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冯诺依曼机的冯 · 诺依曼机器人

未知   admin   2018-10-23 02:43   
  冯诺依曼机的冯 · 诺依曼机器人
 
 
 

  克劳斯· 拉克纳尔(Klaus Lackner)是哥伦比亚大学地球工程中心的教授,很多年前,他还在洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)工作。那时他和他的朋友,威斯康星大学的粒子物理学家克里斯托弗·文特(Christopher Wendt),正在喝啤酒聊天。一个念头突然冒了出来:“怎样解决全球变暖问题?”他们都知道,这不是一件小事。他们打算把空气中的二氧化碳转变成碳酸钙——石灰石、汉白玉、白垩,都是这种东西。从空气中提取二氧化碳然后变成固体的工作量和所需要的资源都是惊人的,不能指望有人投资或者国家拨款,所以他们只好转而寻求其他办法。例如……一个全自动的转化过程。假设一台机器。它能够复制自身。它可以把太阳能转化为所需的电能。它可以很容易地获得制造它的原料。这样如何?听起来很不错。机器数量将会以倍数递增,一台变成两台,两台变成四台,然后是八台、十六台。这像是一个细胞一样不停地分裂,而无穷无尽的太阳能将会让它们不停地繁殖下去,直到被制止为止。太阳能不是问题,而一台机器所需要的原料无非是铁、铜、铝、硅、碳这样的常见元素罢了,这些东西遍地都是,只要提取出来就行。只有一个问题:怎样让机器自我复制?

  这个问题曾经难倒过笛卡尔,不过我们现在已经有了答案。在20世纪40年代晚期,冯·诺依曼已经初步解决了这一问题。当时他在加利福尼亚州帕赛迪纳的海克森研讨班上做了一系列演讲,要解决的核心问题就是“机器要怎样才可以自我复制?”

  冯·诺依曼认为,任何能够自我繁殖的系统,都应该同时具有两个基本功能。第一,它必须能够构建某一个组成元素和结构与自己一致的下一代;第二,它需要能够把对自身的描述传递给下一代。他把这两个部分分别叫做“通用构造器”和“描述器”,而描述器又包括了一个“通用机器”和保存在通用机器能够读取的介质上的描述信息。

  这样,只要有合适的原料,通用构造器就可以根据描述器的指示,生产出下一台机器,并且把描述的信息也传递给这台新机器。随后,新机器启动,再进入下一个循环。

  这种思路被几年后的一项惊人发现所验证。1953年,沃森和克里克发现DNA完全具备冯·诺依曼所提出的两个要求。而现在,我们虽然还没有设计出能够真正完全复制的机器,但是使用冯·诺依曼的思路的自我复制产品的确已经存在——电脑病毒就是其中最广为人知的一种。

  克劳斯·拉克纳尔和克里斯托弗·文特打算按照冯·诺依曼的思路开展他们的工作。他们给这个项目起名叫奥克松斯(Auxons),这是从希腊语的“auxein”借过来的,意思是“成长”。他们给最初的原型机安装了高温熔炉用来获取需要的金属原料,并且打算把它扔到沙漠里面去。在那里,奥克松斯可以获得大量的原料和能量,并且不会有人来打扰。虽然没有看到概念图,但是在我的想法中,奥克松斯看起来应该跟Wall·E差不多……

  然而,就现在而言,奥克松斯看起来还是有点过于精密了。它相当于将一条现代化的生产线全塞到一个小箱子里面去,用目前的技术水平来实现它,还是有些难度。不过它的创造者们还是信心十足,希望能够很快看到这种机器投入使用。想想它可能的用处吧:生产足够整个世界使用的电能、改善全球气候、甚至是改变大片区域的地貌,这些对于数亿个太阳能机器来说,完全不在话下。

  这个项目并没有赢得所有人的叫好声。有人担心这种机器将会破坏沙漠地区的生态平衡,从而导致不可预测的结果。毕竟我们对于我们生活的这个星球了解得远远不够。结果会怎么样,现在还很难说。

  《探索》杂志在1995年将奥克松斯评选为“能够改变世界的七个主意”之一。的确如此。无论是更好还是更坏,但是源源不断复制的机器,必将改变世界。 捷克作家卡雷尔·恰佩克在1920年写过一部科幻三幕剧,叫做《罗素姆万能机器人》。这是人们首次听到robot这个词。近90年过去了,机器人及其相关产品早已发展成一个庞大的产业。微软公司前董事长比尔·盖茨在2006年12月的《科学美国人》上撰文,声称机器人将会变成另一个像个人电脑一样普及的科技产品。

  虽然比尔·盖茨做出了不少错误的预言,但是这次看起来还是比较靠谱的。家用卫生机器人已经不是什么稀罕东西了,最近还有一些企业推出了机器人厨师。小朋友们抱着会撒娇的机器恐龙,科技馆门口站着机器迎宾小姐。甚至还有人信誓旦旦地认定,到了2050年,和机器人结婚都不在话下。

  实际上,能够繁殖的机器并不少见——比方说我们的工业流水线。在你看到这里的那一瞬间,世界上有大量我们看不见的机器人正在厂房里忙碌。日本是世界上工业机器人最多的国家,世界上一半的工业机器人都在日本。那些机器人和我们在卡通片中看到的不太一样——看起来只是一支机械手臂,没有表情丰富的脸和健美好看的身段。这些机器人日复一日地在生产线上焊接组装手机、电脑、以及……更多的机器人——但是同样没有自我意识。这种机器人看起来要安全得多。也许很快,我们在家里也可以这么做了。

  2008年7月,在切尔滕纳姆科学节(Cheltenham Science Festival)上,英国巴斯大学的艾德里安·鲍耶(Adrian Bowyer)和新西兰科学家维克·奥利弗(Vik Oliver)公布了一个叫做“RepRap”的机器人。这台方方正正的机器看起来像一个鞋架,完全看不出我们梦想的那种机器人的影子。不过,它可以自我繁殖——虽然并不完全。

  RepRap可以通过电脑的指令来制造实体的零件,然后由操作者手工装配。实际上,它的核心部件就是一个三维打印喷头,使用融化的塑料来制造零件,或者使用融化的低熔点合金来打印电路。因为并非所有的部件都可以用塑料或者这种合金来制作的,因此一些零件不得不采用其他材质。这距离我们想象的那种自我复制机器人似乎有点远。

  实际上,它所使用的三维打印机并不是什么新东西。三维打印机的原理和传统喷墨打印机很像,只不过它的喷头能够在水平和垂直两个方向上移动,从而塑造出三维的形象。现在已经有了一些成熟的产品,但是价格却一直高高在上。在这方面,RepRap有优势得多。

  这是由它的设计目的而决定的。RepRap是为了改善那些落后国家和地区的现状而设计的,鲍耶希望这种产品的大规模应用能够为落后国家提供一些制造业的就业机会。只需要一个RepRap和足够多的标准零件,你就可以拥有无数个。然后,你就有了一条自己的生产线。

  这个项目是完全开放和免费的。任何人都可以下载相关的使用说明书,使用它制造出来的产品也不需要支付任何版税。也许过不了多久,我们就可以自己在家里生产衣架和拖鞋这种小件产品,还可以多制造几个RepRap送给其他人。

  或者还有另外一种可能。2005年5月11日,康奈尔大学的科学家们展示了几块方块。这些方块每个都是10厘米见方,外表看起来一模一样。把四个方块摞在一起,它就变成了一个非常简单的机器人。它会寻找附近的方块,然后拼成一个和它一模一样的家伙。他的设计者介绍说,每一个方块中都有一块芯片,里面存储着拼装的指令,并且通过控制方块表面的电磁铁来完成各种动作。

  这种机器人的前景很不错。我们可以想象由数十个或者数百个这种基本单位组成的机器人,当其中的某个单位坏掉的时候,可以很容易地替换。只要生产过程足够简单,这种机器人的成本会很低,而用途几乎是无穷无尽的。也许有一天,这种机器人会自己生产基本单位,然后一切都不用我们操心了。 想象一个很小的东西。大概有一根头发直径的7万分之一那么小。对了,那就是1纳米。1纳米是1米的10亿分之一,大概只有原子直径的10倍。在几十个到几百个纳米尺度上,人们打算制造些东西。这就是纳米技术。

  1959年,诺贝尔奖获得者、物理学家费曼(《别闹了,费曼先生!》那本书说的就是这位很好玩的物理学家),曾经做过一次名为“在物质底层有大量空间”的演讲。他预言,人类将可以把分子甚至原子做为基础原料,在最微观的空间构建物质。例如,我们可以把碳原子一个一个排列成钻石。毕竟世界是由原子构成的。在理论上,纳米机器可以构建所有的物体。

  费曼的预言很快成线年,IBM公司的一个研发小组在一块镍板上,通过扫描隧道显微镜用35个氙原子拼出了“IBM”的字样。随后,工程师们又制造出了几个纳米大小的齿轮、剪刀、螺旋桨这类东西,但是却一直没有找到好的马达来驱动它们。

  如果打算在这样小的尺度上制造机器,工程师就需要向生物学家取经了。生物学家在这方面有所突破,他们发现生物体内存在着天然的分子马达,生物体的一切定向运动都与它有关。而不同类别的分子马达也有不同之处,有的用两条“腿”迈步前进,有的还分成了“定子”和“转子”。有了这些东西,那些纳米级的零件就可以被驱动了。

  对分子马达的控制现在已经有了一些进展,用分子马达驱动纳米级别的机器很快就会成为现实。但是以现在的技术水平,生产这样的机器成本实在太高,最好的办法还是采用自我复制的方式。

  纳米机器人的复制会容易一些。它们可以直接抓取合适的分子甚至是原子来构建一个新的自己,或者干脆利用DNA的自我复制的特性,从一个很快变成数十亿个。无论是速度还是成本,都是其他制造工艺望尘莫及的。这些小家伙可以在人体内工作,通过杀灭病毒、病菌来治疗疾病、通过提高供氧量来改善体质,甚至延缓衰老治疗癌症,这些都可能实现。想想看那部《垂暮之战》吧。

  不过就现阶段而言,这种机器还不能指望很快出现。虽然最近这样的研究成果已经出现在学术期刊和科学杂志上,但是距离真正的应用,还有不小的距离。 伴随着新技术而来的,往往不仅仅是赞叹。可以自我复制的机器可以带来前所未有的方便,但是它可能存在的问题也是显而易见的:如果自我复制失控了呢?

  2004年,有一本叫做《运动学的自我复制机器》(Kinematic Self-Replicating Machines)的书出版了。那本书的封面上是一片草原,上面挤满了兔子。这个封面像是一个警告,在提醒我们无限繁殖会导致什么样的可怕状况。

  机器和兔子不同。兔子需要食物,需要排泄,需要自己的领地。当繁衍太多时,会因为生态的崩溃而大批死亡,最后重新恢复平衡。而机器不需要,当它的繁殖失去控制时,我们只能眼睁睁地看着它们吞噬所及的一切,而且每个周期都会增加一倍的数量。

  对自我复制机器的担心由来已久,甚至出现了了一个专有名词“灰雾”(Gary Goo),专门用来描述世界被不停复制的纳米机器吞噬的场景。1986年,埃里克·德雷克斯勒(Eric Drexler)的《造物引擎》(Engines of Creation)一书中首先提出了这个名词,这种情形想来非常可怕,但是实际上并不太可能发生。

  正如我们在每一台机器上面都安装了一个开关一样,任何一台能够复制的机器必然也有一个停止复制的控制机制。在我们体内,正常的细胞每分裂一次,线粒体的端粒就会缩短一次,当断于临界长度时,细胞就不再分裂,而会衰老死亡。计算机软件中往往也有这样的计数器程序,特别是在一些试用版软件中。同样的,对于自我复制的机器,也可以采用类似的技术来防止其无限制地复制下去。

  但是,万一这种机制失效呢?万一某个头发蓬乱穿着白大褂或者梳着油光水滑发型穿着昂贵三件套西装的家伙故意释放了这种无限繁殖的机器呢?万一机器在某天突然拥有自我意识(就我个人而言,完全不怀疑这一天的到来),变成了天网,甚或将我们的世界变成了The Matrix呢?这些依然是未知数。我们只能寄希望于科学家们的才智,姑且认为每当这个世界面临崩溃的边缘的时候,他们有能力将这个世界重新拉回正轨。

  科学家们并没有去回避危险,是因为他们相信能够控制他们的造物。说起来,人类的整个发展史,不也是走过了一条类似的道路吗?