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むしろ小規模な機械というよりも、彼らは大きく高度な存在として始まりました。これは地球上の生命の起源とは正反対です。地球上の生命は、自己複製以外にほとんど何もできない、単純な微生物として始まりました。これらの小さな機械は今では、より大きなロボットの相対物よりも複雑だと考えられています。
ある意味で、この認識は正確でした。私たちの大きな体と道具を使えば、原子レベルはおろか、微視的レベルよりも巨視的スケールでものを作る方が簡単です。ナノスケールでの構築は、より大きな機械やロボットを作るよりも困難だろうと正しく想定されていました。
初期のSFにはナノテクノロジーはあまり登場しませんでした。顕微鏡の下に存在する文明全体など、小型化は時々登場しましたが、これらは通常、『ガリバー旅行記』のリリパット人のような、より大きなものを縮小したバージョンに過ぎませんでした。私たちが今日理解しているような真のナノテクノロジーの概念は、1950年代と1960年代に形を成し始めました。
リチャード・ファインマンの1959年の講演「底には十分な余地がある」は、原子・分子スケールでの機械構築の理論的基礎を築きました。これはフィクション作品ではありませんでしたが、SF作家たちにナノスケールのテクノロジーの可能性を探求するインスピレーションを与えました。「ナノテクノロジー」という用語自体は、1986年に出版されたエリック・ドレクスラーの『創造のエンジン: ナノテクノロジーの到来する時代』まで現れませんでした。
この画期的な著作は、その概念を普及させ、科学者と一般市民の両方に深い影響を与えました。その中でドレクスラーは、産業、医療、日常生活を革新する可能性のある分子製造を構想しました。これはナノテクノロジーの可能性について興奮と議論を巻き起こした考えでした。彼はまた、今では有名な「グレー・グー」シナリオを紹介しました。これは自己複製するナノボットがすべてのものを分解し、最終的に世界全体を複製する機械の銀色の海で覆い尽くすかもしれないという警告的な物語です。
ナノテクノロジーは単にナノボットだけではありませんが、人々はしばしばそのような小さなロボットが本当に可能なのかと疑問に思います。これは、私が断固として「イエス」と言える未来のテクノロジーの一例です。なぜなら、私たちはすでに小さな機械—細胞やウイルス—を持っており、地球上のほとんどの生命は微視的レベルで存在しているからです。
ある意味で、生命の出現を通じて地球はすでに「グリーン・グー」現象を経験したと主張することができます。ある時点で、単純な自己複製する生物が現れ、惑星全体に広がり、進化して山頂から海溝まで、さらには氷の下数マイルに埋もれた湖にまで、あらゆる表面を覆うようになりました。この生命の増殖は、陸地の多くを緑色にし、大気を劇的に変化させて酸素に富んだものとし、地球の地質にまで影響を与えました。
生命が偶然とダーウィンの圧力を通じて現れたのか、何らかの知的設計を通じて現れたのかにかかわらず、それ—そして私たち—が存在するという事実は、私たちが自分たちの知性を使って同様に小さな機械を設計できることを示唆しています。これらの機械は、私たちが選択した特定のタスクに合わせて調整されます。少なくとも、私たちは既存の微生物やウイルスを乗っ取り、私たちの目的のために改変することができます。これは、パンづくりや醸造におけるイーストの使用に見られるように、何世紀も前から行っていることです。
実際、人類は長い間、腸内細菌や細胞内のミトコンドリアのような、適応または乗っ取られた微生物と共生的に生きてきました。これは、私たちの体内の多くの細胞がヒトのDNAを持っていないことを考えると、人類が本当にDNAによって定義されているのかという疑問を投げかけます。
それにもかかわらず、私たちはナノボットの作成に向かって着実に進んでおり、ナノテクノロジーは半導体からグラフェンまで、すでに現代工学の重要な部分となっています。私たちの現在の技術は、ナノスケールの工学を広く使用しています。
また、「ナノスケール」、「微視的」、「原子スケール」といった用語がしばしば互換的に使用されますが、それぞれ異なるサイズと複雑さのレベルを表しており、これらの小さな機械の構築と利用へのアプローチに影響を与えることについて議論する価値があります。
気になる方のために、マイクロという言葉はギリシャ語のmikrosに由来し、「小さい」または「微小」を意味します。これは1873年にメートル法の接頭辞として導入され、100万分の1を表します。
マイクロメートル、あるいはより一般的にはミクロンは、メートルの100万分の1を表します。これは可視スペクトルにおける光子の波長またはサイズよりもわずかに大きく、そのため、どれほど優れた設計であっても標準的な顕微鏡で見ることができる限界を設定します。観察に使用される光の波長よりもはるかに小さなものは解像できません。
顕微鏡という言葉は1600年代初頭から存在しており、装置自体はそれよりもわずかに古いものです。したがって、この接頭辞はこのスケールに非常に適していると言えます。
ミリ（ミリメートルの場合）は、実際にはラテン語で「千」を意味しますので、千分の1の接頭辞として使用するのは理にかなっています。キロ（キログラム[1000グラム]の場合のように、千の接頭辞）は、千を意味するギリシャ語に由来します。
一方、ナノはギリシャ語で「小人」または「非常に小さい」を意味します。これは1960年に10億分の1の接頭辞として採用されました。そのため、それ以前にはナノテクノロジーへの言及は見られません。
原子スケールの測定には、以前はオングストローム（1桁小さい10^-10メートル）を使用していました。この単位は多くの分野で標準的なメートル法の接頭辞に取って代わられましたが、まだ広く使用されています。
オングストロームは、原子スケールの測定に対応するため、科学的な文脈で特に有用です。例えば、分子結合の長さや原子半径はナノメートルスケールを下回り、オングストロームで表されることが多いです。ピコメートル（1兆分の1メートル）もこのスケールで有用で、100ピコメートルは1オングストローム、1000ピコメートルは1ナノメートルに相当します。
接頭辞のピコは、スペイン語で「小量」または「少量」を意味し、1960年にナノとフェムトの接頭辞とともに採用されました。フェムトはデンマーク語の15を意味する言葉に由来し、1000兆分の1（10^-15）を表します。
フェムトの先にはアット（デンマーク語の18に由来）があり、その後にゼプトとヨクトがあります。これらは1990年代初頭に導入されました。これらの接頭辞は、それぞれ100垓分の1（10^-21）と100秭分の1（10^-24）を意味し、ラテン語とギリシャ語の「7」と「8」に由来します。フェムトメートルスケールは原子核の測定に、アットメートルスケールは素粒子の測定に有用ですが、ゼプトとヨクトは距離にはほとんど使用されません。しかし、量子タイムスケールの測定にゼプト秒を、素粒子の質量にヨクトグラムを使用することがあります。
思索的なSFでは、フェムトテックやピコテックという用語が時々登場します。これらは今日の焦点ではありませんが、ピコテックは一般的に、最も単純な分子のような、ほんの一握りの原子から作られた技術を指します。
対照的に、ナノテックは、数千、数百万、あるいは数十億の原子を含む機械を含みます。生物学的細胞と大部分のオルガネラは微視的ですが、ナノスケールとは、これらよりも小さいが、依然として膨大な数の原子で構成される構造を指します。例えば、DNAの一本の鎖には約1800億個の原子が含まれています。多くのウイルスは10億個の原子の範囲にあり、ポリオウイルスのような非常に小さなウイルスでさえ、数百万個の原子を含んでいます。
フェムトテクノロジーは、陽子、中性子、その他の素粒子を使用して装置を構築することを含み、亜原子スケールでの技術を作り出します。これらの考えについては、最後の部分でもう少し触れます。しかし、今日の目的のために、ナノテクノロジーはウイルスのスケールまたはそれ以下の機械を指しますが、依然として通常の原子で作られています。
完全な装置がピコメートルスケールで動作することは期待できません。むしろ、ピコテクノロジーの一部は、ナノボットの小さな部品—おそらく12個ほどの原子の直径を持つグラフェンシートで作られた歯車のような—かもしれません。「ピコボット」が存在できるとは思えません。そして、フェムトテクノロジーについて議論する際、それはしばしば時空の歪み、ストリング理論の応用、または物質の異常な形態といった概念を含みます。
これは重要な区別です。なぜなら、20世紀後半には、原子が最小の構成要素であり、量子力学がそのスケールで重要な課題を提示することをすでに知っていたにもかかわらず、技術を無限に小型化し続けることができると信じる傾向があったからです。
今日では、私たちは効果的にそのスケールで作業していますが、比較的粗雑で単純な方法でです。そして、それ以下にはあまり下がれないと考えています。私たちは来週、亜原子スケールとストリング理論のような概念を検討しますが、そこでさえも実際にはそれほど小さなスケールではないことがわかるでしょう。
ナノテクノロジーの限界を理解するためには、物質とエネルギーに関する物理的制約を探る必要があります。しかし、それらに深入りする前に、ナノテクがそもそもなぜそれほど望ましいのかを考える価値があります。
私は「ナノテクノロジー」という言葉を初めて聞いたときのことは覚えていません—おそらくスター・トレック：ネクスト・ジェネレーションのエピソードでだったと思います。しかし、その潜在的な可能性を初めて目にし、本当に考え始めたのは、十代半ばの頃、当時お気に入りだったコミックシリーズ、ドゥーム2099を通してでした。
90年代のX-MENアニメシリーズを見た後にコミックブックに興味を持ち、最終的にサイバーパンクに影響を受けた2099タイトル、特にX-MEN 2099から始めました。これは私にとってより広いサイバーパンクジャンルへの入り口にもなりましたが、マーベルの2099ラインナップには他にもいくつかのタイトルがあり、クロスオーバーイベントで紹介されました。
そのため、最初はドクター・ドゥームが悪役だということを知りませんでした。そして、すぐに彼に魅力を感じました。正直に言うと、私はSF作品の多くで悪役に魅力を感じる傾向があります。
ドゥーム2099では、ドクター・ドゥームが部分的な記憶喪失を伴って2099年に目覚めます。シリーズの後半で、彼はナノテクノロジーがその信じられないほどの多様性にもかかわらず、あまり使われていないことに驚きを表明します。彼はナノテクノロジーがどのようにしてゴミをダイヤモンドに変えたり、油流出を食料に変えたりできるかを説明します。彼のナノテクの推測と印象的な使用は、本当に私の好奇心を刺激しました。
実際、ナノテクノロジーはSFでしばしば過小評価されています。なぜなら、テレポーテーション、タイムトラベル、スタートレックのレプリケーターやホロデッキのように、簡単に過剰な能力を生み出してしまうからです。「なぜ艦隊全体を複製しないのか」や「なぜ病人の体からウイルスをテレポートで取り除かないのか」といった疑問が生じます。ナノテクがSFに登場する場合、作者によって厳しく制限されるか、何でもできる魔法の杖のように扱われるかのどちらかです。
後者のアプローチにも一定の正当性があります。なぜなら、ナノテクノロジーは理論的には驚くべき範囲のタスクを達成できるからです。しかし、それには非常に現実的な限界もあります。例えば、ランダムなゴミの山をダイヤモンドに変えることはできません。なぜなら、ダイヤモンドは炭素原子で構成されており、ほとんどのゴミには炭素の割合が少ないからです。
今日、私たちはナノテクノロジーを探求していますが、これは医療から製造業まですべてを変革しようとしている分野です。しかし、生命の存続—そして文明の興隆—は、彼らが創造するものではなく、彼らが呼吸する空気そのものに依存しているとしたらどうでしょうか？今月のフェルミのパラドックスに関するエピソードでは、大気について議論し、惑星の大気がなぜ星々が沈黙したままなのかという答えを握っているかもしれないこと、そしてそれが私たちの地球外生命の探索にとって何を意味するのかを明らかにします。
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十分な炭素があったとしても、各原子を正確に配置するために1原子幅のプローブを作るという課題があります。このような状況では、小さなロボットに炭素原料からダイヤモンドを製造する大きな機械を構築させる方が理にかなっているでしょう—これは今日でもすでに可能なことです。
それでもこれは、粘着指問題を紹介するのにいい場所です。ナノテクノロジーにおける「粘着指問題」とは、小さな機械やナノボットが個々の原子や分子を操作しようとする際に、分子間力の相対的な強さのために遭遇する困難を指します。ナノスケールでは、ファンデルワールス相互作用、静電気力、さらには湿気による微小な付着さえも、ナノボットが使用する道具に物体が「くっつく」原因となり、精密な操作を困難にします。実際、単原子操作が単に困難なだけでなく、完全に不可能ではないかという非常に激しい議論があります。
これについては、サンタクロースマシンに関するエピソードでより詳しく掘り下げました。そこでは、スタートレック風のレプリケーターや3Dプリンターのスケールと速度の限界についても議論しました。
効果的なナノテクノロジーには単原子操作は必要ありません。実際、私は単原子操作を「ピコテック」として分類し、原子核への変更を「フェムトテック」として分類します。水、糖、メタン、空気粒子のような小さな分子を扱うことさえピコテックのスケールに入ります。
この区別は両者の違いを浮き彫りにするのに役立ちます：ナノボットは損傷したDNA鎖を特定して排除し、複製を防ぎ、損傷していない鎖のみが複製されるようにすることで組織を修復する可能性があります。一方、ピコボットは、それらの鎖の損傷した部分を直接修復する可能性があります。ここで、検出だけでなく操作に重点が置かれていることは注目に値します。
DNA鎖は、長く薄いにもかかわらず、基本的な分子と比較して比較的大きな直径—DNAの場合約2ナノメートル—を持っています。直径の10億倍も長くなることがあるため、DNAは鉛筆や針というよりも長い針金や毛糸に似ており、細胞核の中で毛糸の玉のように巻き付く傾向があります。
生きている細胞内のDNAを検出し、修復または除去することができれば、本質的に生物学的不死の鍵を手に入れることになります。動脈内のプラークや廃棄物の蓄積など、加齢の他の側面もありますが、これらはナノボットにとってより単純な問題です。時間とともに記憶が劣化することも問題ですが、いずれにせよ、私たちの多くは遠い過去の鮮明な記憶を保持していません。
これは他の形態のナノテクによって潜在的に管理できる可能性があります。ナノテクは顕微鏡サイズのロボットに限定される必要はありません。記憶の保存と明晰性の向上は有利でしょうが、寿命を達成するために重要というわけではありません。
DNAを変更し、検出し、修復する能力は、しばしばナノボットの「聖杯」とみなされています。なぜなら、それによって加齢をその根本から取り組むことができるからです。しかし、そのような微視的なスケールでこれを達成することは、特に可視化の観点から重要な課題を提示します。損傷した配列をスキャンすることは、それ自体が複雑なタスクです。アートワークでは、DNA鎖に沿って作業する腕とフラッシュライトを持った小さなロボットを想像するのは魅力的かもしれませんが、現実にはそれは実用的ではありません。
先ほど言及したように、物体を解像するには、物体自体よりも小さな波長が必要です。回折限界は、波長を撮像システムの開口数の2倍で割ったものによって制約されます。単純化のため、これを波長を2で割ったものと近似できます。最短の可視波長が約400ナノメートルであるため、可視顕微鏡は200ナノメートル—DNA鎖の直径の約100倍—までしか解像できません。これが、彼らの発見がまだ生きた記憶の中にある理由の一部です。明らかに、可視光はここでは機能しません。ナノボットは人間のような目を必要としません。そして、検出しようとする波長よりも小さなカメラや目を作ることはできません。明らかな解決策は、1ナノメートルまでの解像度を達成するために、たとえば2ナノメートルといった短い波長のシステムを構築することです。
しかし、短い波長には独自の問題があります。波長と光子エネルギーは逆関係にあります：波長が短いほど、各光子が運ぶエネルギーは高く、それが影響を与える領域は小さくなります。量子の領域では、これは私たちの日常的な経験とは大きく異なります。可視光がレゴの彫刻の上に落ちる紙片のようなものだとすれば、2ナノメートルの波長は弾丸のようなもので、よりエネルギッシュで、はるかに集中した力で衝突します。
124ナノメートル以下の波長に対応する10電子ボルト（eV）の範囲に入ると、電離放射線の領域に入ります。この範囲は、最も短い青色と紫色の可視光の約3分の1コンパクトで、約3倍エネルギッシュです。
電離放射線は複雑な分子構造に非常に損傷を与え、有機物だけでなく、ロボットやコンピュータチップにも影響を与えます。これらは深刻な劣化を受ける可能性があり、保護には密度の高い材料で作られたかなり厚いシールドが必要です—これは小さな機械には実用的ではないアプローチです。これは、このような種類のフラッシュライトやレーザーで単にスキャンすることはできず、より短い波長はさらに多くの破壊を引き起こすことを意味します。
2ナノメートルの波長の光を装備したナノボットは、可視光（400ナノメートルまでの範囲）やUVA（315〜400 nm）、UVB（280〜315 nm）、UVC（100〜280 nm）さえも放出していません。UVC光は私たちのオゾン層によってブロックされ、その殺菌および滅菌特性で知られていますが、2ナノメートルの波長ははるかに短いものです。
この波長は、半導体リソグラフィーでナイフやブローチのように小さな回路をエッチングするのに使用される極端なUV範囲（10〜100 nm）にも入りません。代わりに、2ナノメートルは実際にX線領域—特に、約100ピコメートルから10ナノメートルまでの範囲の軟X線領域—にあります。（参考までに、硬X線は約1ピコメートルから100ピコメートルまでの範囲です。）
これは、自身のサイズのDNA鎖を修復する小さなロボットという考えにさらなる複雑さを加えます。DNAの直接修復は実用的ではありません。一方、DNAを蒸発させることは十分に実現可能です。
これがどのように有益になり得るのか、特に潜在的に損傷したDNAが良いのか悪いのか不明な状況で、疑問に思うかもしれません。しかし、このコンテキストでDNA修復が機能する可能性のある方法が2つあります。
第一に、ロボットはDNAを読んで故障しているかどうかを判断する必要はありません。DNAは設計図として機能し、損傷した細胞を生成している場合は問題があることが明らかです。視点を変えると、細胞は数兆個の原子で構成される微視的な実体です。原子が細胞を建設するレンガのようなものだとすれば、細胞は都市ほどの大きさであり、DNAはその都市内の複雑な超高層ビルです。
構造的な損傷を特定したり、問題のあるDNA構造を特定して除去したりするために、すべてのレンガを調べる必要はありません。このアプローチは非常に有利です。なぜなら、DNAの複製はほぼエラーフリーだからです。がん細胞のような危険な突然変異を標的にして排除することで、人間の寿命を大幅に延長したり、加齢を桁違いに遅くしたりすることができます。
ちなみに、自己複製する生物を設計して複製エラーを減少させ、事実上突然変異のない状態にすることさえできますが、それについては後で詳しく説明します。
小さなロボットはナノテクノロジーの一側面に過ぎず、エラーのないDNA鎖を挿入するなど、細胞を修復する他の方法もあります。しかし、そのエラーのないDNAをどこから入手するのでしょうか？幸いなことに、私たちはDNAを印刷することができ、そのプロセスは比較的単純です。
グラフェンを円筒状に折りたたんだ単純な構造である炭素ナノチューブを想像してください。これはDNA鎖と同じくらいの幅、約2ナノメートルまたは2000ピコメートルです。グラフェンの炭素結合が142ピコメートルであることを考えると、このナノチューブは腕ほどの幅のメッシュまたは金網のように見え、DNAの一片を作成するのに必要な長さまで伸ばすことができます。それが完全な鎖であれ、単一の染色体であれ、つなぎ合わせることのできる個々の遺伝子であれ、形成されるにつれてリンクすることができます。
DNAは細胞内で直接印刷することさえでき、私たちはすでにこれと同等かそれ以下のスケールでこれを行う技術を持っています。また、細胞に侵入して生産を乗っ取ることができる既存の生物、例えばウイルスを基盤として使用することもできます。
概念的な例として、A、T、C、G、Xとラベル付けされた5つのナノボットを想像してください。これらは損傷した細胞に集まり、後ろにナノチューブを引きずっています。Xは細胞膜に注射針のような小さな開口部を作り、ナノチューブをこの開口部に引き込みます。次にXは損傷したDNAを探し出して蒸発させ、他の4つのナノボットがナノチューブを通じてヌクレオチドの供給を開始します。A、T、C、G、つまりアデニン、チミン、シトシン、グアニンです。
これらのヌクレオチドは、新しいDNA鎖を構築するために必要な正確な順序でナノチューブに供給され、正しい設計図に従います。各ナノボットは必要なヌクレオチドの自身の貯蔵庫を持ち、正しいタイミングでそれらをナノチューブに放出します。ナノテクにおいて、正確なタイミングと位置決めも難しい問題ですが、今は一旦それを置いておきましょう。DNAの鎖が形を整えるにつれて、Xは新しく合成されたDNAを細胞内の目標位置に導きます。
炭素ナノチューブはナノテクノロジーにおいて非常に有用で、多くのナノボットの主要な建材となる可能性が高いです。しかし、ナノボットがすべてを自分で構築する必要はありません。より大きな、微視的なグラフェンやナノチューブの「工場」が部品や完全なナノボットさえも製造することができます。自己複製する細胞をモデルにした万能アセンブラーの考えは初期のナノテクノロジーの概念の中心でしたが、必ずしも自己複製するナノボットは必要ありません。
実際、私は自己複製ナノボットが、いくつかの代替案と比べて価値が低く、実際のリスクを追加すると主張します。代わりに、より大きな微視的工場がそれらを生産し、それはより小さな工場によって、あるいは体内、家、あるいはオフサイトのどこかにあるよりスマートな大きな機械の指示に従う「愚鈍な」ナノボットによってさえ作られる可能性があります。
DNAを素早く構築したり、細胞に入ったりする他の方法も確かにあります。ウイルスが細胞に侵入できることを私たちは知っており、自然界でのDNA複製は数時間しかかかりませんが、現代のDNA印刷には数時間から数週間かかります。これを改善することはできますが、より重要なのは、完璧にする必要はないということです。時折、完全なデジタルテンプレートから印刷された全く新しいDNAを数個の細胞に提供することで、体の自然なプロセスがクリーンなDNAを使用するようにし、ナノボットは突然変異した細胞を排除することができます。
あるいは、髪の毛や目の色の遺伝子を切り替えるように、完全に新しいDNAと古い細胞を入れ替える場合もあります。もちろん、暴走したナノボット—突然変異した細胞ではなく、突然変異した機械—への懸念も常にあります。
自然は私たちのデザインにインスピレーションを与えますが、厳密な設計図を提供するわけではありません。私たちは「グレー・グー」のようなシナリオを心配します。なぜなら、ウイルスや細胞が制御不能に複製することを想像するからです。しかし、特定のタイプのボットだけを作ることができ、自身を構築、維持、または供給するボットは作れない単純な微視的工場が暴走することについては、それほど心配する必要はありません。また、自然が私たちの中で細胞の成長を制限する方法からも借用することができます。
自然は私たちに、様々な生物が重なり合い、競争し、互いを捕食する多様な生態系を提供します。ナノテクの生態系では、多様化したシステムが協力して互いを強化します。一部のボットは、損傷したDNAやエンジンの壁や家の小さな亀裂のような問題を探す偵察役として機能するかもしれません。他のボットは資源収集者として、カプセル化された建材のポッドを現場に牽引したり、人が摂取したりするための材料を集めるかもしれません。一部のボットはリサイクルを処理したり、損傷した材料を除去したりするかもしれません。
また、すべてのボットの位置決めを維持する任務を持つ近くのマイクロボットによって編集されるリアルタイムの3Dマップを生成するために、他のボットと連携する専門のスキャナーがあるかもしれません。他のボットが位置を決めるための位置ビーコンとしてのみ機能するボットさえあるかもしれません。
別のボットは、単純な糖類、デンプン、あるいはカーボン14ダイヤモンド電池のような高度なソースの形でエネルギーを供給する燃料デポとして機能するかもしれません。より大きなボットはワイヤレス給電を使用するかもしれませんが、マイクロ波が私たちの好ましいエネルギー伝送方法です。しかし、マイクロ波は定義上「マイクロ」であるため、ナノサイズのデバイスへの給電には適していません。より小さなボットが燃料を得るために来る、マイクロ波給電の糖工場があるかもしれませんし、専門のボットが他のボットに配達する燃料を受け取りに来るかもしれません。
この生態系では、より大きなボットが必ずしもよりスマートであったり、階層の頂点にいるわけではありません。各ボットは特定のタスク、そして通常はそのタスク一つを実行するように設計されています。従来のナノテクノロジーでは、万能アセンブラーは理論的には何でもできて自己複製することができますが、私たちは必ずしもそれを必要としません—そのような概念は安全でも効率的でもないかもしれません。
人間の監督から遠く離れた場所でナノボットを操作したい場合、かなりの知性と自己複製能力を持つ何かが必要になるでしょう。知性の問題は他のAIと同じで、サイズは関係なく、必要以上にスマートなものを作るべきではありません。しかし、常に人間の監督が必要とは限らず、自己複製は各ボットがより小さなボットを生産する連鎖を通じて達成できます。
頂点には、新しい「兄弟」を構築するために少なくとも10個の合意を必要とする12個ほどの大きなボットがあり、1個や2個の突然変異が欠陥のあるコピーを生み出さないようにしています。この概念については、自己複製する機械と宇宙探査機に焦点を当てたエピソードでより詳しく探求しています—ナノボットはその一つのサブセットです。
これまで見てきたように、ナノボットは実際には全く自己複製する必要がありません。自己複製でき、すべての機能を処理できる単一の万能アセンブラーという概念は実用的ではありません。単一の人間や同様のサイズの生物やデバイスの中に数十億個存在する場合、数千の専門化したナノボットのデザインを持ち、各々が特定の役割に合わせて調整されているほうが理にかなっています。
ドライバーですべてのタスクを行ったり、ドライバーで別のドライバーを作ろうとしたりはしないでしょう。私たちは幅広い専門化したツールを必要とし、細胞には入らないが依然として細胞サイズの大きなもの—微視的なものでさえ、錠剤や注射器で投与することができます。
ナノボットはサイズと機能において大きく異なる可能性が高く、一部は比較的大きなものになるでしょう。この生態系は、スマートフォンのようなマクロスコピックなコンピュータとの接続、さらにはインターネットへの拡張も含むかもしれません。より小さな側面では、ナイフやペンチのようなツールを小型化することだけが問題ではありません。これらはナノメートルスケールで生産するのは簡単で、グラフェンシートは信じられないほど鋭いものです。
推進システムは、鞭毛のような鞭や触手を模倣し、移動と操作の両方のツールとして機能し、それほど大きくなる必要はないかもしれません。しかし、ナノボットの構築には単にツールを小型化する以上のものが必要です。彼らは動力源、エネルギー供給源、そして独立して機能するのに十分な知性か、より高度なデバイスによるリモートコントロール用の送信機が必要です。
私たちはすでに研究室でナノメートルスケールの電線を作り出しています。先月の宇宙エレベーターのエピソードで言及したように、グラフェンは優れた導体であり、その親戚である六方晶窒化ホウ素は素晴らしい絶縁体です。グラフェンナノチューブを六方晶窒化ホウ素ナノチューブで包んだものは、より大きなナノボットやマイクロボットを、主にメスやペンチとして機能する可能性のある小さなボットにリンクする理想的な電気通信ケーブルとして機能する可能性があります。
ナノスケールの構造は通常、耐久性があるとは知られていませんが、効果的であるためには生物学的構造と同じくらいの頑丈さがあれば十分です。グラフェンや類似の材料が期待通りに発展しない場合、金属が実行可能な代替案となる可能性がありますが、グラフェンの特性はナノテクノロジーに革命をもたらす可能性が高いです。
ナノボットのメカニズムを考える際、より複雑な、または複合的な機械の基礎を形成する6つの古典的な単純機械を見ることが有用です。これらは、てこ、車輪と車軸、滑車、斜面、くさび、そしてねじです。この一覧がそれほど広範である必要があるかどうかには議論があります。なぜなら、滑車は本質的に車輪の一種だからです。滑車が機能するためには、車輪と車軸だけでなく、ロープも必要です。先ほどナノスケールのワイヤについて議論したように、私たちはナノスケールのロープを構築する能力も持っています。
時間と経験によって、斜面、くさび、またはてこがその仕事を遂行するためにどれくらいの厚さが必要かが決まります。これはタスクと使用される材料に依存します。これらはナノスケールの小さな端、わずか数原子の厚さで構築することができます。私たちはすでにこのスケールで回路を構築しています。ただし、商業生産は通常、研究室の能力に遅れをとっています。
実用的な工学と製造は、研究室で可能なものよりも大きなサイズ制限を課す可能性があります。例えば、ねじ—ねじれた斜面—はわずかに大きくなる必要があり、車輪や歯車も同様です。しかし、最近の数十年にマイクロエンジニアリングが飛躍的に発展する前に使用されていたような、比較的単純な機械装置を、数十ナノメートルのスケールで構築することは実現可能なはずです。
一部はさらに小さく、他のものはわずかに大きくなる必要があるかもしれません。全体として、このスケールでの構築を妨げるものはほとんどありません。これはウイルスのスケール、さらにはそれより小さいところまで達します。それは簡単な道のりではありませんが、進歩は急速で、分野の専門家たちは一般的に楽観的です—少なくとも「粘着指」のスケールに到達するまでは。
ナノテクノロジーは進歩しており、今日すでにいくつかの形態を持っています。AIのようなものと考えてください：10年前、人々はAIについてSFのように語っていましたが、基本的な形態はすでに使用されていました。20年前、多くの人々はAIが不可能であるか、あるいは即座に技術的特異点につながると考えていました。今日、AIははるかに平凡なものですが、間違いなく存在します。ナノテクノロジーも同様で、おそらくAIの約10年後を行くと言えるでしょう。
加齢を排除したり、生命や冷凍保存によって損傷したニューロンを修復したりする小さなナノボットのアイデアは、まだ遠い将来のことかもしれません。しかし、それらを魔法の解決策として見るのではなく、私たちの制御と指導の下で問題に対処するために設計されたツールボックスのツールとして考えてください。
真のピコテックスケール、さらにはフェムトテックスケールに進むと、私たちが「魔法」と考えるような領域に入ります。より具体的には、アーサー・C・クラークの有名な第三法則「十分に進歩した技術は魔法と見分けがつかない」に敬意を表して、クラークテックと呼ばれるものです。量子スケールの下で、物体が固定された位置を持たず、代わりに空間全体で確率分布として存在する領域で機械を構築することは、不可能な任務のように思えます—そして私はおそらくそうだと思います。
しかし、『素晴らしい航海』のような古典的なSFに見られるような人々を小型化するなど、私たちの現在の理解を超えたトリックを実現する可能性を排除することはできません。私たちは、ドクター・フーのTARDISのように、空間時間を操作したり、さらには折りたたんだりして、マクロスコピックな工場全体を亜原子ポケット次元に圧縮し、陽子や電子ほどの幅の単一の入り口から、物体を操作するために出現できるようになるかもしれません。
微視的領域がナノスコピックによって支えられ、その下にピコスコピックな原子層、フェムトスコピックな核層があるように、量子力学が不可能とみなすような機械を可能にする、より決定論的な現実のさらに深いレベルが存在するかもしれません。後半、ストリング理論を探求し、その複雑さを単純化して解きほぐそうとする際に、そのような可能性の一つを探求します。
今のところ、ナノスコピックレベルが限界ですが、それは非常に価値のある限界です。それは完璧な健康での無制限の寿命を提供することで、すべての医学的問題を解決する可能性を秘めています。
ナノテクノロジーは、私たちの機械を交換するのではなく修理することを可能にし、比類のない効率で修理し、それらをアップグレードし、廃棄するのではなく、より良いものを構築することを可能にします。小さな作業者たちが、これまで到達不可能だった微視的な隙間や裂け目にアクセスすることができるからです。
この技術は、私たちや私たちのペットのような既存の生物を、治癒と性能を向上させることで支援するだけでなく、その能力を私たちの無機的な創造物の維持と、マクロスコピックなツールでは単に達成できない新しいものの構築にまで拡張します。
実際、ナノテクノロジーはすべてのモノの未来と呼ぶことができます。それは新しい扉を開くだけでなく、ほぼすべてのものに組み込まれ、そしておそらく、すべての人にも組み込まれるからです。
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