастичної медицини. Один бізнесмен з ожилих міркує, що за стільки сторіч вкладені їм гроші повинні були вирости до неймовірних розмірів, і запитує екіпаж «Энтерпрайза» про свої інвестиції і гроші. Члени екіпажа в здивуванні. Гроші? Інвестиції? У нас, у майбутньому, грошей немає, відповідають вони. Якщо тобі що-небудь потрібно, досить попросити.)
Як би разюче не звучав опис реплікатора, у природі він уже існує. «Принципова можливість» уже доведена. Природа бере сировину – м’ясо з овочами – і за дев’ять місяців споруджує з нього людську істоту. Чудо життя – не що інше, як більша нанофабрика, здатна на атомному рівні перетворювати речовину (приміром, їжу) у живу тканину (дитину).
Щоб побудувати нанофабрику, потрібні три складові: будівельні матеріали, інструменти, якими можна різати і з’єднувати ці матеріали; і креслення, яких варто керуватися при використанні інструментів і матеріалів. У природі будівельними матеріалами служать тисячі амінокислот і протеїнів, з яких будується плоть і кров. Інструментами для різання і з’єднання – аналогами молотків і пил, необхідних для вибудовування протеїнів у потрібному порядку і перетворення їх у нові форми життя, – служать рибосоми. Вони пристосовані для того, щоб розрізати протеїни і знову з’єднувати їх у певних точках, створюючи тим самим нові типи.
Креслення «пристрою» задає молекула ДНК, де таємниця життя зашифрована через певну послідовність нуклеїнових кислот. Ці три інгредієнти об’єднані в клітині, що має чудову здатність до самовідтворення, тобто вміє створювати копії самої себе. Це відбувається завдяки тому, що за формою молекула ДНК нагадує подвійну спіраль. Коли приходить час розмножуватися, молекула ДНК розкручується і розділяється на дві незалежні спіралі. Кожна із двох ниток потім відновлює себе до повного подвійного стану, набираючи другу нитку спірали з окремих органічних молекул. Так виходить копія молекули ДНК.
Дотепер фізикам лише в невеликому ступені вдається повторити те, що в природі зустрічається на кожному кроці. Але вчені вважають, що ключ до успіху – створення армії що самовідтворюються нанороботів, або наноботів, які повинні являти собою програмувальні атомні машини для перегрупування атомів усередині об’єкта.
У принципі, якщо мати трильйони наноботів, можна напустити їх на об’єкт із завданням переставити певним чином його атоми і у такий спосіб перетворити один предмет в іншій. Оскільки наноботи повинні бути що самовідтворюються, то для початку процесу їх буде потрібно не так багато. Необхідно також, щоб їх можна було програмувати – тоді вони зможуть працювати по заданому кресленню.
Перш ніж побудувати перші флоти наноботів, треба перебороти чимало дуже серйозних перешкод.
По-перше, що самовідтворюваного робота побудувати надзвичайно важко навіть на макроскопічному рівні. (Не треба забувати, що при сучасному рівні техніки ми не здатні виготовляти навіть дуже прості атомні інструменти, такі як атомний підшипник або шестірня.) Навіть маючи комп’ютер і скільки завгодно електронних деталей, дуже непросто побудувати машину, що вміла б створювати точні копії самої себе.
По-друге, поки взагалі неясно, як програмувати армію наноботів ззовні. Пропонують, зокрема, посилати радіосигнал, що повинен буде активувати кожен нанобот. Може бути, наноботи можна опромінити лазерним променем, що несе в собі інструкції. Але це означало б окремий набір інструкцій для кожного нанобота, які може бути безліч – трильйони!
По-третє, неясно, як саме нанобот повинен відрізати, переставляти з місця на місце і склеювати атоми в потрібному порядку. Не будемо забувати, що природі на рішення цієї проблеми треба було 3,5 млрд років, тому навряд чи можна сподіватися вирішити її всього за кілька десятиліть.
Ніл Гершенфелд із Массачусетского технологічного інституту – один з тих фізиків, хто серйозно ставиться до ідеї реплікатора, або «персонального виробника». Він навіть викладає в MIT курс за назвою «Як зробити (майже) що завгодно», один із самих популярних в університеті. Гершенфелд керує в MIT Центром бітів і атомів і всерйоз міркує про фізичні принципи, на базі яких можна було б спорудити реплікатор, – він важає, що саме цей пристрій послужить поштовхом для наступної технологічної революції. Він навіть написав книгу за назвою «Прийдешня революція на вашому столі – від персональних комп’ютерів до персональних реплікаторів» (FAB: The Coming Revolution on Your Desktop – From Personal Computers to Personal Fabrication); у ній учений докладно виклав свої погляди на проблему персонального виробництва. Він важає, що наша мета – «зробити одну машину, що зможе зробити будь-яку машину», і вже встиг заснувати для поширення своїх ідей мережу лабораторій по всім світі, переважно в країнах третього світу, де персональне виробництво принесло б максимальну користь.
Гершенфелд важає, що спочатку повинен з’явитися універсальний фабрикатор, досить маленький, щоб поміститися на столі, створений з використанням останніх досягнень лазерної техніки і мікромініатюризації; цей пристрій зможе різати, з’єднувати і надавати форму будь-яким об’єктам, які можна показати на екрані комп’ютера. Приміром, уявимо собі, що біднякам у країнах третього світу потрібні знаряддя праці і сільськогосподарські машини. Цю інформацію завантажують у комп’ютер, що має доступ до розміщеного в Інтернеті великій бібліотеці креслень і технічної інформації. Там комп’ютерна програма підбере з готових розробок те, що задовольняє вимогам замовника, обробить цю інформацію і відправить її по електронній пошті назад. Потім персональний фабрикатор запустить свої лазери і мініатюрні різаки і прямо на столі виготовить бажаний предмет.
Це ще не все. Універсальний персональний завод – тільки перший крок. Згодом Гершенфелд хоче перенести свою ідею на молекулярний рівень – і тоді за допомогою його апарата людина може виготовити буквально будь-який об’єкт, який тільки можна уявити в деталях. Однак прогрес у цьому напрямку йде дуже повільно, тому що маніпулювати окремими атомами дуже складно.
Аристидес Реквиха з Університету Південної Каліфорнії – один з піонерів, що працюють у цій області. Його спеціалізація – «молекулярна робототехніка», а ціль – ні більше ні менш як створення флотилії нанороботів, здатних робити з окремими атомами довільні маніпуляції. Реквиха пише, що існує два підходи. Один з них – «зверху вниз»; при цьому інженери спробують за допомогою технології травлення, запозиченої з напівпровідникової промисловості, створити малюсінькі електронні схеми, які потім зможуть служити нанороботам мізками. Ця технологія дозволить створювати крихітних роботів з розміром компонентів близько 30 нм методом нанолітографії, що зараз стрімко розвивається.
Але є й інший підхід – «знизу нагору»; у цьому випадку інженери спробують будувати малюсінькі роботи, пересуваючи і установлюючи на місце атом за атомом. Головним інструментом такого будівництва повинен стати сканирующий зондовий мікроскоп (СЗМ); цей пристрій використає ту ж технологію, що і сканирующий тунельний мікроскоп, щоб розпізнавати і пересувати окремі атоми. Приміром, учені вже добре навчилися рухати атоми ксенону на платиновій або нікелевій поверхні. Але Реквиха визнає, що «дотепер краща команда у світі повинна працювати десять годин, щоб зібрати конструкцію із приблизно 50 атомів». Рухати окремі атоми дуже довга і стомлююча робота. Учений визнає, що необхідно зовсім новий механізм, здатний виконувати завдання більше високого рівня – автоматично пересувати в бажаному напрямку сотні атомів за раз. На жаль, поки такого механізму не існує. Тому не дивно, що підхід «знизу нагору» перебуває в дитячому стані.
Деякі вчені стверджують, що ключем до цієї технології повинне стати створення нанороботів, постачених штучним інтелектом. Але перш ніж говорити про створення малюсіньких роботів розміром з молекулу, потрібно відповісти на більше елементарне питання: чи можуть роботи існувати взагалі?
