分子纳米技术是一种预期的制造技术，它使利用非生物机制引导的化学反应构建符合原子规范的复杂三维结构成为可能。在分子制造中，每个原子都将被放置到选定的位置，并以精确指定的方式与其他原子结合。纳米技术有望让我们彻底控制物质的结构。

由于我们周围和体内的大多数物质都是由原子组成的，并且其特性取决于原子的排列，因此在原子尺度上控制物质结构的能力便拥有广泛的应用前景。正如 K.埃里克·德雷克斯勒（K. Eric Drexler）在第一本关于纳米技术的书《创造引擎》（出版于 1986 年）中所写：

煤炭和钻石、沙子和电脑芯片、癌症和健康组织：原子排列的变化区分了廉价与珍贵、疾病与健康。以这种方式排列，原子构成了土壤、空气和水；以另一种方式排列，它们构成了成熟的草莓。以这种方式排列，它们构成了房屋和新鲜空气；以另一种方式排列，它们构成了灰烬和烟雾。

纳米技术让有效重排原子成为可能，它能使我们将煤转化为钻石，将沙子转化为超级计算机，并清除空气中的污染和健康组织中的肿瘤。

德雷克斯勒关于纳米技术的核心愿景是组装机（assembler）的概念。组装机是一种分子构造装置，它拥有一个或多个受计算机控制的亚微观机械臂。这些机械臂能够持有和放置反应性化合物，从而控制化学反应发生的精确位置。组装机臂能抓取一个分子（但不一定是单个原子）并将其添加到工件上，一步一步构建原子级精度的物体。先进的组装机几乎可以制造任何化学稳定的结构。特别是，它能够自我复制。由于组装机可以自我复制，因此很容易大批量生产。

生物界中有个与组装机相似的存在：核糖体。核糖体是我们细胞中微小的构造机器（几千立方纳米大），制造地球上所有生物所需的所有蛋白质。它们通过将氨基酸一个接一个组装成精准序列来实现这一点。这些结构随后折叠形成蛋白质。指定氨基酸顺序的蓝图，从而间接指定蛋白质最终形状的，被称为信使 RNA（mRNA）。信使 RNA 反过来由我们的 DNA 决定，DNA 可以（在某种程度上简化地）被视为蛋白质合成的指令带。纳米技术将拓展核糖体的能力，使得几乎任何化学稳定的结构都可以被构建出来，包括自然界中不存在的设备和材料。

成熟的纳米技术将把制造转变成一个软件问题。要制造某物，你所需要的只是一个想要制造物品的详细设计和一系列构建指令。稀有或昂贵的原材料通常是不必要的；制造大多数纳米技术设备所需的原子在自然界中大量存在。例如，泥土中就充满了有用的原子。

通过大型团队合作，组装机和更专业的纳米机器将能够快速制造大型物体。因此，尽管纳米机器可能只有十亿分之一米——即一纳米——的尺度，但其产品可以像航天器一样大，甚至在更遥远的未来，可以达到行星的大小。

由于组装机能够自我复制，纳米技术产品的边际生产成本将非常低——可能与大自然自身自我复制的分子机器所制造的常见商品（如木柴、干草或土豆）处于同一水平。通过确保每个原子都被正确放置，组装机将制造出高质量的可靠产品。剩余分子也将受到这种严格控制，使制造过程极为清洁。

第一台成熟组装机诞生后，开发出制造有用物品的设计和指令列表的速度将决定进展的速度。强大的分子建模和设计软件将加速开发，可能由专门的工程人工智能协助。在组装机突破后的早期阶段，另一个可能特别有用的辅助设备是拆卸机（disassembler），一种可以在拆卸物体的同时创建其分子结构三维图的设备。与组装机协同工作时，它可以作为一种 3D 复印机：一种用于制造几乎任何现有固体物体原子级精确复制品的设备。

分子纳米技术最终将使构建每秒执行至少 10^21 次操作的紧凑型计算系统成为可能；由几乎无瑕疵的钻石制成的任何尺寸的机器零件；可以进入细胞并修复可能包括冻伤在内大多数损伤的细胞修复机器 （参见“什么是人体冷冻？成功的概率是不是太小了？”）；个人制造和回收设备；以及能够在几小时或更短时间内使资本存量翻倍的自动化生产系统。它还使上传成为可能（参见“什么是上传？”）。

实现这些前景的一个关键挑战是引导问题：如何构建第一个组装机。有几种可能途径，一种是改进当前的近端探针技术。原子力显微镜可以沿表面拖曳单个原子。1989 年，加利福尼亚州 IBM Almaden 实验室的两位物理学家使用这种显微镜排列 35 个氙原子拼出商标“I-B-M”，创造了世界上最小的徽标。未来的近端探针可能具有更多的自由度，并能以受控的方式拾取和沉积反应性化合物。

构建第一个组装机的另一种途径是合成化学。精心设计的化学构件可以在溶液阶段自组装成机器零件，然后用近端探针对这些部件进行最终组装。

还有一条途径是生物化学。可使用核糖体来制造具有更通用功能的组装机。许多生物分子具有可在纳米技术早期阶段探索的特性。例如，DNA 已经制造出了有趣的结构，如分支、环和立方体。DNA 还可以作为其他分子的“标签”，使它们仅与显示互补标签的指定化合物结合，从而在一定程度上控制溶液中会形成哪些分子复合物。

当然，这些方法的组合也是可能的。存在多种有希望途径这一事实增加了最终取得成功的可能性。

德雷克斯勒在其 1992 年的技术书籍《纳米系统》中展示了具有通用性的组装机与化学定律的一致性。这本书还为成熟纳米技术的能力设定了一些下限。纳米技术的医学应用首次由小罗伯特·A·弗雷塔斯（Robert A. Freitas Jr.）在其巨著《纳米医学》（Nanomedicine）中详细探讨，该书第 1 卷于 1999 年出版。如今，纳米技术是一个热门的研究领域。2002 年，美国政府在国家纳米技术计划上花费了超过 6 亿美元。其他国家也有类似的计划，私人投资也很充足。然而，只有一小部分资金用于与基于组装机的纳米技术发展直接相关的项目；大部分资金用于更平凡、更短期的目标。

尽管分子纳米技术理论上可行，但很难确定需要多长时间才能开发出来。专家们普遍预测，第一个组装机可能在 2018 年左右制造出来，大约十年左右，但对于这个估计上限的意见分歧很大。

由于纳米技术的影响巨大，现在就必须认真考虑这个问题。如果纳米技术被滥用，后果可能是毁灭性的。社会需要为组装机的突破做好准备，并提前规划以尽量减少与之相关的风险（参见例如“这些未来技术不是非常危险吗？它们甚至会导致我们灭绝吗？”）。

有多个组织正在努力为世界做好迎接纳米技术的准备，其中历史最悠久、规模最大的组织是远见研究所（Foresight Institute）。

翻译、校对、排版 | Lelouch

审核 | SuanNai