分子组装器

K.EricDrexler定义的分子组装器是一种提议的装置，能够通过以原子精度定位反应性分子来引导化学反应。分子组装机是一种分子机器。一些生物分子如核糖体符合这个定义。这是因为它们从信使RNA接收指令，然后组装特定的氨基酸序列来构建蛋白质分子。然而，术语分子组装器通常是指理论上的人造设备。从2007年开始，英国工程和物理科学研究委员会资助了核糖体样分子组装器的开发。显然，分子组装机在这种有限的意义上是可能的。由巴特尔纪念研究所领导并由多个美国国家实验室主办的技术路线图项目探索了一系列原子精确制造技术，包括可编程分子组装的早期和长期前景；该报告于2007年12月发布。2008年，工程和物理科学研究委员会在六年内提供了150万英镑（1,942,235.57英镑，2021年为2,693,808.00美元）的资金，用于与分子研究所合作开展的机械化机械合成研究制造业等。同样，分子组装器这一术语在科幻小说和流行文化中被用来指代各种奇妙的原子操纵纳米机器。关于分子组装器的许多争议源于对技术概念和流行幻想的名称使用的混淆。1992年，德雷克斯勒引入了相关但更好理解的术语分子制造，他将其定义为通过机械定位反应性分子而不是通过操纵单个原子来进行复杂结构的程序化化学合成。本文主要讨论通俗意义上的分子组装器。这些包括操纵单个原子的假设机器和具有类似有机体的自我复制能力、移动性、消耗食物的能力等的机器。这些与仅（如上所述）通过以原子精度定位反应性分子来引导化学反应的设备完全不同。由于从未构建过合成分子组装器，并且由于对术语含义的混淆，关于分子组装器是否可行或仅仅是科幻小说一直存在很多争议。混淆和争议也源于它们被归类为纳米技术，这是实验室研究的一个活跃领域，已经应用于实际产品的生产；然而，直到最近，还没有对分子组装器的实际构建进行研究。尽管如此，DavidLeigh的团队在2013年发表在《科学》杂志上的一篇论文详细介绍了一种通过使用由分子链引导的人工分子机器以序列特异性方式合成肽的新方法。这与通过根据信使RNA蓝图组装氨基酸的核糖体构建蛋白质的功能相同。该机器的结构基于轮烷，它是沿分子轴滑动的分子环。该环带有一个硫醇基，它可以从轴上依次去除氨基酸，将它们转移到肽组装位点。2018年，同一组发表了该概念的更高级版本，其中分子环沿聚合物轨道穿梭以组装可以折叠成α-螺旋的寡肽，该α-螺旋可以执行查耳酮衍生物的对映选择性环氧化（在某种程度上让人联想到核糖体组装酶）。在2015年3月发表在《科学》杂志上的另一篇论文中，伊利诺伊大学的化学家报告了一个平台，该平台可以自动合成14类小分子，其中包含数千个兼容的构件。2017年，DavidLeigh的小组报告了一种分子机器人，该机器人可以通过使用纳米机械机械臂在人工分子机器的不同反应位点之间移动分子底物来构建分子产物的四种不同立体异构体中的任何一种。随附的新闻和观点文章，标题为“分子组装器”，概述了分子机器人作为原型分子组装器的有效操作。

纳米工厂是一种提议的系统，其中纳米机器（类似于分子组装器或工业机器人手臂）将通过机械合成结合反应性分子以构建更大的原子精确部件。反过来，这些将通过各种尺寸的定位机制进行组装，以构建宏观（可见）但仍具有原子精度的产品。根据K.EricDrexler发表在《纳米系统：分子机械、制造和计算》（1992年）中的愿景，一个典型的纳米工厂可以放在桌面盒子里，这是一项探索性工程的著名著作。在1990年代，其他人扩展了纳米工厂的概念，包括RalphMerkle对纳米工厂聚合组装的分析、J.StorrsHall的复制纳米工厂架构的系统设计、ForrestBishop的通用组装器、Zyvex的专利指数组装工艺，以及ChrisPhoenix（负责任纳米技术中心研究主任）为“原始纳米工厂”设计的xxx系统。RobertFreitas和RalphMerkle在KinematicSelf-ReplicatingMachines(2004)的第4章中总结了所有这些纳米工厂设计（以及更多）。纳米工厂合作，2005年，JohnBurch与Drexler合作制作了一部关于纳米工厂概念的计算机动画短片。在几个知识层面上，这样的愿景一直是争论的主题。没有人发现底层理论存在不可克服的问题，也没有人证明理论可以转化为实践。然而，争论仍在继续，其中一些在分子纳米技术文章中进行了总结。如果可以建造纳米工厂，对世界经济的严重破坏将是许多可能的负面影响之一，尽管可以说，如果每个人都拥有这样的纳米工厂，这种破坏几乎不会产生负面影响。也可以期待巨大的好处。各种科幻作品都探索了这些和类似的概念。此类设备的潜力是由机械工程教授DameAnnDowling领导的一项重大英国研究任务的一部分。

分子组装机与自我复制机器相混淆。为了生产实际数量的所需产品，典型的科幻通用分子组装器的纳米级尺寸需要非常大量的此类设备。然而，一个这样的理论分子组装器可能被编程为自我复制，构建自身的许多副本。这将允许指数级的生产速度。然后，在获得足够数量的分子组装器后，它们将被重新编程以生产所需的产品。然而，如果分子组装器的自我复制不受限制，那么它可能会导致与天然存在的生物体的竞争。这被称为生态吞噬或灰粘问题。构建分子组装器的一种方法是模拟生物系统采用的进化过程。生物进化是通过随机变异结合淘汰不太成功的变体和繁殖更成功的变体来进行的。复杂分子组装器的生产可能是从更简单的系统演变而来的，因为一个有效的复杂系统总是被发现是从一个有效的简单系统演变而来的。...从头开始设计的复杂系统永远无法运行，也无法对其进行修补以使其运行。你必须重新开始，从一个有效的系统开始。然而，大多数已发表的安全指南都包括反对开发允许突变或进化的复制器设计的建议。大多数汇编器设计将源代码保留在物理汇编器之外。在制造过程的每个步骤中，该步骤都从普通计算机文件中读取，并广播给所有组装人员。如果任何汇编程序超出了该计算机的范围，或者当该计算机与汇编程序之间的链接断开时，或者当该计算机被拔下时，汇编程序将停止复制。这种广播架构是分子纳米技术远见指南推荐的安全特性之一，Freitas和Merkle最近发布的137维复制器设计空间地图提供了许多实用方法，通过这些方法可以通过良好的设计安全地控制复制器.

对分子组装器的某些概念最直言不讳的批评者之一是RichardSmalley教授（1943-2005），他因对纳米技术领域的贡献而获得诺贝尔奖。Smalley认为这样的组装机在物理上是不可能的，并向他们提出了科学上的反对意见。他的两个主要技术反对意见被称为胖手指问题和粘手指问题。他相信这些将排除通过精确拾取和放置单个原子来工作的分子组装器的可能性。Drexler及其同事在2001年的出版物中对这两个问题做出了回应。斯莫利还认为，德雷克斯勒关于自我复制机器的世界末日危险的推测已等同于分子组装机，这将威胁到公众对纳米技术发展的支持。为了解决Drexler和Smalley之间关于分子组装器的争论，Chemical&EngineeringNews发表了一个点对点，其中包括解决这些问题的信件交换。

关于被称为分子组装器的系统的力量的猜测引发了关于纳米技术影响的更广泛的政治讨论。这部分是因为纳米技术是一个非常广泛的术语，可能包括分子组装器。对奇妙分子组装器可能影响的讨论促使人们呼吁对当前和未来的纳米技术进行监管。纳米技术正在被整合到制成品中，对健康和生态的潜在影响令人非常担忧。例如，绿色和平组织委托编写了一份关于纳米技术的报告，他们在报告中对引入环境中的纳米材料的毒性表示担忧。但是，它仅传递对汇编器技术的引用。英国皇家学会和皇家工程院还委托编写了一份题为《纳米科学和纳米技术：关于纳米技术更大的社会和生态影响的机遇和不确定性》的报告。本报告没有讨论潜在的所谓分子组装器所带来的威胁。

2006年，美国国家科学院发布了一份分子制造研究报告，作为更长报告的一部分，AMatterofSize:TriennialReviewoftheNationalNanotechnologyInitiative该研究委员会审查了纳米系统的技术内容，并在其结论指出，目前的理论分析对于潜在系统性能的几个问题都不能被认为是确定性的，并且不能有把握地预测实现高性能系统的最佳路径。

它建议进行实验研究以提高该领域的知识：尽管今天可​​以进行理论计算，但目前无法可靠地预测这种自下而上制造系统的最终可达到的化学反应循环范围、错误率、操作速度和热力学效率。因此，制造产品的最终可达到的完美性和复杂性虽然可以在理论上进行计算，但不能有把握地预测。最后，目前无法可靠地预测可能导致系统xxx超过生物系统的热力学效率和其他能力的最佳研究路径。基于研究人员制作与抽象模型相关联并指导长期愿景的实验演示的能力的研究资金最适合实现这一目标。

已经设想的一种潜在情况是失控的自我复制分子组装器，以灰色粘液的形式消耗碳以继续其复制。如果不加以控制，这种机械复制可能会消耗整个生态区或整个地球（生态吞噬），或者它可能会在碳、ATP或紫外线等必要资源（一些纳米马达的例子上运行）方面超越自然生命形式。然而，生态吞噬和“灰粘”场景，如合成分子组装器，是基于尚未通过实验证明的仍然假设的技术。