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迷人的技术

著者：(美)凯莉·魏纳史密斯　(美)扎克·魏纳史密斯

译者：刘天峄

责任编辑：孙桂均　杨波

ISBN：9787535798206

目录

版权信息

献给我们的父母

序言 咫尺之遥，瞬息之间

第一部分 宇宙，在咫尺之遥的未来

第1章 通往太空的廉价方式

要越过最终的边界太过昂贵了

第2章 小行星开采

在银河系的垃圾场中东翻西找

第二部分 东西，在咫尺之遥的未来

第3章 核聚变能

它驱动着太阳，这真不错，但它能让我的烤面包机运转吗？

第4章 可编程物质

如果你所有的东西都可以相互转换会怎样？

第5章 机器人建造房屋

给我造一间娱乐室，金属仆役！

第6章 增强现实

一种修补现实的选择

第7章 合成生命机理

有点像《弗兰肯斯坦》，除了那个在整本书中都在为医学和工业做贡献的怪物

第三部分 你，在咫尺之遥的未来

第8章 精准医疗

尤其是你身体的一切毛病——一种统计方法

第9章 生物打印

当你能轻易地打印一颗新肝脏时，为何要在七杯龙舌兰前踌躇呢？

第10章 脑机接口

40亿年的进化后你还是记不住把钥匙搁哪了

结尾 长眠于墓地的一些项目

致谢

献给我们的父母

帕特里夏·史密斯　卡尔·史密斯

以及

菲莉丝·魏纳　马丁·魏纳

没有你们，这本书永远不会被完成。

你们养育了我们，在我们生病的时候照顾我们，

在我们自顾不暇的时候替我们照看艾达，

以确保我们能时常得到片刻的喘息。

我们会永远对你们为我们实现梦想的付出心怀感激。

这本书既是我们的，也是你们的[1]。

序言
咫尺之遥，瞬息之间

同很多书一样，这也是一本预测未来的书。

幸运的是，预测未来是颇为容易的。人们向来会对未来做出预测，可让预言成真却有一点困难，但坦率地说，真有人会在乎吗？

2011年有一篇名为“电视上的特约评论员是在夸夸其谈吗”[2]的研究报告，26名权威人士的预测能力在这篇研究报告中被予以了评定。预测能力的评定范围介于“通常是正确的”和“往往是错误的”之间[3]。

对绝大多数的人来说，阅读这篇研究报告的乐趣，在于发现某些人不仅是令人难以忍受的笨蛋，而且在统计学上，他们傻到了无以复加的地步。从科普作家的视角来看，这其中有一项更为激动人心的研究结果：不管这些权威人士的预测能力如何，他们所有人仍然没有失业。事实上，很多最糟糕的预言者都是最知名的公众人物。

如果预测能力和拥有成功的事业之间确实不存在关联，我们便可以把自己置身于一个有利的位置上了。毕竟那些权威人士试着去预测的，只不过是短期内那些打着口水仗的参政者之间会发生什么。他们不会试图去断定我们是否会在50年后拥有一台通向太空的电梯，我们是否会在不久后把我们的大脑上传到云储存[4]中，机器是否会为我们打印出新的肝脏、肾脏和心脏，抑或医院是否会使用微型游泳机器人来治愈疾病。

坦率地说，要告诉你本书中任何一项技术，是否能在任何特定的时间范围内以最完全的形态得以实现，实在是难得离谱了。新的技术不单单是越来越好的事物的缓慢积累，间断性的飞跃——例如激光和计算机——往往取决于不同领域中不相关的发展。此外，即使在相关的重大发现被取得之后，一项特定的技术也不见得就能找到市场。没错，来自1920年的时间旅行者会发现我们有了飞行汽车，不过没人想得到它们。它们像是汽车的“象棋拳击赛”[5]——偶尔看一次会觉得有趣，但在绝大多数的时间里，你宁愿这两者是分开的。

考虑到我们向你做出的任何预测可能不仅是错误的，而且是愚蠢的，所以我们决定运用一些我们从其他预测未来的书籍中所学到的策略。

首先是一些初步的预测：

我们预言计算机会变得更快；屏幕将获得更高的分辨率；基因序列测定会变得廉价；天空仍将是蓝色的，小狗仍将是可爱的，馅饼仍将是美味的，奶牛依然会哞哞叫，用作装饰的毛巾仍然只会对你的母亲来说才有意义。

我们强烈建议你在若干年之后再来评定我们的准确性。注意，我们没有划定时间范围，所以你的评定选择要么是“正确”，要么是“不算错”。

既然我们已做了一些初步预测，那我们便准备好了再做一些。我们预测，可重复使用的火箭的发射费用在未来20年中会降低30%～50%；用血液化验来诊断绝大多数的癌症在未来30年中将成为可能；纳米生物机器在未来50年中将能治愈大部分遗传性疾病。

好了，总共是11项初步预测。我们相信，如果我们能在这11项中命中8项，那我们就应当被视为天才，而且如果这些初步预测中有一个成真了的话，那便可以去撰写构思巧妙的新闻报道了，其标题像是“对基因序列测定的未来进行过预测的夫妇宣称，太空旅行会在不久后变得廉价”。

精准地预测未来是困难的，非常的困难。

新的技术几乎从不是那些怀揣着奇思妙想却离群索居的天才们的成果。随着时间的推移，这一点将变得愈发正确。未来的一项技术可能会需要以好些中间技术的发展为先导，而且在这些技术最初被实现的时候，它们中有很多也许会显得与这项技术没有关联。

我们在本书中讨论了一种在不久前刚被研发出来的装置，其名为超导量子干涉仪，亦被称为SQUID。这种极其灵敏的装置可以探测到大脑中不易被察觉的磁场，这是一种无须在颅骨上打洞便能分析人们思维模式的办法。

我们是如何获得这种东西的呢？

这么说吧，一个超导体是一种在不丢失电的情况下传导电的材料，这不同于一个常规导体（例如一根铜线），常规导体能很好地传导电，但在传导途中会丢失少量的电。

超导体的发现要从200多年前说起，当迈克尔·法拉第在制作一些玻璃器皿时，他意外地让留存在一支加压玻璃管中的气体变成了液体。那时没有电视，所以一群维多利亚时代的人对液化气体的想法感到兴奋不已。

正如事实所证明的，比起给气体加压，使气体冷却更容易让气体液化。这种领悟引导科学家发明了先进的制冷技术，使他们得以液化难以处理的气态元素，例如氢和氦。此外，你一旦把氢或氦液化，就能用它们冷却几乎一切你想冷却的东西了。

以氦为例，氦处于液态时的温度大概在零下450华氏度。如果你把它泼向任何一样东西，液态氦便会转化为气体并带走热量，直至你要冷却的东西也同样处于零下450华氏度[6]。

后来，科学家开始好奇于导体在极低的温度下会发生什么。导体的性能会随着冷却而提升。简而言之，这是因为导体有点像是运输电子的管道，但它们并非是完美的，比方说，一根铜线中的铜原子会阻碍电子的运动。

我们一般说的“热量”确实只是原子量级上的高速晃动。当你加热（亦被称为晃动）铜线中的原子时，它们更可能会阻碍电子的移动。同样，当有人在你前面一再地变换着车道时，你接下来的行驶会变得困难。原子量级的晃动（亦被称为加热）意味着电子更可能会撞上铜原子，从而致使晃动加剧，而这便是为何笔记本电脑的充电器在使用一段时间后会变得很热的原因所在。

当你把液态氦放在导体（铜线）上时，铜原子中的晃动能量会被转移到氦原子上，并被气化的氦原子带离。这时铜原子的晃动减弱，而电子遇到的阻力则少了很多。铜原子的温度越低，电子的流动也就越容易。

那时有一场关于在趋于零晃动的情况下会发生什么的争论。有些人认为电导会停止，因为在那样的温度下运动应该是不可能的，即使是对电子来说。有些人认为电导率会变得极高，但不会发生什么特别的事情。

因此研究者开始把金属原子置于超冷气体中。其结果很是古怪，当一些金属达到某一极低的温度时，它们会变成完美的导体（亦被称为超导体）。如果你让这些金属保持超导状态下的低温，并把电放入一个由这些金属所构成的回路中，那电便会永远地环形流动。这听起来似乎是一个引人注目的有趣的科学事实，但它会导致各种各样的不可思议的事情！那股环形电流将产生一个磁场。此外，这意味着你可以将这些冷却的金属变成永久性的磁铁，其磁场强度取决于你加入的电流量。

随后，在20世纪60年代，一个名叫布莱恩·约瑟夫森的人（曾赢得诺贝尔奖，可如今却在剑桥捍卫诸如冷核聚变和“水记忆”之类如魔法般的无稽之谈）发现了一种能探测到磁场中细微变化的超导体排列形式。这种名为约瑟夫森结（Josephson junction）的装置最终使SQUID的开发成为可能。

那现在想一想，如果200年前有人来问你如何才可以制造出一种用于扫描人们思维模式的装置，你脱口而出的回答会是“嗯，首先我们得将一些气体留在一支玻璃管中”吗？

我们认为不会。事实上，即使是当最后一项重要的技术跨域——由一个认为水会记住添加物的人所发现的约瑟夫森结——被提出时，其理论上同样被认为是不可能的。后来，约瑟夫森结的性状得到了一套理论体系的解释，而这套理论体系是在法拉第去世很久之后才被发展起来的。

技术发展的偶发性是为何我们没有一座月球基地的原因所在，尽管我们曾认为我们如今会拥有，但我们确实拥有了口袋大小的超级计算机，几乎没有人曾预想到它的到来[7]。

这种困难同样适用于本书中谈及的一切技术：我们能否建造一台通向太空的电梯，也许取决于化学家能多好地把碳原子排列在小小的吸管中。我们能否制造出只要我们说一声便能呈现出相应形态的物质，也许取决于我们能多好地了解白蚁的行为。我们能否制造医疗纳米机器人，也许取决于我们能多好地理解折纸工艺。或许最终它们都是无关紧要的。历史不存在必然性。

我们如今知道古希腊人能创造出复杂的齿轮系统，但从未制造出一座先进的时钟。古亚历山大港的居民拥有一台原始的蒸汽机，但从未设计出一辆火车。古埃及人在4000年前发明了折叠凳，但从未创立过一家宜家商场。

这一切也就是说——我们不知道这些东西何时才会出现。

那为何要写这本书呢？因为每天都有奇妙的事情在发生，从未间断，而绝大多数的人却并未意识到。还有人变得极其悲观，因为他们曾认为如今应该有了核聚变能，或去往金星的周末旅行。造成这种失望的并不只是对未来给予过度承诺的科学家，还有对未来做出过分许诺的书。同科幻小说一样，这些书往往忽略了处于我们和未来之间的经济和技术挑战。

我们不知道为何这些挑战在书中屡屡被忽视。如果到达月球是容易的，那阿波罗11号的故事会更为引人入胜吗？在我们看来，脑机接口的主意令人如此激动的部分原因，在于我们现在对如何解译思维几乎毫无头绪。在无尽的前沿上，有无数的问题有待被回答；有无数的发现有待被做出；有无数的荣誉有待被获得；有无数的英雄有待被戴上花环。

我们挑选了十个不同的领域来同你一起探索，并将它们从大到小进行了大致的排列：从外太空到巨型实验发电站，再从创造事物和体验世界的新方式到人体，一路下来直至你的大脑。请勿见怪。

每一章的指导原则都是这样的：如果你坐在一间酒吧里，有人问你：“嘿，核聚变能是怎么一回事？”那最好的答案会是什么呢？别人曾说我们不知道酒吧是什么样的，但我们真正想说的是，每一章都会告诉你一项技术，包括这项技术的现状，实现这项技术的挑战，以及这项技术可能会以何种方式令事物变得糟糕或美好。

对我们来说，科学进步不只是令人激动的，它还为我们创造着新的事物。明白开采一颗小行星或让机器人集群来造一栋房子有多么困难，会让新的事物变得趣味盎然。此外，这意味着当那些事物最终出现时[8]，你将明白这究竟有多么振奋人心。

你还将了解到一些有关科学和技术走过的奇怪的弯路、钻进过的死胡同。我们在绝大多数章节的末尾提供了一些话题关注，这其中包括我们发现的一些稀奇古怪（或者叫人反感，抑或令人惊叹）但有价值的事实。这些内容有时与它们的章节直接相关，也有时只是我们在研究中发现的古怪事物，诸如由玉米面包所做成的章鱼之类极其古怪的事情。

为了完成所有这些章节，我们得阅读很多的技术书籍和论文，得和很多有些疯狂的人进行交谈。在这些人中，有些更疯狂一些，而他们是我们最喜爱的人。在我们所有的研究中，一种相同的结果是我们对每一个话题的先入之见都被粉碎了。总之，只要我们进行研究，便会发现我们不仅不了解技术本身，而且也弄不清是什么在制约着技术的发展。往往看似复杂的东西其实是很简单的，而看似简单的东西实则却是复杂的。

新的技术是美妙的事物，但就像米开朗基罗的圣母怜子像或罗丹的沉思者一样，制作它们通常是一种可怕的痛苦。我们想让你了解的不仅是一项技术是什么样的，还有为何未来要如此顽固地抗拒着我们的竭尽全力。

凯莉·魏纳史密斯，扎克·魏纳史密斯

2016年9月于魏纳史密斯庄园

附言：我们还想让你知道一项实验，在这项实验中，大学生被强迫用一只鼻孔呼吸，然后参加考试。这和本书有关吗？有，我们保证。

第一部分
宇宙，在咫尺之遥的未来

第1章　通往太空的廉价方式

要越过最终的边界太过昂贵了

向上，向着那癫狂而炽热的漫漫碧空

我翩然地跃上了那疾风呼啸的高度

这里不曾有过云雀和鹰的翱翔

在万籁俱寂间，我已心若无物

在这一方不染微尘的圣洁中

我伸出手，触到了上帝的面庞

——小约翰·吉莱斯皮·马吉《晴空之上》[9]，1941年

在这首诗中，你会立刻注意到的一个问题是作者完全没有提及费用。这是往往会在诗歌中犯下的一种明显的技术疏漏，所以我们又添了两行诗：

当我问起飞向太空的费用后

我转身而去，因为“我的天呐！”

此时此刻，要把1磅[10]重的东西送入太空大概得花掉10000美元[11]，相当于2500美元一个吉士汉堡。

这就是为何人类只去过月球表面6次，以及为何我们的月球车的有些部件比纸还薄的原因所在。我们在2017年拥有的太空旅行模式让1969年时的所有希望都破灭了，造成这个事实的原因并不是机械制造的不足或科学天才的匮乏，而是我们到达太空的费用一直居高不下。如果我们能大幅地削减这项费用，那我们将拥有更好的太空科学和通信系统，拥有获得太空资源和更好地控制气候的能力，而更好的是，太阳系将为我们敞开探索和定居的大门。

要弄清为何把东西送上太空是如此昂贵，那你就得明白造一枚火箭时应该着眼在什么地方。

火箭本质上是一根充满易爆物的推进剂，且是在顶部装载着极少量货物的金属管。就一项去往近地轨道（大约300英里[12]的高度，是绝大多数航天发射的目的地）的典型发射任务而言，在质量上，你应该着眼于80%的燃料、4%的货物（4%其实是最高值了，如果你要去更远的地方，那这个值便接近于1%～2%）以及火箭自身所占的16%。

然而当你着眼于费用时，事情便反了过来。推进剂是可忽略不计的费用构成之一——它只会花费你几十万美元，因此差不多所有在使用后便被抛弃的火箭，其自身载具便占据了绝大多数的费用。

总而言之，发射火箭是非常昂贵的，而且火箭上绝大多数的空间是由推进剂所占据的。这为我们留下了两种方式去尝试大幅度地降低费用，以让去往太空变得廉价：

1.回收发射载具。

2.使用更少的推进剂。

载具回收在2015年突然变成了现实，我们会在下文中对此进行分析，但其基本想法是非常简单的——不是使用一次后就丢弃载具，这样便能节省费用。

使用较少的推进剂稍有些棘手，尽管推进剂占据着一枚火箭80%的初始质量。要弄清原因，先打一个比方——你驾车从俄罗斯到南非，然后折返。你有两种方式来获取你的燃料：

1.沿途在加油站加油。

2.在车尾拖上一辆油罐车，把全程所需的燃料放在上面。

当然，你更愿使用第一个选项，但想一想原因吧。

汽车可看作是一种将燃料转换成向前运动的机器。如果你的车非常的重，那它便会耗费更多的燃料来向前运动。如果你给你的车定期加油，那绝大多数的质量便会是这台车，而不是燃料。

在第二个选项的情况下，你将拖着一辆巨大的油罐车。燃料的质量可能比车自身的质量要大得多。特别是在最开始的时候，你将使用绝大多数从燃料中获取的能量来移动燃料本身，所以绝大多数的燃料都用去移动其他的燃料了。

那结果呢？在第二种情况下，你所需的燃料总量将远高于第一种情况下的。就像所有的航天火箭一样，构成其本身的大部分是燃料，而不是载具或货物。

遗憾的是，为火箭建造加油站是非常困难的，因此在没有重大变化的情况下，就太空旅行而言，我们只能在第二种情况下停滞不前。

这里有一个非常诱人的设想：如果发射载具能回收，那便可能削减航天发射90%的费用。或者说，如果你能只使用3/4的燃料量，那便能放入6倍的货物量[13]，而这会把每磅货物的费用削减到1/6。

这里的难点在于你将同地心引力进行对抗。最廉价的可用轨道是近地轨道。人们常常认为“轨道”意味着那里没有重力，这是不正确的。事实上，国际空间站（现在正位于近地轨道上）通常位于250英里的高度，并承受着90%你在地球上所经受的重力，那为何宇航员会四处飘浮，好似那里没有重力一样呢？这是因为空间站运动得非常快——大概为每秒5英里。尽管他们始终受到地球引力，但他们总是在“错过”坠向地面的机会。

可以这么来想：假设从一座塔的顶端发射一颗炮弹，如果你将它轻轻地发射出去，那这颗炮弹飞不了多远便会坠向地面；如果你以快到难以置信的速度把它发射出去，那它便会飞向太空，但在坠向地面和飞向太空之间存在着很多的中间情况。就一个特定的高度而言，存在着一个慢到足以令炮弹不会离开地球，又快到足以让炮弹不至于重重地落向地面的速度。如果你骑在这颗炮弹上的话，你便会坠落，因为重力会把你往下拽。与此同时，因为你运动得足够的快，所以你将能看到地球的曲线。当你从地球上的某一点开始直线移动时，地球的曲线便会下降并离你而去。重力会让你下落，但速度却让你保持上升，因此你会绕着地球一圈又一圈地运动，你便在“绕轨运行”了。

虽然近地轨道是最为廉价的轨道，但要到达那里仍然过于昂贵。将一大件金属体加速到每秒5英里并不是一件容易的事情。如果我们想拥有电影里那样的太空船，而不是被包裹在箔纸中的巨型锡罐，那我们便需要一种更廉价的发射方式。

我们的现状如何？

方法1：可重复使用的火箭

从短期来看，可重复使用的火箭是实现更为廉价的太空发射的最佳选择。它们是传统的火箭，但它们在完成任务后会落向地面并降落，不会像现在的火箭那样坠入海中，虽然这并没有解决火箭只能装载4%的货物的问题，但这可能会促使费用下降。

尽管这种方法存在着一些困难。你必须得让火箭上留有用于降落阶段的额外推进剂，而这会降低效率。若想让火箭携带最少可行量的额外推进剂，可这会令降落阶段变得异常困难。

一个严重的问题是，没人知道翻新一枚已被使用过的火箭得花多少钱。这可是要进入太空的东西，你不能只给它涂上一层光亮剂后便放回到发射平台上。

美国的航天飞机——被设计成了一种可重复使用的发射载具——到头来反而比常规火箭的费用更高，因为翻新太过于昂贵。关于这是谁人之过的争论一直不绝于耳——工程师、国会、空军、反对的公众和更多人，其实这项计划主要是由重复发射航天飞机的费用所终结的，而这正是为何当很多人在为航天飞机的退役感到难过时，许多太空迷却很乐于看到它离去的原因。

然而有理由期待一种更好的可重复使用的发射载具能被创造出来。当我们在写这一章时，太空探索技术公司（SpaceX）成为首家成功地将货物运入太空，然后把火箭的一部分进行回收的公司[14]。

如果可重复使用的发射载具的费用真能被降低的话，这在一代人的时间内可能会是太空旅行上最大的进步。曾在我们观看一次航天发射的时候，一位读者发推特说尽管他在儿时见证了登月，可他发现可重复使用的发射载具是更为令人激动的。这听起来很疯狂，但他领会到了一点——登月无疑是更为伟大的技术壮举，但高昂的费用限制了登月的次数。费用究竟能下降多少一直处于争论之中。埃隆·马斯克似乎宣称过他最终能让费用降到百分之一。在更近一些的时候，太空探索技术公司的总裁格温·肖特维尔宣称他们目前的猎鹰九号能提供7折的费用优惠，然而即使可重复使用的发射载具目前只意味着很小的费用下降，可它们也许代表了一种未来能节省更多发射费用的途径。通向火星之路也许正是由很小幅度的费用下降所铺就而成的。

方法2：吸气式火箭和太空飞机

飞机已经飞得很高了，那为何我们不能让它们飞得更高一点，这样一来，它们不就到达太空了吗？

不行。为何总有人会这么问呢？天哪。

如果你想把一颗人造卫星放入轨道，那最难的地方就不是要飞得很高，而是要飞得很快，而这会耗费很多的推进剂，但使用一架太空飞机或许能使费用大幅地下降。要弄清原因，那你就必须理解什么是推进剂。

如果你把推进剂称为“燃料”，那美国国家航空航天局的一位工程师便会用一部TI—83来揍你[15]。推进剂其实是两样物质——燃料和氧化剂——的混合物。当你想获得一次燃烧反应时，你需要三样物质：燃料、氧化剂和能量，比方说，当你要燃起一堆营火时，燃料是木头，氧化剂是——你猜到了——氧气，而能量是一根被点燃了的火柴。

一枚火箭里同时携带了燃料和氧化剂。氧化剂和燃料的实际比例会根据火箭和任务的不同而有所变动，但大致说来，推进剂中的大部分都是氧化剂，而氧化剂通常是液态氧2，可火箭在大部分的旅程中明明是被氧气给包围着的，为何要携带液态氧呢？

简而言之，这是为了保持简单。火箭是一种依靠蛮力到达太空的方式。你把一切你所需的东西放在一根管子里，然后借助爆炸一飞冲天。如果用一架飞机的话，你或许能从空气中，而不是从携带的氧化剂中获取的氧气来提高效率，但这将让一台本就已很复杂的机器变得更为复杂。

对一架太空飞机来说，最大的问题在于需要为其配备不同类型的引擎，以应对不同的速度要求和去往太空的途中会遇到的各种状况。其原因如下：

当今绝大多数的飞机所使用的是涡轮风扇引擎。它们有点复杂，但基本原理是很简单的。风扇会将空气吸入一个燃烧室中，然后将之压缩，所以一个很小的空间内会有很多的氧气（你的氧化剂！）。接下来，燃料会被注入并被引燃。其结果便是当涡轮风扇引擎吸入更多的空气时，它会把热的压缩空气向后方排出，如此一来，引擎后方的气压便会高于引擎前方的气压，因此飞机会向前移动。

当飞机接近音速时，或者说处于767英里[16]（亦被称为1马赫）的时速时，涡轮风扇引擎便会遇到麻烦。在音速下，空气绕过飞机的速度无法同它积聚的速度一样快。如果引擎前方的进气口是一个风扇的话，这便会造成问题。

一种解决办法是使用所谓的加力燃烧室。加力燃烧室会吸入涡轮风扇发动机后方的剩余空气，然后向它泼洒更多的燃料并引燃它。简而言之，在飞机的后方制造出少量持续的燃料爆炸。利用这种方法，飞机能达到1.5马赫，尽管这并不是特别高效的，但飞机一旦达到1.5马赫的速度，就可以使用冲压式喷气引擎了。

冲压式喷气引擎是一种非常简单的机器，但制造起来没那么容易。大致说来，把涡轮风扇引擎中的所有活动部件——包括风扇——给去掉。这种引擎不需要一个压缩空气的风扇，因为速度会压缩空气。飞机飞得很快，所以空气会挤入一个燃烧室中，而当其中被加入燃料并点火时，内部的空气速度会减慢，但这里的问题是冲压式喷气引擎不能在一开始的时候便被使用，因为速度本身才是空气压缩机。飞机一旦达到1100英里的时速，就只能使用冲压式喷气引擎了，比方说，一架SR—71侦察机上就配备有一台涡轮风扇引擎。一旦飞机达到适当的速度，这台引擎就会通过改变形态，来像冲压式喷气引擎一样地运转。

飞机一旦达到极快（但并未快到能停留在近地轨道上）的速度，就得使用一台“超音速燃烧冲压喷气引擎”了。超音速燃烧冲压喷气引擎是一种更简单，但也更难制造的机器。大致说来，超音速空气进入引擎，并在速度不减慢的情况下与燃料一起被直接引燃。之所以可以这么做，是因为氧气来得太快了，以至于在不用压缩的情况下便取得一次燃烧反应，但——可以这么说——在超音速的风中点燃一根蜡烛并非易事。超音速燃烧冲压喷气引擎尚处于试验阶段，但当超过4500英里的时速[17]时，它们是最为高效的办法。理论上，它们能达到25马赫，即轨道速度。已经有一些超音速燃烧冲压喷气引擎的研究项目了，这其中大部分是军用的，但全都收效甚微，而且当前它们无一能接近轨道速度。

一架理想的太空飞机应该能依次使用不同类型的引擎来抵达太空。一旦到达太空，就没有氧气可用了，所以太空飞机很可能得切换到使用火箭推进剂的传统方法，但通过使用来自于空气中而不是搭载的氧气箱中的氧气，太空飞机可以降低燃料的使用，这可能足以让太空飞机携带10倍的货物量。

此外，不同于火箭，太空飞机更容易被回收。如果太空飞机能在不造成太多损坏的情况下重复降落，那便解决了载具损失和燃料效率的问题。

难处在于所有的这些引擎都必须能在极端环境中运转。要优化一台超音速燃烧冲压喷气引擎，需要针对的环境是非常极端的，以至于单是在地面上模拟这些环境的费用就已非常高昂了。

一家名为反应引擎（Reaction Engines）的英国公司正在研制一种名为云霄塔的载具，它使用的引擎名为SABRE，即协同吸气式火箭引擎（Synergetic Air-Breathing Rocket Engine）。我们猜想这家公司很快便将研制出“ABRE”（吸气式火箭引擎）部分，然后花些日子来决定“S”（协同）部分。简单来说，协同吸气式火箭引擎是一种火箭，但它是以吸入外部氧气的方式来进行一部分推力反应的。他们的引擎被设计成了能高效地从一台涡轮风扇引擎切换到一台冲压式喷气引擎，再到一台火箭引擎。研发者可能尚未着手于如何让这种引擎切换到以一台超音速燃烧冲压喷气引擎来运转，为什么？因为没人真正知道这该如何来完成。

这是一次既昂贵又艰难的尝试，但他们确实从欧洲空间局[18]和英国政府获得了数量可观的资金。如果事情顺利，他们有望在10年内让一架配备了这种引擎的先进飞机投入使用。

相对于缺点而言，火箭的优点是简单。一枚老式火箭在低速、高速、浓密大气、稀薄大气和零大气下都可以良好地运转。

方法3：极其庞大的超巨型大炮

一种节省火箭燃料的办法是不使用燃料。我们刚刚讨论了火箭是如何被推进剂所拖累的。如果用一场巨大的地面爆炸来替代在通往太空的路上相对缓慢的受控燃烧会怎么样？当然，一般来说，你必须使用大量的爆炸物，但这些爆炸物并非是用于抬升更多的爆炸物的，所以这将节省大量的总能量。

注意，这种办法的成本可不低，而且需要一门长度很可能将达到几千英尺[19]的大炮，其配备的一根接近10英尺口径的炮管里填装着足有好几吨重的爆炸物，但这种办法的优点是不会有废弃的部件，不需要用燃料去运送燃料，以及几乎每次发射都能让货物直达太空。

这并没有听起来那么疯狂，而且至少已经有两个资金充裕的政府项目正在探索这种办法了，我们在本章中将着重对其中的一项进行讨论，但这种办法存在两个主要缺点：

首先，每次发射时必须引起一场巨大的爆炸，所以如果想在不花费太多费用的情况下重复使用这种东西，你就需要某种能频繁地承受好几吨被引爆的爆炸物的燃烧室。

其次，发射一门大炮并不是一件很好玩的事情。好吧，事实上，如果你被从一门太空大炮中发射了出去——这不是一件好玩还是不好玩的事情——你只会被撞得粉碎。

杀死你的不是速度，而是加速度，即速度的变化。

当你在一台上升的电梯中时，你会感觉到好像在被往下压，而这只是一种很小的加速度。相比之下，你在一台过山车上可能会感受到5倍于电梯的加速度。通过训练，人类在不会昏迷的情况下能忍受10倍或20倍于电梯的加速度。超过这个水平，人就可能会死亡。为什么？当你加速一辆汽车时，一个杯子中的水会急剧地后倾，并在加速停止前保持着这样的倾斜。想象一下，这个杯子是你的身体，而水是你的血液。对了，你的时速要在10秒内达到17000英里，而不是60英里[20]。

就一门基于爆炸的太空大炮而言，我们谈的是5000～10000倍于电梯的加速度。易碎的东西不会从一门大炮被发射到宇宙中，这包括易碎又渺小的你。

这也许没有听起来那么糟糕。你仍然可以发射一些“被加固过的”货物，例如经过特殊设计的电子器件。你还可以发射各种各样的原材料：金属、塑料、燃料、水和牛肉干。一个主意是，让一种轨道加油站接收从一门大炮中发射的燃料。

就其本身而言，一门太空大炮并不是一种探索太空的绝佳途径，但如果你把一门太空大炮和一座太空中的轨道工厂联系起来，那我们或许就可以着手来干了。这里的想法是把原材料发射到轨道工厂上去，用以建造巨型太空船，然后从这座工厂出发去探索太空。就恼人的易碎货物而言——例如人类——仍需要一种更“懦弱的”发射方式，例如火箭，但对一项已经在宇宙中开始进行的大型太空任务来说，你要运送的货物大多是金属、塑料，以及为脆弱的人类提供的补给。所有这些东西都可以被“加固”并被发射到轨道上去。

另一个选择是让一门大炮的发射速度足够的慢，以让货物经受一种人类能够承受的加速度水平。

比如说，你可以进行一系列的爆炸，让加速呈时间上的递增。其缺点是货物将携带一套昂贵而复杂的系统，而制造这套系统是更为昂贵和复杂的。如此一来，便能够进行多次爆炸，而不是一次，这意味着一根更长的炮管和更多出错的可能。

还有一个选择是使用一门电磁轨道炮。这可以从一辆磁悬浮列车获得启发。这些磁悬浮列车是飘浮在一个磁场上的，这一点很重要，因为如果使用传统的轨道，那在超过某一速度后便会造成轨道弯曲乃至熔化。把载具同它的轨道放在一根约有100英里长的真空管道中，然后使用强力磁场为其加速。它便在没有轰鸣的情况下基本能达到爆炸产生的加速度。这种方法的优点在于更为清洁，而且更易于重复使用，而缺点在于所需的材料——特别是超长的真空管道和列车系统——要昂贵得多。

然而这还存在一个问题：即使你把加速在时间上分散开来，投掷物在某个时间点也还是得离开管道，超高速地从一个真空环境中进入大气。

要弄清这个投掷物在离开管道的时候会发生什么，那就想一想：穿过风和让风从你的身上吹过是一回事，都是空气离子猛烈地撞击你的身体。地球上最强劲的风是龙卷风，而最快的风速记录大概是每小时300英里。如果你想让这个投掷物以正确的速度抵达轨道，那大炮的发射速度便得是这个速度的50～100倍。

在这个速度上，空气会与这个投掷物发生激烈的对抗，毫不夸张地说，这会引起燃烧，所以这个投掷物不仅得承受空气的阻力，还得经受一次爆炸，但这对货物来说可不妙。

一种避开这个问题的办法是把这个管道结构造得足够的高，以让货物在到达稀薄的高层大气前不离开管道。一旦到达25英里左右的高空，大气的密度就会急剧地减小，可问题在于我们不知道如何建造25英里高的东西。人类曾修建过的最高的建筑差不多是0.5英里高[21]，而且它是一栋摩天大楼，而不是一条发射轨道。即使我们知道如何建造它，可建造费用也将是一个天文数字。

然而，人们仍然在尝试去实现使用大炮的方法，而且存在着这项概念的若干变体，这其中包括本章中两项具有最佳命名的概念，即“弹弓加速器”（Slingatron）[22]和“火箭橇”（rocket sled）。

弹弓加速器是一种架设在螺旋形轨道的轨道炮。我们和来自美国航空航天局先进概念研究所（NIAC[23]）（对能想出很疯狂但或许行得通的太空探索主意的人来说，这个机构像是一种“庇护所”）的詹森·德莱斯进行了交谈。他告诉我们：“很遗憾，弹弓加速器基本上是不可能实现的。我真的很喜欢它。我觉得这个主意很棒，但要让它有一丝成功的机会，你最后只能把它放在珠穆朗玛峰的峰顶，因为它在整个过程中都得和空气阻力抗衡。”

火箭橇大致是另一种轨道炮，但它的加速对象并不是投掷物，而是一辆装有一枚火箭的“雪橇”。这种“雪橇”的速度非常快，能高速地进入大气的稀薄部分。它一旦升高，就会立即启动火箭，而之前由弹射所带来的速度和高度便能节省大量的燃料。

所有这些方法都具有与一台冲压式喷气引擎或超音速燃烧冲压喷气引擎系统相结合的可能性。记着，只有达到很快的速度时，这些系统才能开始工作，而且这些系统必须是为应对极端环境所设计的，但正如所有的混合系统，火箭橇也是非常复杂的，而且它的效率也就高出那么一点。

这把我们带到了德莱斯先生告诉我们的另一项概念上。

方法3.5：极其庞大的超巨型……弹簧单高跷

“在我听说过的最有趣的主意中，有一个乍听起来荒唐可笑的，你知道吗？非常非常的愚蠢……有一个人提议为何我们不把航天飞机放在一根弹簧单高跷上呢？他的意思是一个能往下压的机械装置，像是一根大弹簧，在最开始的时候给它稍微施加一些能量。这听起来非常的愚蠢，可如果你真造出了这样的东西，那你很可能就真能获得百分之一的额外载货量了。这点子很棒，很巧妙。”

方法4：激光点火装置

火箭主要是通过在尾部燃烧物质来工作的。物质燃烧得越热，火箭从单位推进剂体积中获得的推进力也就越大。一种也许能让物质变得非常热的办法是，在火箭上搭载一台超大功率的激光器，让它把燃料点燃到热量的极限，但这样会大大地增加火箭的质量，所以不值得这么做。

因此科学家曾想出了一个很可能会让宇航员失去热情的主意：我们是否能把一道激光束射向一枚飞行中的火箭的尾部呢？当我们向欧洲空间局的米歇尔·范佩尔特提及这个主意时，他指出：“这可能得让宇航员花时间来适应。我的意思是你得在五六十年前跟宇航员说：‘实际上，你将坐在一堆火箭燃料上进入轨道，说实话，这会是一次受控的爆炸。’那这听来很可能同样是没什么吸引力的。”

使用这种办法能节省大量的燃料。事实上，有一个研究小组曾提议，可以用一台功率足够大的激光器来让一枚火箭在不使用燃料的情况下升到7英里高的大气中。只通过剧烈地燃烧火箭底部的空气便能获得速度，可一旦达到足够的高度，就得使用燃料了，但因为有额外的激光热量，火箭所需的燃料仍会少得多。

那问题呢？我们谈论的是一台输出功率接近50000兆瓦的激光器，这大概等同于50座核反应堆在同一时间下的总输出功率。注意，这台激光器只需持续发射10分钟左右，即使这并不是一个疯狂的能量值，可我们并不知道如何去制造一台功率如此之大的激光器。具有最大功率并能持续发射的激光器是美国的军事武器，其极限功率为1兆瓦。此外，这种激光器只能持续发射1分钟左右。

尽管如此，可如果我们能制造巨大的超级激光器，火箭技术或许便会因此受益。布朗大学的一个研究小组不久前提出一台大功率的激光器可以被用来减少高达95%的空气阻力。

想象一下，当一枚火箭正被一道激光发射升空时，另一道激光正射向火箭上方的区域，这会让火箭上方的空气密度变小，所以火箭将碰撞的空气也会变少。这时宇航员可能会变得有点坐立不安，因为他们正以远超音速的速度在飞行，前后还伴着两道超大功率的激光束，但只要说他们是胆小鬼便能解决这个问题。

还有一个好处，一小片稀薄的空气被密度更高的空气包围，这还有助于对火箭的操控。就如同你在一间酒吧里奔跑，你会自然而然地从人群密度较低的区域中奔过。

这一切存在一个问题——如果你是一个懦弱的人——一台50000兆瓦的激光器是一种惊人的武器，比方说，在很远的距离上激光器能在一瞬间引燃任何东西，这或许会导致地缘政治上的麻烦事，但如果我们向其他国家来展示我们的双激光火箭有多棒，那他们也许就不会太忧心于这种激光器对他们构成的风险，或者至少不会提出太多的异议了。

方法5：从高海拔出发

好了，正如我们已讨论过的，通往太空的主要敌人并不是海拔，而是速度，然而从高海拔出发意味着是从大气稀薄的地方出发。一旦到达6英里的海拔，空气的密度就会下降90%，这就是为何飞机在爬升时要耗费大量燃料的原因所在。一旦到达38000英尺（约为7英里高）的海拔，空气阻力就会骤然变小。

我们将着重讨论三种从高海拔出发的提议：气球火箭、平流层宇航基地和机载火箭。

气球火箭只是一种在气球的牵引下飘向天空的火箭，它一旦升高，就会启动点火装置。这种方式并不适合发射大型火箭。气球一旦开始上升，就很难被良好地控制了。当你准备引燃一根有摩天大楼般大小的推进剂金属管时，这种办法只会事与愿违。气球火箭早在20世纪50年代便被尝试用于航天发射，但很快便被放弃了，但为了获得精美的照片，科技发烧友们还是偶尔会放飞气球火箭，而且我们推测他们仍然在使用“气球火箭”这种说法。

那么，难道我们不可以拥有一座平流层宇航基地吗？

一架现代的硬式飞艇（想象一艘造型更优美的齐柏林飞艇）[24]能运载10吨左右的货物，而一枚装满燃料的现代火箭的质量大约有500吨。由50架飞艇所组成的庞大飞艇群听起来是令人十分惊叹的，可其造价必定不便宜，而维护也并非易事。

当然，也可以建一个为先前描述过的磁悬浮发射轨道的尾端提供支撑的巨型太空港。通过这种办法，在不必建造一个25英里高的永久性结构的情况下，就能得到一个发射管道的高海拔平台，但要做到这一点，需要一个更大的浮空结构，因为它必须支撑起一条规模巨大的轨道。

长话短说，作为一种选择，大型飞艇可能是一种糟糕的发射方式，大多数人在思考航天发射的替代方案时，大型飞艇是他们想到的第一个主意。尽管我们非常希望这是一个好主意，但它解决的不是主要的问题，因为我们需要的是速度，而不是海拔。

机载火箭则更为有趣一些，而且维珍银河（Virgin Galactic）和其他一些公司已开始利用这种办法来进行航天发射了。大致说来，首先找一架大型飞机（或像一项提议中所说的一架相当于把两架波音747绑在一起那么大的飞机），并把火箭绑在这架飞机的顶部或底部。接下来，把这架飞机升到最高，并加速到最大，然后启动火箭。其想法是以一定的初始速度和海拔出发能节省一些推进剂。此外，因为是从一架飞机上发射火箭的，所以不必对天气状况有太多的担忧。如果天公不作美，那就飞到气流平稳的地方去发射火箭。

问题在于这只能获得极小比例的速度和海拔，因此节省的燃料量可能很少。此外，需要考虑的地方是，从一架超级飞机上发射一枚体积又大、温度又高的火箭，这既会增加这架飞机发射的费用和复杂性，也会限制火箭的体积。太空探索技术公司已展示出了他们对改变航天发射方式的兴趣，也正是基于这些原因对机载发射的办法予以了否定。

方法6：太空电梯和太空缆索

想象一块绕着地球快速旋转的大岩石。一根长约65000英里的缆绳的一头被固定在了这块岩石上，而另一头则径直向下通到了地球上。经过特殊设计的电梯在这根缆绳上上下下，运送货物、旅客和太空船。

这个主意可能显得有些荒诞不经，但确实已被非常深入地研究过了（特别是被美国航空航天局先进概念研究所的前成员布拉德利·爱德华博士），这可能是因为它将是解决太空旅行的终极办法——在无须增加新的或特殊的挑战的情况下，其他办法存在的一切问题一并被一台太空电梯给解决了。

让载具在缆绳上升降意味着你能带着燃料出发，而且你不必加速得非常快。没有废弃的部件，没有危险的爆炸，也没有同“不友好的”大气发生碰撞。你只需乘上电梯来进行相对于地表的加速便能去往你想去的轨道，因为缆索本身已经处于轨道上了。

太空电梯看起来大致是这样的：

其主要部件为一个平衡物（如岩石）、一根缆绳和一座基站。

这个平衡物的用途，是保证整套系统（包括规模巨大的缆绳）的质量中心会处在地球同步轨道上。

如果一样东西是位于地球同步轨道上，这就意味着当你坐在赤道上，并通过一架望远镜向天上看的时候，这样东西会一直处在一个相同的位置上。它围绕地球公转的速度和地球自转的速度是一样的。此外，它会保持在一个特定的速率，以及一个同地球固定的距离上，这意味着它无须一个推动力便能一直自然地围绕地球旋转。

我们将略过轨道力学，但其造成的基本结果是这根缆绳会绷得很紧，但不至于绷断。此外，由于这个平衡物相对于地球来说是静止的，所以它不会把这根缆绳在赤道上缠得像一个巨大的线轴。

如何才能得到一个平衡物则是另一回事了，但有三种常见的建议：捕获一颗近地小行星，或者将我们多年来留在太空中的大量垃圾聚积在一起，抑或只是让这根缆绳非常非常的长，以使它能完全以自身的质量来保持紧绷的状态。发现一座巨大的小行星基地的主意是最富有想象力的，我们选择对此进行讨论。

在小行星基地的下方是一根比强度[25]很高的缆绳，这意味着它足够牢固，不易断裂，但也非常的轻。这一点非常重要，因为如果这根绳索非常结实也非常重，其自身的质量便会将之撕裂。如果这根绳索不牢固却很轻，那它一遇到恶劣的状况——比方说地球上强劲的大气风——便会断裂。

假设这根缆绳能被制造出来，那剩下的便是位于地面上的基站了。绝大多数的提议呼吁建造一座可移动的海上平台，因为一座可移动的海上平台既能避开恶劣的天气，还可以调整缆绳的位置，以规避更高处的太空垃圾。此外，在海上没有法律。

好吧，还是存在法律的。事实上，其被称为海洋法，但海洋法中没有哪一部分是适用于从海上升向太空的缆绳的。

制定出适用于一台太空电梯的法规实际上是非常重要的。我们感觉到大多数从事这项工作的科学家都希望这台太空电梯不会是由单个国家所掌控的。如果单个国家拥有了通往太空的廉价方式，那将是一种非常巨大的权力不对称，所以从和平共处的角度来看，让廉价的发射方式为各国共有或许是一件好事。

研究者预计这套系统一旦投入使用，货物就能以每磅250美元以下的费用又快又安全地进入太空了。

还有一个另外的好处，一旦建造好一台太空电梯，建造另一台的价格便会变得便宜很多。毕竟最初的大量费用都将用于通过传统的方法来发射这根缆绳。

我们很可能还将拥有一座座分布于这根缆绳不同高度上的基站。这些基站既能充当燃料和维修仓库，还可作为人造卫星和太空船的发射点。这种设计的最佳特点之一是你只需在这根缆绳上攀升便能到达不同的海拔。一旦到达300英里的高度，就同绝大多数的人造卫星一样处于近地轨道上了。往更高处去，便到了对通信卫星来说极其重要的地球同步轨道上，但目前要抵达这条轨道得花上一大笔钱。超过这个高度，你就到了地球引力微乎其微的地方，这里你会像是一块系在吊索顶端的小石块。如果你想被发射到宇宙中去，只要从这座基站往外跳就行了。

对经常看《星际迷航》的人来说，最后这一点是令人尤为激动的。如果仅仅通过攀升（而不是装载着燃料）便能到达不同的海拔，那不仅卫星发射会变得廉价，而且超大型太空船的发射也会变得廉价。比起其他任何似乎能在本世纪实现的发射方式，太空电梯更可能为人类探索银河系打开大门。

那为何不付诸行动呢？

好吧，这存在着很多技术上的难题，其中最大的一个是我们究竟该用什么材料来制造这根缆绳。

比强度的单位是尤里（Yuri）[26]，它是以尤里·阿特苏塔诺夫——太空电梯概念的开创者——的名字命名的，可他的姓氏显然太拗口了。虽观点不一，但一种理想的缆绳材料的比强度应介于3000万～8000万尤里。作为参考，钛的比强度大概是30万尤里，而凯夫拉[27]的则为250万尤里，所以常规材料将无法用于制造这根缆绳。

前景最为乐观的候选材料名为碳纳米管。想象一个完全由碳原子构成并形似一根吸管的分子，其大小要比人的一根头发丝还细。

事实证明理论上不存在缺陷[28]的碳纳米管的比强度能达到5000万～6000万尤里的水平，这意味着它们或许可以被用作一根太空缆绳。问题是碳纳米管是一项非常新的发现，所以我们仍然难以制造它们。有史以来最长的纳米管在2013年被制造出来，并成为全球的新闻热点，而它的长度大约是……1.5英尺。

当然，可以把这些纤维编织起来，但编织件越小，你获得的比强度也就越差，而存在着缺陷的可能性也就越高。一根被拉紧的长缆绳会有多结实，这实际上取决于它最薄弱的那一部分。如果缆绳上的任何一处发生了断裂，那在缆车上的人就真要倒霉了。

长期的问题在于是否存在着一个能不断地制造出更好的材料的市场。据美国航空航天局先进概念研究所的罗恩·特纳博士所说：“从理论和材料的发展趋势上来看，碳纳米管能变得非常结实……足以满足一台太空电梯的需求，可实际情况是碳纳米管纤维还未形成市场，所以没有持续发展到太空电梯所需的强度。”

即使我们能让这些纤维变得足够的长，可它们仍会有一个由德莱斯先生所指出的问题：“这种材料对电非常敏感，如果遭受到一次雷击，那这根带状物便会大面积地碎裂……谢天谢地，有一种解决这个问题的办法，可遗憾的是，这种办法在理性上并不尽如人意。太平洋上有一片从未有过雷击记录的区域，因此你可以把太空电梯放在那里，这便是解决方法，但如果有一场风暴来袭的话，你便会变得忧心忡忡。”

除了能让缆绳避开雷击，还得担心太空垃圾。太空中有很多高速运动着的东西，即便能躲开大体积的东西，小东西或许也能对缆绳造成长期的磨损。据特纳博士所说：“必须持续不断地创新这台电梯的想法仍然是太空电梯最大的挑战之一，而且在我的印象里，他们对这个挑战始终没有一种好的解决办法。”

另外，这台太空电梯也许会成为恐怖分子眼中绝佳的袭击目标。菲尔·普莱特博士[天文学家和博客文章《糟糕的天文学》（Bad Astronomy）的作者]指出，有人跑来剪断缆绳的可能性或许不是微乎其微的。“对那些想搞破坏的人来说，它是一个非常合适的袭击目标，而且并非所有人都是友好的，我们有敌人。”

我们猜你们中有很多人都想知道，如果有人剪断了一根通向太空的缆绳会发生什么。在我们采访过的人中，存在着对这件事可能会有多糟糕的分歧。特纳博士和范佩尔特先生认为太空电梯缆绳的断裂或许不会是灾难性的。他们指出，已有不同的研究小组通过模拟缆绳在不同位置上被剪断的后果，为将会发生的事情建立了理论模式。大体来说，后果大概会是如下分析的。

无论从哪里剪，切口以上的东西都会进入一条更高的轨道，而这个切口以下的东西则会坠向地球。那些将进入较高轨道上的东西得被收集起来，否则会产生一些具有严重危害性的太空垃圾。

如果你在高处剪，那这根缆绳的大部分便会落向地球。这一旦发生，重力、大气和地球运动——可能还包括一些来自太阳风中的电荷[29]——之间就会产生一系列复杂的相互作用。

这些相互作用会变得有些复杂，但简而言之，这根缆绳会开始猛烈地来回扭动，并在大气中升温，直至断裂。因为缆绳材料的质量很轻，所以一小块这样的材料很可能不会伤及地球上的任何人。此外，风险可以被降得更低，如果这根缆绳被制成了一种由更细的细缕所构成的网状结构的话。

普莱特博士在一定程度上认同这些情况，但对可能的结果并没有那么乐观。“当然，在几十万千米高度上的东西或许在坠落的过程中便燃烧殆尽了（并不是说让几千或几百万吨的东西在一片区域上空燃毁是好事），但从较低的高度上落下来的东西会怎么样？只会坠落，其次是存在着太空碎片。这个高结构缆绳的绝大部分都低于轨道速度运行，因此这一部分会坠向地球，但这一部分有35000千米的长度，在坠落的过程中会从低轨道地球卫星的轨道空间上穿过。在这一点上，我没有进行过数学或物理计算，但在有人能告诉我这不会摧毁太空中成百上千有用的东西前，我不会倾向于认为一台太空电梯是一个好主意。”

令人担忧之处

拥有通往太空的廉价方式，意味着我们与太空的关系将被永远地改变。建造大型空间站乃至轨道上的定居点都将成为可能。我们把这视为一件好事，但这也可能会落到不怀好意的人手中。有一个源于冷战时期的概念，名为“上帝之杖”（Rods from God）。大致是说，先弄来一块很重的金属，然后从太空中把它扔向一个敌对国家。考虑到这块金属的质量、高度，无论你如何制动它，这个金属“杖”同一颗核弹具有的破坏力是一样大的。现在能去往太空的人都是资质过人的超级极客，也就是那种通过了心理测试，而且愿意用几十年的训练去换取在太空中待上几个月的人。如果居于太空变得更为平常，那我们可能就会把自己置身于一个危险的位置上。

抛开恐怖分子不说，另一种可怕的可能是应对大国的野心。自人类历史上那场最为惨烈的战争在1945年结束后，除了苏联解体，地球上的国家版图一直是相对稳定的。由世界各国所达成的太空法，其本质上宣称的是，没有国家可以对太空中的任何东西宣示主权。我们觉得很难去相信一个拥有了太空电梯的国家会遵守这个协定。事实上，正如我们将在下一章中看到的，美国已做出了一些朝这个方向的举动。

我们倾向于一分为二地来看待宇宙：太空和“这里”，可这有点像一只蚂蚁认为地球是由“太空”和“蚁丘里”所构成的，但这对蚂蚁来说可能有些沙文主义了。我们所说的太空是指在我们这颗行星以外的一切。

如果人类获得了通往太空的廉价方式，那就很难想象不会发生围绕所有权问题的冲突了。此外，如果一个（或少数）国家首先拥有了通往太空的廉价方式，这很可能便会在地球上引起争端。换言之，如果人类获得了进入太空的廉价方式，这就意味着，当单个国家获得了有史以来最为强大的武器系统时，一场政治纷争可能会如疾风骤雨般呼啸而至。

另一个令人担忧之处是生态上的。从短期来看，去往太空很可能会涉及对诸如太空飞机和类似的燃料密集型方法的渐进式改良。在这些燃料中，有一些相对是无害的，而其余的则是极为肮脏的污染物。据范佩尔特先生所说，环境破坏情况“取决于燃料类型，比如说，航天飞机主引擎使用的燃料是液态氧和液态氢，其产生的废气会变成过热蒸汽[30]，所以归根结底只是从引擎中出来的水，但航天飞机（或其他载具）的固体燃料助推剂则是另一回事了，确实不利于环境。此外，像航天飞机那样在非常高的海拔上释放水蒸气也可能是有害的”。但目前这并不是一个很大的问题，因为我们没有发射太多的火箭，但如果可重复使用的火箭让航天发射能变得廉价和常见，那它们可能便有一种严重的环境破坏风险。

需要担忧的还有轨道环境。自斯普特尼克[31]起，我们把越来越多的东西抛入了太空。太空正开始变得拥挤，碰撞率也随之升高。通往太空的廉价方式或许意味着更多的太空碎片。尽管如此，可如果航天发射变得廉价的话，我们或许就能把资金用在某种太空清扫载具上了。

据范佩尔特先生所说：“这真的会成一个经济问题，如果有一颗造价几亿美元的通信卫星被一些碎片给损坏了，这存在着一个真实的价格标签。你去为它买保险，保险费会不断地升高，因为太空碎片越来越多了。”

从更长远来看，通往太空的廉价方式会让太空定居点变得更为可行，这或许会导致地面上的人和太空中的人产生基因差异。德莱斯先生指出：“事实证明遗传特征的数学运算对少数处于隔离状态的人口是不同的。多数人口可能比少数人口具有更多的基因突变体，但一个小群体中的基因突变体可能会传播得更快，所以你可以想象如果我们有一千人生活在火星上，而且这个殖民地是自给自足的话，好吧……要送去更多人是非常昂贵的，对吧？那里或许就不会有太多的新人，尤其是从人口比例上看。此外，这些殖民者将生下孩子——真正的‘火星人’，而这些小淘气鬼将在1/3的地球重力中成长，而且只有很少的大气和更少的行星磁场能保护他们不受辐射的伤害，所以殖民者可能会出现大量的基因变异体，因为变异于潜在的放射线照射和1/3的重力中会发生得更快，尽管他们只是一个小群体……在某个时刻，或许会有‘火星人类’和‘地球人类’，而社会将不得不尽力地去解读，同时存在两种不同的人类意味着什么。”

这将如何改变世界

在阅读由曾经历过振奋人心的阿波罗时代的人所写的书的时候，我们体会到了那种由对太空时代即将来临的期冀迎头撞上火箭发射的经济现实所带来的失落感。如果我们想实现那些对太空时代的梦想——具有高航速和高载员量的巨型太空船、遍布太阳系的定居点和去往遥远恒星的旅行——那我们就得把费用给降下来。

在我们读过的有关非火箭式太空航行的书籍和论文中，绝大多数的作者都会试图计算出他们的系统每次发射所需的费用。我们看到的最低费用为每磅5～10美元，而保守的估计则是每磅250～500美元。即使是这些保守的目标，如果能被实现，人类与宇宙其余部分的互动便会永远地被改写。

就贸易而言，这里有一种思考方式。在一项对太空电梯的典型提议中，攀升器每天能将40000磅的货物运到轨道一次。国际空间站的质量大约有90万磅，这意味着即使电梯操控员周末休息，我们也能每个月发射一座巨大的空间站。此外，其费用大概总共是50亿美元，而不是目前预估的1000亿美元。

廉价的发射也将促使人造卫星系统被极大地改进，这应该意味着更好的通信方法和更精准的全球定位系统。

这还可以改善全球性的气候变化。科学家曾预测或许云量只要多出几个百分点，便能完全抵消掉预计将在下世纪发生的全球变暖。阻止全球变暖的一种人工方式是发射一面巨大的屏障来阻挡部分入射的阳光。有一天，你可能会抬头望向一块飘浮在天空中令人倍感亲切的深色遮板，它保护着你，使你免受灾难。最好是在它朝向地球的一侧写上“看在上帝的份上！人类！你们怎么能让这种事情发生了呢？！”之类的话。

说起人类，我们前往太空或许只是为了消遣，但太空旅游的费用目前非常高昂，其限制性也非常的高，以至于（据我们所知）所有私人航天服务的顾客都是些有点疯狂又极具“技术宅”[32]气质的亿万富翁。我们为他们能做自己喜欢的事情而高兴，但如果一个百万富翁也能加入这场游戏，那就更好了。太空旅行的可能性就相当的大。少数能搭乘火箭的太空旅客为这个特权花费了2000万美元。考虑到绝大多数的人都会在零重力下吐得一塌糊涂，这不算太坏。

是的，呕吐。正如我们先前已讨论过的，宇航员经历着“失重”，因为他们处于自由落体的状态中。也许你经历自由落体是你在一台过山车上极速地下坠的时候。你居住在洞穴中的祖先对人造卫星和过山车没有太多的了解，所以你没有进化到能很好地克服失重。你的胃不习惯食物四处飘浮，而你的平衡感也不习惯每次后倾便开始翻滚的世界，这就是为何国际空间站都准备了呕吐袋的原因，即使是对训练有素的太空专家来说。

在一台太空电梯中，只要你没有上升得太高，你便会承受非常接近于正常值的地球引力。即使你处于一颗卫星或国际空间站的高度上，情况也是一样的。

等一下，我们没有说国际空间站上的人“感觉”不到重力是因为他们处于自由落体的状态中吗？那为何电梯里的人没有相同的感觉呢？

简而言之，这是因为你的电梯比地球的运转速度慢了很多。你知道地球24小时自转一圈，这正是天上那个明晃晃的东西隔多久出现一次的时间。结果就是你的太空缆绳也必须每24小时围着地球转一圈，快一点或慢一点都会使它开始往地球上缠绕，像是一只纺锤上的线。相比之下，国际空间站绕地球运转得非常的快，以至于空间站上每隔90分钟便能看到一轮新的淡红色的日出，那是16倍于每天的浪漫。

在国际空间站上，地面会不断地从你的脚下经过。而太空电梯的速度没那么快，不足以实现这种状态，因此你在电梯缆绳上攀升时，大部分的时间里只是通过不断地远离地球而失去重力感。如果你想去到大气层之上，为了体验一回头顶的星空和脚下的空气给人带来的震撼，那你很可能不使用一只呕吐袋就能达成所愿。

那你何时会开始呕吐呢？这取决于你的胃，但我们能告诉你的是，你何时（以及为何）会经历完全失重。要经历失重，你需要处于自由落体的状态中，同时处在一个能让你不断地“错过”坠向地面的速度上。当你离地球很远时，这更容易被实现，因为你有很多的空间可以去坠落，而且地球不会太过用力地拉拽你。在与地球的任何距离上，你都得达到一个特定的速度，以呈一条环形轨迹来绕地球转动。

相对于赤道，太空电梯的速度是恒定的，它始终会每24小时绕地球一圈，然而当你往那根缆绳上更高的地方去时，最终会到达电梯的旋转速度和它处于自由落体状态所需速度相同的高度上。这组特定的速度和距离指向着我们之前已提到的地球同步轨道，它非常的特别。如果你把一行标语——“地球是笨蛋的”——丢在这条轨道上，那它不仅会永远地绕轨运行，而且对任何观测者来说，它还会保持在天空中相同的位置上。用肉眼很难看到很远处具有常见体积的物体，但在一个凉爽的观星之夜，任何一个把一架望远镜对向正确地方的观测者都能看到这行愚蠢至极的标语。

在所有的可能中，最令人激动的可能是冒险的体验会与廉价的太空航行一同到来。有人疑惑于为何对太空时代的梦想从未交织起一个新的冒险时代。这里的关键问题在于太空航行太过昂贵了，这意味着它在很大程度上已经成了一项公营项目。在现代世界中存在着对风险的很大的反感，正如兰德·辛贝里在他的著作《绝不安全：放下把所有人活着带回来的无谓的执念吧，它正在扼杀我们向太空的扩张[33]》[34]中所主张的。

只要太空旅行的费用是极为昂贵的，那你就没法让人们甘愿冒着巨大的风险去进行匪夷所思的冒险。更重要的是，（我们推测）即使有宇航员愿意接受一场有去无回的火星之旅[35]，可这样的一项计划也永远不会被通过。

这一切也就是说，我们希望不会让你对从根本上改变航天发射方式的可能性，以及由此所决定的我们与宇宙的关系感到悲观。要实现以上任何一项技术都不会是一件易事，但一旦这些技术得以实现，我们就能把天空彻底地交给冒险者了。

话题关注——吉拉德·布尔和巴比伦计划

吉拉德·布尔不曾有过一个无忧无虑的童年。当他还是一个小男孩时，他的母亲便过世了。当大萧条席卷加拿大时，他的父亲再婚了，并把孩子送到了不同的亲戚家生活。布尔很幸运，还算富裕的亲戚在他年纪还不大的时候便资助他上了大学。他学了航空学并很快赢得了名声——一位才华横溢的工程师，以及一个能用小钱办大事的人。

在20世纪50年代，加拿大曾试图开展一项名为天鹅绒手套[36]（Velvet Glove）的国产导弹计划，可这项计划很难吸引到人才，因为加拿大的学生去美国可以获得更高的工资和声望。布尔那时是一位坚定的爱国者，他愿意站在祖国的身后，愿意支持祖国，所以布尔在二十来岁（看起来更年轻）的时候就成了加拿大导弹计划的重要一员。

然而加拿大人对实现他们的导弹雄心提供资金并没有多大的兴趣，所以布尔博士只得以微薄的经费进行研发。他甚至无法取得他曾参与建造的风洞的使用权时，一个朋友建议他跳过风洞测试，直接发射导弹。这位年轻的工程师如愿得到了一门老旧的6英寸[37]野战炮，并通过改装使之能以4500英里的时速发射导弹。

布尔博士就这样在不经意间开始研究起了弹道学，这令他产生了好奇：是否能创造一种体积大到足以把导弹发射到太空中去的大炮？

他是一位聪明绝顶的工程师，但他不愿同比他逊色的人——尤其是官僚——共事，这是出了名的。据戴尔·格兰特所著的《镜之荒原》（Wilderness of Mirrors）所载，在20世纪60年代后期，他曾怒气冲冲地从一场同加拿大国防部长[38]对话的会议中冲了出去，大喊着那名部长有着“一只狒狒的技术能力”。

布尔博士将他的超级大炮发展成了一种替代火箭的方法，但由于他在加拿大不断地树敌，他越来越难以获得经费，然而他在美国军方逐渐获得了少数的铁杆支持者，因此能利用这些关系来获得美国大量的东西——资金和多余的巨型大炮。在美国国防部和加拿大国防部（不太情愿）的帮助下，布尔开始着手于最终被称为HARP[39]的计划，即高海拔研究计划。

布尔博士以他众所周知的高效让大炮的体积变得越来越大，也让导弹设计变得越来越完善。1962年，布尔的研究团队用一门被部署在巴巴多斯上的巨型大炮进行了常规发射，其发射高度足以对上层大气进行探测。对这项计划来说，大气数据和对高速导弹的研究成了一个很好的资金来源，但布尔博士有着更宏大的目标。他相信在正确的改造下，一门更大的大炮可以把卫星直接发射到轨道上去。

到1965年时，他们已经能把相当重的发射物以7000英里的时速给发射出去了，这是一个伟大的开端，但想有一丝接近轨道的机会的话，就得从炮管中给出25000英里的时速。布尔博士的主意是让发射物搭配一枚火箭，如此一来，大炮便能为发射物提供绝大多数的速度，而火箭最后的助推会令发射物进入正确的轨道之中。

在事情正顺顺利利地发展着的时候，资金被撤离了。高海拔研究计划失去了由美国所提供的资金，因为美国国家航空航天局把美国陆军从太空行动中给挤了出去[40]。随后高海拔研究计划又失去了由加拿大所提供的资金，因为蓬勃发展的和平运动没有把一门巨大的超级大炮往好处想。

布尔博士以成立一家私人太空研究公司的方式做了回应。这家公司没有建造超级太空大炮，而是通过各种各样的政府合同来赚钱，但另一方面，布尔博士开始琢磨起了用一门加农炮来使他之前的设计相形见绌的主意——一门有摩天大楼般大小的大炮，它将有一根800英尺长的64英寸（口径）炮管，能把6吨重的导弹发射到宇宙中去。

随着20世纪70年代的发展，航空航天的开销开始吃紧了。布尔博士——可能在经营管理上远没有在工程学上那么出色——当时在不断地扩大公司规模，而这需要越来越多的银行贷款。为了避免在债台高筑中苦苦挣扎，他开始从事起了国际军火贸易。

然而事情很快便被揭露了。布尔博士被卷入了一个错综复杂的局面当中，这其中牵扯到了美国中情局、加拿大政府，以及一批非法运往实行种族隔离政策的南非的武器零件和技术。在一次途经安提瓜岛的运输中，航运商向当地人（大部分是非洲后裔）通报了货物的去向。某通讯社得到了消息，而这旋即成了一件国际性事件。

一轮为了掩盖政治丑闻的间谍游戏开始了，而布尔博士显然无法也不愿弄清事态。他因被控非法转让军火而受到了传讯。在一份认罪协议中，布尔博士的公司被处以罚款，而他则被处以一年监禁，但由于表现良好只服刑了四个月。他陷入了愤怒和绝望当中，沦为了一个酒鬼，他感觉到自己被背叛了，成了别人的替罪羊。所有的股份和由他所研发的技术都被贱卖了出去。这样说来，如果你试图塑造一个大反派，这便是一种相当好的办法。

布尔博士——曾把自己视为一位爱国者——决定去找任何愿意重启高海拔研究计划的人进行合作。

由于很多涉事人的秘而不宣以及虚假搪塞，事情从这时起开始变得有点扑朔迷离了，但在80年代末，布尔博士现身在了萨达姆·侯赛因统治下的伊拉克，从事于一种名为巴比伦计划的超级加农炮的研发。

让我们再说一遍：布尔博士现身在了萨达姆·侯赛因统治下的伊拉克，从事于一种名为巴比伦计划的超级加农炮的研发。

这发生了，在真实的生活中发生了。

一件非常古怪的事情是巴比伦计划的构想似乎并没有军事用途。这门加农炮按计划会被安放在一座山的山坡上，这意味着它只能朝一个方向发射[41]。实际上，在这个方向上并没有重要的敌国目标，而且这门加农炮的朝向完全是对着向轨道发射的正确方向（随着地球的自转）的[42]。

詹姆斯·亚当斯在他所著的《靶心：超级大炮发明者吉拉德·布尔的生活和时代》[43]中声称有明显的证据表明，除了超级大炮外，布尔当时还在为伊拉克设计军事武器。考虑到布尔需要钱，以及他众所周知的以低成本改进武器系统的能力，这种说法勉强说得过去，而为何侯赛因愿意为超级大炮提供资金，则更难以确定了。据说萨达姆·侯赛因对自己在阿拉伯世界的地位有一种救世主的观念，因此研发超级大炮可能有双重用意：让伊拉克一台廉价卫星发射装置附带上军事效用；具备成为地区在严格意义上唯一拥有太空计划的国家的政治资本。

原文space gun（太空大炮）和spice gun（调料枪）的发音非常相似，因此很容易被听错。——译者注

西方国家（和伊拉克邻国）的担忧愈发加剧。一个有些疯狂并能接触到神秘莫测的军火网络的弹道学天才，在把金属零件和液体推进剂成吨成吨地运往一个好战的独裁国家[44]，这会出什么乱子呢？

显然有人不想弄清答案。

1990年3月，吉拉德·布尔被发现死在了一家布鲁塞尔的酒店里，身上装着20000美元的现金。考虑到可能会从布尔博士的死中获益的人的名单数量，他潜在的仇敌名单也会是很长的。他的儿子怀疑是美国中情局或摩萨德[45]，而据威廉·劳瑟所著的《武器和那个男人：吉拉德·布尔博士、伊拉克和超级大炮》[46]所载：“一位中情局的官员在确保自己会被匿名的情况下，道出了西方情报机构认为是摩萨德下令杀了布尔。”

自20世纪90年代初起，很少有人写过布尔博士。我们可能永远都无法真正地知道到底是谁结束了他离奇而悲剧的一生。

第2章　小行星开采

在银河系的垃圾场中东翻西找

地球的温度曾相当的高，这就是为何你无法拥有一栋黄金屋的原因所在。

想象一下太空中有一个又大又热并处于融化态的球状物（例如原始地球），重力会趋向于将较重的元素（例如金和铂）移往核心，而较轻的元素（例如碳、硅和各种各样的气体）移向表层，可这个过程并不是完美的，这在一定程度上解释了为何你能在这个球状物的表层附近找到重金属层和金属矿层，但一般来说，非常奇异的物质是难以获取的。此外，我们挖出来的金属越多，要发现更多的金属就会变得越难。

这是小行星开采开始显得有趣的地方。小行星本质上是构成一颗行星的碎片，但它们并非一定会合并为庞大的太空球体，这意味着它们要么从未经历过所有奇异的金属沉向核心的加热过程，要么确实经历了这个过程，不过之后被炸得四分五裂了。在距离火星的不远处，有一大堆这样的小行星碎块，它们含有极为丰富的金属资源，以及我们可能想带回地球，或者也许可用于建造太空定居点的其他资源。

小行星开采需要找到一些有点疯狂的人，而且具有工程师的头脑和先驱者的胸怀。

丹尼尔·法伯尔经营着一家名为深空实业（Deep Space Industries）的公司。他曾是加拿大太空协会的太空船工程师、主管和会长，还曾在南极洲搭建过宽带。

据法伯尔先生所说，小行星中有大量待被开采的资源。“有些小行星完全是由金属所构成的，例如天然的不锈钢、镍和铁……我们所知最小的一颗近地小行星有2千米的直径，也就是小行星3554[47]。它含有的金属量是人类曾在地球上开采过的金属总量的40倍。这样的小行星有几千颗之多。”

只有很少的太空任务是去往小行星的，因此我们绝大多数有关它们的数据都来源于望远镜和对流星的调查。基于这些观测，科学家把小行星分成了三类：C型（碳质的）、S型（石质的）和M型（金属的）。

碳质小行星含有很多有益于人类健康的物质，例如碳和水。某些C型小行星含有的某种形态的水可能多达20%。在赶时髦的人希望得到小行星鸡尾酒之前，这些水不会在地球上成为热销品，但如果你打算在太空中建立一个船员定居点，这些水便会派上用场。

顾名思义，石质小行星含有石头。具体来说，它们充满了硅酸盐矿物。这些硅同样不会让你在地球上大赚一笔（地壳中大约有28%的硅），但这些硅对你在太空中的开采定居点来说是很有用的。硅酸盐矿物有各种各样的用途，从制造玻璃到生产太阳能板，再到制作一种有时被称为“泥土”（dirt）的植物培养基。这种植物培养基还被称为“土壤”（earth），但一旦我们居住在小行星上，这便会被视为是沙文主义的[48]。

金属小行星通常是由铁和镍所构成的。这样的金属很适合用在太空中建造建筑，因为金属不同于岩石物质，它们可以在不断裂的情况下弯曲和拉伸。在你宣告从母行星上的暴君统治下独立之后，金属还适合制造装甲部队，以及打造印有你头像的货币。

开采它们得拥有一个成功的定居点，所需的东西包括用于呼吸的氧气、用于栽培植物的泥土、用于制造的金属和用于灌满水气球的水。让我们来谈谈费用吧。

正如上一章已讨论过的，目前把1磅重的东西送入太空大概得花费10000美元。你若打算带着的那杯“自由斟”（Big Gulp）[49]，大概会花掉你20000美元，而阿波罗11号太空船——最远只到过月球——有超过10万磅的质量，所以在不计入所有的工程人员、许可人员，以及其他所需人员的情况下，你将以10亿美元的投入来开启这场冒险，这不算太多，买一架空中客车A380的价格大概为4亿美元，所以我们并非没有可能。

一种使小行星开采成为现实的途径是把利润带回家，比方说，如果你现在能在太空中开采铂，你便能以每磅18000美元的价格在地球把这些铂卖出去。此外，飞向太空是非常昂贵的，但返回地球是相对容易的。

空旷的太空具有的（少数）便利处之一是你一旦离开行星和恒星这样的天体，就能以低廉的费用去往几乎任何地方了。想一想，从洛杉矶飞到日本很贵的主要原因有两个：其一，飞机必须得在与重力的抗衡下攀升30000英尺，然后全程同重力进行抗衡。其二，途中有大量的空气会减慢你的速度。一旦你到达太空，这两个问题就消失了。

因此，如果你打算把东西运回地球，那建造一座太空基地的理想地点便是某个存在着大量能源和微弱引力的地方，比方说，作为火卫之一的福波斯。福波斯非常的小，它的逃逸速度[50]仅为每小时25英里，这意味着你可以在福波斯上搭建一条坡道，而你骑着摩托车便能从这条坡道上飞向太空。

月球的逃逸速度大概比福波斯的要大上200倍，因此把一个包裹从福波斯送到地球将耗费的能量要比从月球送到地球少得多。

选择小行星则更好。一颗大型小行星具有的逃逸速度大约为每小时0.5英里，这意味着如果你成功地建立了一座小行星开采基地，你便能以很低的成本把精炼过的小行星矿物带回地球。

尽管如此——根据我们的研究和采访——可从长远来看，实现盈利性的太空开采似乎是不大可能的。就价值而言，小行星中绝大多数的物质并不值得带回地球。尽管小行星上有很多金属，但开采小行星是否会比在地球上便宜是完全不清楚的。此外，在地球上开采，你仍然可以每天去吃汉堡王。

我们有可能可以只开采昂贵的稀有金属，但这同样是很困难的。为获得小行星中昂贵的稀有金属，你很可能会想在太空中对它们进行提炼，以避免运输一大堆的矿石，再把它们卸载在地球上，但在太空中进行提炼是很困难的，因为你得在太空中建造一座精炼厂，但目前绝大多数的提炼技术都需要重力。你可以通过极快的速度旋转来模拟重力，但那将需要很多的启动能量，而且你会需要一套规模巨大的系统，以免像在乘坐嘉年华的游乐设施[51]。

而且即使你找到了一颗由黄金、钻石和米奇曼·曼托的新秀卡[52]所构成的巨大小行星，当你把它带回地球时会发生什么是完全不清楚的（在物理上，而不是经济上）。而乔治梅森大学的经济学博士布莱恩·卡普兰说：“竞争是关键。如果一家公司到达了铂的主矿脉，那这家公司就能积压绝大多数的储备来避免打价格战。如果是很多家公司共有这条矿脉，那情况便反过来了，每家公司都可能会赶在对手之前对铂进行抛售。考虑到太空旅行高昂的固定成本，小行星开采可能会从少数公司开始，这将给先行者一个获利的绝佳机会，然而随着时间推移会被模仿，因此后世的小行星开采者应当谨慎起来。”

既然有这么多的困难，为何我们还在谈论小行星开采呢？好吧，这还存在着得失更为难料的事情。仅仅为了生产用于你卫生间的新管道而把一大批铁运送2.6亿英里，这或许是不值当的，但如果想在太空中建造一个定居点——不仅仅是一个勉强能够居住的小型泡状结构——那你便会需要资源。在太空中，废品的价值可能比钻石和铂的都高得多，而且用索套捕获一些太空岩石比从地球发射升空要便宜得多。

正如很多科学家和工程师所相信的，让人类去往地球以外具有固有价值。宇宙里存在着奥秘和奇迹，存在着我们从未曾想到过的问题和答案，也许还存在着同我们相似或不相似的生命，而且很难说这些之中有哪些会让我们更为震惊。

开拓星空是一个伟大的梦想，但最成功的开拓者都是务实的人。如果你想抵达我们这颗行星以外的地方，那使用处于地球引力范围外的材料就将是更廉价、更容易、更快速的。离开太阳系的去路也许就贯穿于它们的“垃圾场”中。

我们的现状如何？

想成为小行星开采者必须面对很多问题，那我们就来简要地谈一谈几个主要的问题吧。

去往小行星和为定居点提供电力都需要能量，而最大的限制在于——从短期来看——你不能靠在五金店买点东西就行了，你需要一些耐用性相当高的东西。选择是多样的，但在当前的技术中，你最好的选择很可能是太阳能板或一座核反应堆。

太阳能板之所以合适，是因为它们能持续地工作二十多年，但它们最大的缺点在于规模和生产的能量是不成正比的。假设你能把它们带到小行星上去，那它们便会体现出可靠性、耐用性和简单性。甚至可以想象你能在小行星的定居点上对它们进行修理和更换，因为小行星上存在着相对丰富的硅。来自小行星上的材料同样可以被用来制作镜子，而镜子可以把光集中在太阳能板上，以增加它们的能量输出。

核反应堆之所以合适，是因为就规模而言，它们能生产大量的能量，而且它们的使用寿命长达百年，如果不出现可怕的故障。小行星上完全没有足以制造出一座新反应堆所需的铀或钚，但在一开始的时候，你无需太多的核燃料。

很多研究都已迈入了紧凑型核反应堆的研发阶段，这一定程度上是因为紧凑型核反应堆曾一度被用在了苏联的卫星上，但是——好吧——先说这样一个事情：假设你往太空中发射一艘核动力飞船，但事情不太顺利，比如说，这艘飞船突然失控了，然后在大气层中发生了解体，而核反应堆的残骸随后散落在了加拿大境内一条400英里长的条形地带上。

是的，这真的发生过——1977年的宇宙954号[53]。所以说，你的核反应堆计划的确很棒，但最终你很可能会出于政治原因而坚持使用太阳能。

说到辐射，太阳每时每刻都在射出高速粒子。当你在地球上时，你受到了一层厚厚的空气以及地球磁气圈的保护，后者会以反射或向两极转移的方式来把大量从太阳飞来的危险粒子从地球带离，所以这些粒子能为我们上演少量的“灯光秀”[54]。

从你离开地球的那一刻起，你便会身陷辐射之中。

曾经的月球载人任务还算安全[55]，因为旅程很短，而辐射的危险性和辐射量是成正比的，但小行星任务会花费更长的时间。阿波罗11号用了三天多一点的时间抵达了月球。谷神星——小行星带上最大的天体——差不多比月球远了1100倍。假设阿波罗11号（作为月球任务，已经相当快了）以相同的速度向谷神星航行，那我们得花10年左右的时间才能抵达。尽管如此，就更远距离的任务而言，你可以用一个更高的速度。比如说，美国国家航空航天局名为“黎明”的无人任务用了4年的时间抵达了小行星带。即使是以一个相当高的速度飞行，飞到谷神星也绝不是一次短途旅行。

此外，太空旅行一个很迷人的特点是太阳会不时地射出名为太阳耀斑的高辐射。为此，需要拟订一项应对计划。

这有一些选择。比如可以给整艘飞船装上护甲，使用厚度为2英寸、面积为10平方英尺而质量约为1000磅的铅护甲。但把一艘飞船从地球上发射出去的话，为整艘飞船装上护甲便会让本就高昂的成本翻倍。另一个选择是把水作为一层护盾。水其实是一种极佳的辐射阻隔剂，而且你可以将水作双重效用——既充当一层护盾，又作为饮用水储备。当然，这会有一种不祥的可能——某人吃了太多的椒盐卷饼，然后喝了作为辐射护盾的水。

有一些科学家曾建议使用一种“安全屋”。其基本想法是，宇航员接受一些辐射，但必须防护那些大耀斑，因此宇航员在大部分时间里都会待在飞船上配备着轻型护甲的船体区域，但一旦出现高速辐射流，所有人就都进到一间配备着重型护甲的船舱中。一方面，这很可能是可行的，而且花费也远比给整艘飞船安装护甲少。另一方面，所有人都要一同待在一间1立方米的船舱中，在空空如也的宇宙中，而每个人都在严肃地重新审视他们的人生抉择。此外，如果有人要小便了，记着，那里没有重力。

你或许会说：“宇航员可以带上一些碘化钾药片来保护自己不受辐射啊。”这是愚蠢的，碘化钾药片只能保护甲状腺。当宇航员抵达了目的地时，他们会患上14种癌症，而且每个人的脸上还会长出一只胳膊来，但毫无疑问，他们的甲状腺会处于最健康的状态。

假设有一种解决辐射的办法，那下一个问题就是如何在一颗小行星上降落，这说起来比做起来容易，因为小行星有很大的概率是处在旋转状态中的。如果小行星的体积足够的大，那就能试着去找到它的轴心，并在那里降落，但这是一套得小心翼翼地来处理的机动动作。另一个选择是在降落前让小行星停止旋转[56]，但是有两个客观因素决定了这是非常困难的。

第一，让一个旋转中的物体降低速度得耗费能量。它的体积越大，旋转得越快，你所需的能量也就越多。这个问题是无法解决的，因为这是基本物理规则。你要么改变旋转，要么找到一种办法来应对它。

第二，事先可能会有有关小行星内部结构的大致信息。很多小行星都是“碎石堆”，这意味着它们本质上是一大堆由微小的重力和分子间的作用力所汇聚起来的岩石和尘土，这令它们难以停止旋转。如果要试着停止这种旋转，充其量只会从小行星上炸裂掉一大块下来。考虑到碎石堆（小行星）的不稳定性，这可能会导致尴尬的结果，例如宇航员会在一片寒冷的无声虚空中惊恐地死去。

这把我们带到了下一个问题上——如何安全地降落？记着，小行星上几乎没有重力。如果宇航员试图着陆的话，或许只会被反弹回来。科学家想出了一些解决这个问题的办法，诸如钻孔、发射一把鱼叉、用胶水粘、用挂钩、使用壁虎式的粘性“脚”，等等。最困难的地方在于没有一种解决办法是在一切状况下都是行之有效的。如果小行星表面有一层很深的尘土，那不仅钻洞不会提供很好的抓地力，而且“壁虎脚”也帮不上什么忙。如果其表面是坚硬的金属，那鱼叉便会被反弹回来，这很可能会把宇航员弹向太空。如果其表面是平坦的岩石，那钩子只会从岩石的表面划过。最理想的做法是提前知道要应对什么情况，但这需要进行大量的侦测，这就是为何目前越来越多去往小行星的任务都会携带多种降落技术的原因所在。

在我们最喜欢的对一架着陆器的设想中，有一个是由北卡罗莱纳州立大学的凯伦·丹尼尔斯博士提出的。她认为一架着陆器可以像一株植物的根茎那样来工作。“任何给花园除过杂草的人都知道，要把一株植物直接从地上完整地连根拔起有多么困难。”

其基本想法是，用一些小型挖掘机在碎石块间往里挖。当它们成功地挖进了表层后，它们还可以连接起来，以提供额外的支撑。对我们来说，这套系统听起来是完全可行的，但相比于方法更为明确的挂扣和钻孔，这个主意是令人失望的，因为它是无法深入地开展的。

一项应对着陆问题的提议是直接网住整颗小行星，就像把小行星装进一张网里，一张超级巨大的太空网，这并没有听上去那么疯狂——记着，在微重力之中移动物体不需要很大的力。如果使用的是一种非常强韧的材料，那这张网可能就可以被折叠进一个非常小的空间中，在抵达了小行星之后，再把它展开。一旦网住小行星，就可以把这张网作为定居点的着陆面，或将小行星拖到其他的目的地了。有一项计划证实了我们的一个猜测——跟太空打交道的人把90%的时间都用在了创造缩略词上了：这项计划名为限制过度旋转的失重会合点及网钩（WRANGLER[57]）系统[缆索无限公司（Tethers Unlimited）的罗伯特·霍伊特博士是这项计划的提出者]。

另一项提议是由Trans Astra[58]公司提出的APIS[59]（为小行星就地提供补给品）。APIS会将一颗小行星捕进一个袋子中，然后集中太阳光对其加热，最后对这颗小行星进行切割。他们把这个过程称为“光学开采”。这种方法会释放出小行星内部的水，当宇航员意外地喝掉了作为太空基地护盾的水时，他们或许会需要这些水。

好吧，权当所有的技术性问题都被解决了，可还是有一个主要问题：谁拥有那些太空岩石的开采权是不清楚的。当然，有1967年的《外层空间条约》，但这项条约未论及私人所有权，尽管确实规定了主权国家不能对外太空中的任何东西宣示主权。是否会出现任何适用于太空定居点的法律是不清楚的，只要人人都经得起诱惑，不宣布脱离“那些可恶的地球人”。

2015年11月，美国国会通过了众议院2262号法案，即《美国商业太空发射竞争法案》。这项法案规定：“一位从事于一颗小行星资源或一种太空资源商业回收的美国公民，将享有已获得的任何小行星资源或太空资源，这其中包括适用法律以及美国国际义务下的持有权、所有权、运输权、使用权和售卖权。”换言之：“美国不能对太空宣示主权，但美国人能。”国会确实在这项法案中谨慎地提及了美国不会宣称对任何天体有所有权。如果美国人开始开采太空岩石，那就让我们看看其他国家的态度吧。

所以你看，存在很多的困难。从好的方面来说，所有这些困难都是令人无比惊叹的。

就一项实际任务而言，美国国家航空航天局、欧洲空间局、中国国家航天局和日本宇宙航空研究开发机构都已经开展了探访小行星的无人任务。一架名为隼鸟号的日本航天器在2015年成功地采集到了微量的小行星尘土并带回了地球。下一代的隼鸟2号应该会在2020年左右带回更多的小行星尘土。美国国家航空航天局也有一项名为OSIRIS-Rex[60]的类似任务，其探测器应该会在2023年左右返回地球。

还有一些就小行星任务的提议，比如说，美国国家航空航天局曾提出过捕获一颗完整的小行星，或者把人送上一颗近地小行星，但到目前为止，这些不切实际的计划都未获得开展所需的经费。

令人担忧之处

目前，一个主要的令人担忧之处是制定太空法律和秩序的细节。在某一时刻，这些小行星得被守卫。它们实质上会成为太空中四处飘浮的资源库，因此一旦出现能使小行星捕获和开采变得更为容易的技术，那就会出现太空犯罪分子，这听起来很酷，但如果你遇到一个在太空背包里放了一把太空刀的人，你对此的感觉或许就不太好了。

哈佛—史密松森天体物理中心的埃尔维斯博士（他有一个令人惊讶的名字，但是……算了吧[61]）说：“最终，我们将需要一支技术小队去修理太空中价值数十亿美元的开采设备。”我认为我们还会需要太空治安官和太空法医，因为昂贵的稀有资源将不断地导致“法外”活动。

埃尔维斯博士还指出我们会毁坏太阳系自诞生以来从未被破坏过的环境，但这是所有的太空探索都存在的一个问题。

埃尔维斯博士认为，我们在未来可能会想出一套小行星保护系统，这至少可以保护这些环境中的一小部分，但这个问题还得以法律途径来解决。有些我们星球上没有的东西只会在太空中形成，我们得承担的风险是不仅会破坏我们所需的东西，还有可能会破坏我们从未曾见过的东西。

另一个令人担忧之处是安全。即便人类同意私人太空开采，可怎么来规定如何迁移小行星呢？

如果小行星迁移技术得到了普及，这可能就会把一件危险的武器交到不良分子的手上，但考虑到历史上最为疯狂的暴君似乎也在乎自己的性命，我们推测这种风险相对较低。即使一颗小行星可以被精准地扔到华盛顿特区，可这颗小行星会造成什么样的后果是难以预料的，可能会是一场规模巨大的撞击吧，其扬起的尘埃足以遮天蔽日，使地球的气温骤降，并摧毁一年的农作物。

在有记载的历史中，地球同一个地外物体最大规模的“遭遇”是1908年的通古斯卡事件，当时一个巨大的物体（我们不知道它是一颗主要是由冰所构成的彗星，还是一颗主要是由岩石所构成的小行星）在俄罗斯农村地区的上空发生了爆炸。这个物体的直径很可能有120英尺，而且它的爆炸当量比那枚投在广岛的原子弹还大上了185倍。

相比于一些我们将能带回地球的小行星，通古斯卡算小的了。

这将如何改变世界

我相信大规模探索太阳系的唯一方式是让一项太空计划不受限制地发展。经济体制的发展正是如此。让我们利用资本主义，让它带我们去遇见我们周围的星球。

——马丁·埃尔维斯博士

如果事实证明真能从太空开采并将产品运回地球中盈利，这就将把深空旅行从只有政府能负担得起的事情变成类似于货车运输业的事情。廉价材料的经济效益将是难以置信的，而且廉价的太空旅行将得到更好的发展。

尽管如此，可基于我们的研究，我们认为这是不大可能的。一个对改变全人类生活更可能的推测是这样的——通过使用在小行星上发现的资源，人类可以开始在太空定居，而且可以显著地加快我们探索太阳系的步伐。

法伯尔先生指出太空中的资源比我们在地球上发现的要多得多。“我们在地球上获得材料的最深矿井有3～4千米深，而我们能取得的最深处的原油大概在地表下的六七千米处，但如果我们把七大洲所能触及的原料聚集成一个球体，它的直径将会有200千米，那是我们将不得不一直在地表上开采的材料。在太空中，有成百上千倍的材料，所以我们不单可以为成百上千倍的人提供这些材料，而且我们还可以轻易地获得这些材料。它们飘浮在自由空间里。我们不必为了获取材料而在危险的地方向地底深处挖掘，我们只要出发，并有效地拆解小行星，然后把它们送往各种各样我们想居住的地方。”

如果我们可以从太空中获得这些材料，并解决如何在太空中进行大规模生产的问题，那太空旅行的费用便会剧降，而规模巨大的太空殖民地也将成为一个可行的选择。此外，一旦我们到达太空，小行星开采就可以帮助我们去往其他地方了。从小行星中采集的水和碳可以被转化为火箭燃料，这意味着我们可以使用从太空中采集到的资源来把这些资源运回地球，或者在殖民地间迁移，抑或去探索宇宙的更深处。

这正是令法伯尔先生感到激动的地方。“我已彻底厌倦了太阳能汽车赛、悬挂式滑翔机、帆板冲浪等，想到我能为人类创造的最大的贡献，或者说一件将在我人生中发生的最重要的事情——就是把人类带离地球，并让人类成为一个多行星种族，或者说一个行星际种族。”

我们，嗯……我们也完全厌倦了赛车和帆板冲浪，这正是我们现在坐在办公室里编辑文档的原因……为了人类。

第二部分
东西，在咫尺之遥的未来

第3章　核聚变能

它驱动着太阳，这真不错，但它能让我的烤面包机运转吗？

核聚变能是解决人类能量需求的终极方法。它是一种清洁能源，能使用常见的元素作为燃料，而且没有灾难性的堆芯熔毁的风险。可直到今天，你的烤面包机之所以能成功地制作出烤油酥糕点，是因为有人在燃烧煤炭或天然气来发电。

在我们开始讨论如何在做烤油酥糕点的过程中摧毁世界之前，让我们花一分钟的时间来谈谈核聚变的物理特性。核聚变发生在两个原子融合之时。在核聚变能的反应中，人们通常会谈及两个氢原子的融合。

氢是元素周期表上最轻的元素，而且它的原子核只是一个名为质子的带电粒子，但同所有的元素一样，氢的形式有很多种，这些不同的形式名为同位素，那不同的同位素之间又有什么区别呢？区别在于它们原子核中不带电粒子的数量，这些不带电粒子名为中子。

大约有99.98%的氢都是一种没有中子的形式。严格说来，其被称为[62]H，或者你可以在爱异想天开的孩子们面前将之称为氕（protium）。大约有0.02%的氢除了本身的质子外，还有一个额外的中子，这种物质通常被称为氘（deuterium），因为对应着“第二件东西”的希腊语单词是deuteros 1。如果你在此基础上再加上一个中子，就得到了氚（tritium），它几乎在任何地方都是不存在的，因为额外的中子会使之非常的不稳定。氚有12.32年的半衰期，这意味着如果你有一瓶氚，当你在12.32年之后回来查验时，你会发现一半的氚都消失了。

你可以再往上加，加到4H、5H……但这些物质是极不稳定的，它们罕见的出现只会持续几分之一秒的时间。

那为何我们要在乎这些同位素呢？因为较大的氢同位素更易于融合。要弄清原因，那就想象一下，让两辆车猛烈地相撞，每辆车前面都有一块巨大的磁铁，这两块磁铁的磁极都是相同的，那么它们在靠近的时候会十分强烈地相互排斥。

然而，如果你让它们极为接近的话，每辆车上都有的一把小碰锁便会强有力地把它们连在一起，而磁铁间的排斥力将无法把它们分开。现在问问你自己：如果你想在第一次尝试的时候便取得成功，你更愿意选的车是Mini Cooper，还是SUV？

在直觉上，你想选更重的车，对吧？你的经验告诉你，给一辆质量较大的车减速比给一辆质量较轻的车减速要困难。假设磁铁的磁力相同。如果你的目标是成功把两辆车锁在一起，你便会希望车的质量尽量的大，如此一来，磁铁要阻止它们相连的难度也就越大。

当你试图融合氢原子时，它们在一瞬间便会遇到类似的情况。简而言之，它们在靠近前会非常强烈地相互排斥，而通过增加更多的中子，这会让氢变得更像是SUV，而不是Mini Cooper。

当氢同位素融合时，它们会变成一种不同的元素——氦，这或许显得很古怪，但不比把两片面包放一块就叫三明治更古怪。氢是带有一个质子的元素，而氦是带有两个质子的元素。

就我们的目的而言，有趣的地方在于当这些同位素从氢向氦嬗变时，它们会释放出大量的能量。

原因在于维持作为氦的原子组态比氢的原子组态所需的能量要少。当核聚变发生时，这股能量必须流向某处，而当这股能量流向某处时，我们便能对其进行采集。

能量“必须流向某处”的概念乍看之下似乎显得有些奇怪，但真没有什么好奇怪的。要明白原因，那就让我们来谈一谈弩。本质上，一把弩弦松弛的弩和一把弩弦紧绷的弩是一样的，但由于它们的物理布局是不同的，松弛的弩弦几乎是没有用处的，而紧绷的弩弦——当你在文艺复兴节[63]上喝得酩酊大醉时——可以杀死一个你认为是黑骑士的人。

要让弩弦紧绷，必须使用能量。相反，为了让弩弦松弛，必须释放能量。

紧绷的弩上真有更多的能量吗？是的，真有。事实上，假设你把一把松弛的弩和一把紧绷的弩分别放入了两只大小相同且装着酸液的大桶中，当两把弩完成溶解后，那只溶解了紧绷的弩的大桶比另一只要稍微热一点。

还记得你是从何时起厌倦物理课的吗？那是因为你的老师没有溶解弩。

因此当你想到这点时，通过改变某物的结构来获取能量也就没那么古怪了。你在日常生活中始终都在遇到这样的情况。一块被高高举起的岩石能砸碎一个人的脚，可地上的一块岩石不能。一只被拉长的弹簧在你松手的时候会自然地改变形状，可一只松着的弹簧不会。两块北极被强制触碰在一起的磁铁在被松开的时候会弹开，可两块以相反磁极相触碰的磁铁只会一动不动。

换言之，参照日常经验来说，通过合并两个原子来取得能量不是全然陌生的。事实上，配置一套系统所有部件的方式决定了这套系统的未来。此外，这套系统还可以根据人们的需求进行配置。

当核聚变发生时，从两个小原子（氢）到一个更大的原子（氦），其在结构上的改变会进行一次能量释放。对绝大多的核聚变反应来说，至少需要一个带有额外中子的氢同位素。一般来说，同位素合并后释放出的能量来自于那些额外中子中被高速“踢出”的一个。一旦得到处于高速移动中的中子，就能以一台普通的老式汽轮机的工作原理来捕获这股能量了：将中子猛烈地撞击水，直到产生蒸汽，然后驱动涡轮机。

等一下，为何我们需要核聚变能来驱动一台涡轮机呢？我们不是可以用煤炭、柴油、汽油或风能来驱动它吗？没错，但核聚变能很特别，它只需要极少量的燃料，而且这种燃料在地球上是相当充裕的。

据加里·麦克拉肯所著的《核聚变能：宇宙的能量》[64]所载，一块笔记本电池中的锂[65]和“半次水浴”中的氘可以产生20万千瓦·时的核聚变能，这相当于40吨煤炭能产生的能量。

那为何我们尚未拥有核聚变能呢？尽管使大的同位素融合比使较小的非同位素融合要容易一些，但融合同位素仍然是非常困难的，这是因为存在着库仑势垒（Coulomb barrier），库仑势垒指的是让两个质子极为接近（想一想先前汽车类比中的磁铁）所需的大量能量（至少在原子层面上），因为质子是相斥的。事实上，质子靠得越近，它们之间的排斥力也就越大，这有点像让两个不善社交的技术宅在一次聚会上攀谈。

然而当质子靠得非常非常的近时，强核力（strong nuclear force）的力便会起作用。这种力在短距离下非常的强，它会克服排斥力，像汽车类比例子中的碰锁一样把质子“锁”在一起。

换言之，让质子融合好比是让两个不善社交的技术宅待在一起。如果能让他们坐到一块，那他们可能就会分享他们的观点——第二版《专家级龙与地下城》（Advanced Dungeons&Dragons）是最好的版本[66]。他们会成为知己，无话不谈，但在他们坐到一起前，他们甚至连一个眼神接触都不会进行。

太阳是由核聚变能所驱动的，那为何我们不能在地球上的一间实验室里复制这个过程呢？好吧，太阳有一个有利条件，即其中心极高的重力压强，这意味着氢原子会不断地高速相撞。我们不确定我们所做的技术宅类比例子中最终会有怎样的结果[67]，但关键是这些条件在地球上并不存在。

要获得核聚变能，我们必须想出某种办法，通过重力以外的手段来获取那种程度的重力。

等一下。我们不是已经知道如何制造氢弹了吗？在布鲁斯·威利斯那部有关引爆一颗小行星的电影[68]中，氢弹不正是他们所使用的方法吗？为何我们不能这样做：

1.取来氢弹。

2.引爆。

3.采集热量。

4.使水沸腾。

5.转动涡轮机。

6.驱动烤面包机。

7.吃烤油酥糕点。

答案是……确实能，我们可以这样做。我们可以用一颗氢弹创造出同太阳上相似的环境。本质上，我们要做的是引爆一大堆基于核裂变[69]的老式原子弹，然后用产生的能量来压缩一个充满氢的球体。如此一来，氢便会开始快速地相互撞击，但引发这个过程的不是重力，而是来自原子弹中的力。大量的核聚变将开始发生，然后轰的一声——足以在大气层上开个洞，或许能够把一大片沙漠变成玻璃的能量就此产生了。

然而这存在一些问题：第一，用于装载核弹的容器很可能无法在冲击波下幸存，这样就难以捕获那股能量。第二，即使这个容器幸存了下来，可它受到的辐射量将大到令人难以置信。第三，如果这个容器存在着缺陷，那爆炸或许就会让一大片具有放射性的尘埃进入大气之中[70]。第四，俄罗斯大使馆打来电话了，电话那头的人听起来有点愤怒。

对地缘政治和安全的担忧排除了使用这种简单方法的可能[71]。要创造出同太阳上相似的环境，我们必须通过其他的途径，比如说通过放在你桌面上的球形金属笼。

好吧，也许不是你的桌面，但肯定是理查德·赫尔——第一位完成了核聚变的业余科学家——的桌面。赫尔先生和其他人共同运营着一家名为Fusor.net的网站，人们可以在这个网站上学习如何创造并运转核聚变器[72]（fusor）。

虽然有很多“核聚变师”都加入了这家网站，但大概只有75个人正式地展示了核聚变，并因此赢得了加入中子俱乐部的荣誉。一个名叫泰勒·威尔逊的男孩14岁时便加入了中子俱乐部。把这牢记于心吧，当你试图判定自己在一生中是否已经获得了足够多的成就时，就想一想这个男孩吧。

如果你知道你在干什么并且能获得所有正确的设备，你大概花3000美元就能为自己制造一台核聚变器。就是这样的，孩子们。每天10美元，坚持300天，你就能拥有一把中子枪。方法如下：

首先，去球形金属笼商店买一只球形金属笼。

现在给这只笼子通电，如此一来，它便有了很强的正电荷。

往这只带着正电荷的笼子里面放入一只更小的并带有很强的负电荷的笼子。

在完成了这一切之后，把所有这些东西放进一间真空室里，然后在这两只笼子之间加入一些氘。购买氘可能会需要填写一些国土安全部的文件，但如果你不想被登记在一份名单上，那就去网上买一些“重水”。

好吧，这听起来确实像是世界上最大的骗局，但我们保证这是真的。水分子含有两个氢原子和一个氧原子（H2O），而重水是一样的，只是氢原子被替换成了氘原子（D2O）。记着，氘有一个额外的中子，所以重水要重一些，尽管看起来和普通的水是一样的。

现在取来你的重水，并给它通上电流，这会把重水分离为氧气和氘气。这时候，偷偷地往你的窗外瞧一瞧，确保街上没有联邦调查局的人。警报解除？好。接下来就到最难的部分了——你必须通过移除重水蒸汽来把气体“弄干”。赫尔先生告诉我们这非常难，因为哪怕是很少量的蒸汽都会毁了你的核聚变“派对”。移除这些蒸汽有不同的办法，比方说，你可以让这些气体穿过一根冷的管子，因为这些蒸汽很容易黏在冷的管壁上，或者你可以让气体从某种表面积很大的物体中穿过，例如棉花。

现在取来氘气，把它注入带电的笼子中。强大的电磁场会把这份气体分离为带正电荷和带负电荷的两个部分。现在你得到了很少量的氘原子核——撞击的时机成熟了。

带正电荷的外笼会把氘向中心推，而带负电荷的内笼会把氘往中心拉。突然间，大量的撞击发生了。

还记得我们先前说过的不善社交的技术宅吗？想象一个房间，在这个房间正中有一些早期的《星球大战》的可动人偶（更确切地说是1978年就停产了的配有可伸缩光剑的人偶）。这个房间的四壁上贴着电影《霍比特人》的场景海报，但这些场景是没有出现在电影中的。现在你让一群技术宅站在这些糟透了的瞎杜撰出来的海报和这些令人惊叹的超稀有的人偶之间。

这些技术宅会一窝蜂地向可动人偶那儿跑去。推力和拉力的合力是如此强大，以至于他们都在人偶旁撞在了一起，然后相互拥抱起来。从某一刻起，他们开始若有所思地谈论起了《神秘博士》（Doctor Who）被删掉的剧集，如此一来，他们便从相处尴尬的陌生人变成了亲密得让人觉得不自在的好友。

就这样，这些处于带正电荷的外笼（排斥）和带负电荷的内笼（吸引）之间的氘粒子碰撞在了一起，并开始了核聚变[73]。万岁！

等一下……先前我们不是说核聚变是非常困难的吗？

没错，事情是这样的。这群不善社交的技术宅多半会产生矛盾。这边的一对关于谁知道更多有关《金刚狼》的传闻存在着分歧，而那边的一对一起敲打着自己的脑袋，然后晕了过去。此外，那个穿着黄色纸板盔甲的人正为了西格妮·韦弗在“拯救”自己[74]。

就这样，绝大多数的氘粒子都不会成功地融合。有些撞到了笼子上，有些错过了其他的粒子，还有些猛烈地撞向了彼此，虽然撞击力猛烈到足以反弹，但不足以合并。

把足够多的氘粒子扔在一起，这会获得一些核聚变，但你只会受益于平均概率法则。你桌面上的核聚变装置在能量上是净负的——它吸收的能量比它产出的要多。

此时，你可能正对核聚变师感到疑惑。如果他们不会从核聚变中获得净能量，那他们为何要进行核聚变呢？实际上，核聚变师往往有三种类型：有些认为自己将解决核聚变难题，并给世界带来清洁与廉价；有些把进行核聚变当作有史以来最酷的DIY[75]项目；还有些想得到用于研究的中子。顺便说一句，理查德·赫尔属于最后这个群体，他在退休后开始一个人对原子进行研究。

现在我们已经找到了问题的关键：我们可以用一颗原子弹令核聚变发生，但这是很难控制的；我们可以用一只普通的、通了电的笼子令核聚变发生，但效率并不会太高。此时此刻，我们并没有一种很好的折中方式。

解决这个问题有一些不同的方法，但在最主流的实验中，这个问题的处理方式只有两种：尝试在同一时间引爆所有的核聚变燃料，或者把这些燃料约束在一个狭小的空间里，以使其变热。

爆炸——很可能是用一台激光器——是一种好方法，因为这会令大量的核聚变在同一时间内发生。当单一的核聚变在不同时间发生时，会导致整体的核聚变反应减慢。要弄清原因，那就想一想先前说的技术宅。如果每对亲密无间的技术宅都牵起手，快乐地往外跑，他们便会撞开往里走的技术宅，而这些被撞倒了的技术宅就没有机会与其他的技术宅进行“融合”了。

同样，融合了的原子会释放出一点能量，而这一点能量会推开往里运动的质子，从而搞砸你的核聚变反应，因此尝试让所有的核聚变反应在同一时间里发生是一种很好的方法。

爆炸法的缺点在于必须让多到不可思议的能量在一瞬间被释放出来，或者说让比全世界的能量加在一起还多的能量在几分之一秒内被释放出来，这可不是天方夜谭——桑迪亚国家实验室有一台名为Z机（Z machine）的装置，这台装置能把大量的能量储存在一个巨大的电容器组中，然后将这些能量同时释放出来。我们稍后会对其做进一步的讨论。

第二种方法——约束与加热——的优点在于聚变燃料可以在一段较长的时间里以一种更可控的方式被加热。为了避免出现所有的燃料未能在同一时间爆炸的情况，这些燃料得被很好地约束起来。

因此这得使用等离子体。如果你不记得等离子体是什么了——它是一种能在高温下被获取的物质。

这么来想：把一块冰加热到分子间不再相互连接，但仍然会受到分子间作用力吸引的程度。换言之，加热固体，使之变成液体。如果继续加热，当这些水分子中的能量变得极为巨大时，它们便不会再在乎彼此间微弱的吸引力，而只会向四面八方挥发而去，这就是说，它们变成了一种气体。如果再继续加热，原子本身便会分裂成两个部分——带正电荷的原子核和带负电荷的原子核。

为了便于讨论，让我们忽略掉中子，并想象一个很热的并带有一个正电荷的气态等离子体。这个电荷会让等离子体极不同于气体。如果你的房间里有一股难闻的味道，只要吹气便能去除这股味道，但如果你有一个难闻的等离子体，那你便可以用磁场控制它的运动。你不仅可以去除它的怪味，还可以改变它的形状，这也就是说，你可以把它约束起来。

“磁化约束”型反应堆的一个小的缺点在于，要约束接近太阳内部温度的等离子体可能会有些棘手。

针对这些限制，一些大大小小的实验正在尝试发现一种解决办法。

我们的现状如何？

有很多实验都在对着这些限制逐一进行细致的研究，因此我们只会就其中少数一部分做出讨论。

国家点火设施（NIF）

国家点火设施（National Ignition Facility）是令人非常惊叹的，它曾被当作《星际迷航》中的一个场景。你简直可以让“技术宅在其中融合”。

国家点火设施基于一种名为惯性约束核聚变（Inertial Confinement Fusion）的技术。这项技术的使用办法是这样的：把一台具有超大功率的巨型超级激光器射出的激光分割成192束[76]，然后把这些激光束聚集在一个装满了聚变燃料的金质圆柱形容器（大概有你指尖那么大）上。这个容器会吸收大量的能量，然后向其中心释放出功率极大的X射线来压缩聚变燃料，以产生大量的核聚变。所以说，这个容器就像是一颗微型氢弹。

国家点火设施尚未实现“点火”，“点火”将发生在输出能量比启动核聚变反应所需的能量更多的时候。截至2015年，国家点火设施在输入能量上已经达到了1/3的目标值[77]，可这座设施并不叫“国家三分之一点火设施”，要使这种核聚变方法生效，还需大量的研究工作。

磁化内衬惯性核聚变（MagLIF）

另一项令人激动的实验是桑迪亚国家实验室的磁化内衬惯性核聚变（Magnetized Liner Inertial Fusion）。

其工作方式大致是这样的：取来一个被冷却了的圆柱形容器，这其中装有核聚变燃料，再取来一台大功率激光器，从一侧对这个圆柱形容器进行照射，这样一来，这个容器中的燃料很快便会达到一个很高的温度。在这些燃料将向外炸裂之前，用功率大到不可思议的电容器组来引起程度剧烈的放电，这将创造出一个会让圆柱形容器向中心挤压的电磁场。

简而言之，先用激光束加热聚变燃料，然后把圆柱形容器给压扁。

运用这种方法的早期实验显示出了极为乐观的研究前景，但与能量得失平衡点（即核聚变反应的输入能量和输出能量之间的平衡点）仍相去甚远。我的意思是这种方法比我们在地下室用磁铁、口香糖和希望所做的核聚变实验更胜一筹……这项计划是非常激动人心的，因为桑迪亚国家实验室已经制作出了一些详尽的计算机模型，而这些模型表明如果这种方法能在能量上按比例提升，就应该能实现能量的得失平衡。实验正在进行当中，而且他们的巨型电容器组正在被扩容。如果事情顺利，他们很可能将会在2020年之前取得成功。

国际热核实验反应堆（ITER）

在所有的实验中，规模最大的是国际热核实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor），它使用的是最为成功，而且得到了充分研究的聚变配置。

这套核聚变配置名为“tokamak”（磁化约束环形室的俄语首字母缩略词）。简单来说，想象一个巨大的唐恩都乐的甜甜圈，只是里面装的是等离子体，而这些等离子体被一个磁场约束起来了，以使其在甜甜圈管中流动，如此一来，这个巨大的甜甜圈里便有了一圈细细的等离子体。由于强力磁场的存在，这一圈等离子体极难以逃逸。随着这些等离子体被约束起来，国际热核实验反应堆会使用不同的办法来为其加热：电击、微波以及发射一道中子束。当更多的能量被转移到了这根密度很大的等离子体条带上时，这些等离子体会变得越来越热，直到其中的质子开始发生融合。

其巧妙之处在于，由这些等离子体的核聚变反应所释放的能量会让更多的等离子体升温，从而产生更多的核聚变。如果你用打火机去点一支蜡烛，但烛芯没有烧着，那烛芯上的热量在移开打火机的时候便会消失，但如果你能让烛芯烧着，那这只蜡烛便会持续地燃烧，直至烧光。换言之，火会创造更多的火。同理，如果核聚变反应发生得足够快，它便能维持一次持续的核聚变燃烧。如果这发生了，那所有的外部加热办法就可以停止了，核聚变会继续发生。

此外，一个额外的优点是核聚变是发生在一个巨大的金属甜甜圈里的。

国际热核实验反应堆是当今规模最大、花费最高的核聚变项目。遗憾的是，国际热核实验反应堆（像很多大型的科学项目一样）不断被延期，其成本也严重超支。你知道让一群大脑受损的猫之间达成共识有多难吧？好吧，想象一下如果不是大脑受过损伤的猫，而是不同国家出于政治考虑而任命的人。国际热核实验反应堆目前的预计建设成本超过了150亿美元[78]，可最初的计划成本只有50亿美元。

计划仍然在继续。在我们写这一部分的时候，国际热核实验反应堆的磁化约束环形室终于开始动工了。全面的核聚变反应堆实验有望于2027年进行，刚好赶上第一次机器人暴动[79]。在没有充分理由的情况下，国际热核实验反应堆通常被视为在短期内造出一座具有实用性的核聚变反应堆的最大希望，可实际上，现有规模最大且处于运转状态中的磁化约束环形室——欧洲联合环（JET[80]）——已达到了60%～70%的能量得失平衡点。

其他项目

除了这些大型实验外，还有很多规模较小的非传统实验。同我们曾进行过谈话的科学家对这些实验的回应通常是这样的：“我希望它能奏效，但多半不能。”不过纯粹是为了好玩，我们将告诉你一项有趣的实验项目，进行这个项目的是一家名为通用核聚变（General Fusion）的公司。

他们的方法赢得了“最疯狂的科学”这项殊荣。这种方法是这样的：取来一个球体，并将液态金属装填进去，然后高速地旋转这个球体，以令其中心开出一个漩涡，再把核聚变燃料注入这个漩涡中，并对这个球体的外侧进行一系列猛烈的同步撞击。由这些撞击所创造的一道压力波会穿过液态金属，并在球体中心对核聚变燃料进行挤压。

如果这种方法奏效了，一个优点便是我们可以从被加热的液态金属中获取能量。

有一些公司正致力于研究类似的非传统方法，但其中有很多都是严格保密的，以至于我们无法真正地获得有关这些方法的有趣细节，比如说，洛克希德·马丁公司在不久前宣布他们同样有一座即将可以运转的核聚变反应堆，但他们对细节一直含糊其辞，这等同于说：“嘿，你从没见过我这个非常性感的女朋友，不过我没有她的照片，而且你也不准读我俩之间的电子邮件。”

令人担忧之处

任何核聚变反应堆都会产生一些放射性废料。在听到“放射性”这个词的时候，人们会想象一个放声大笑的公司主管把绿色的泥浆倾倒在一间日间托儿所中，然后化作一群蝙蝠，消失在了茫茫的黑夜之中，但这样的描述在细节上并不完全准确。国际热核实验反应堆不会产生任何类似于一座核裂变发电站会产生的液体废料，而且放射性的氚会被捕获，然后再次被用于核聚变反应。

事实上，国际热核实验反应堆的网站上指出一切都在良好的控制下，以至于氚工厂发生一场火灾都不会成为疏散当地居民的理由。是的，国际热核实验反应堆受到核聚变反应轰击的部分会受到放射线的照射，但这些部分不会具有“高”放射性，而且在经过一段相对较短的时间后便不再具有放射性了。

然而对那些为此感到不安的人来说，注意到一座核聚变反应堆或一座核裂变反应堆一点都不像是至关重要的，这是人们谈及核能时常常提到的。它们都有原子核，但你妈妈也有，土星也有，苹果派也有。

据麻省理工学院等离子体科学和核聚变中心（Plasma Science and Fusion Center）的丹尼尔·布伦纳博士所说：“核聚变反应只会产生氦和中子，没有温室气体，也没有耐久性的放射性废料。”当中子撞上反应堆堆壁时，它们会停止运动，而且氦是一种非放射性气体。此外，当孩子们的生日气球因热核聚变反应而飘在半空时，他们会非常的高兴。按布伦纳博士的说法：“不同于核裂变的废物，这种物质非常安全，足以让其在大约100年中不断地被回收使用。”

另一个对核聚变的常见担忧是堆芯是否有熔毁的风险。简而言之，没有。为明确起见——让核聚变发生真的非常非常的困难，至少从不想被炸死的人的角度来看，这是一个优点。

约克大学的布鲁斯·利普舒尔茨博士告诉我们：“在任何特定的时间上，存放在反应堆中的只有足以随时进行核聚变反应的燃料，这不同于一座核裂变反应堆中储存着一年量的燃料。此外，如果反应堆中的约束消失了，要维持一次核聚变反应便会成为一个很大的难题……核聚变反应会像风中的一支蜡烛一样被熄灭。”虽然核聚变反应更像是风中一个充满着等离子体的巨大甜甜圈，但我们接受他的观点，因为他从事的是磁化约束环形室的研究。

在我们采访过的人中，无一个提出过对环境或社会问题的担忧。核聚变存在的真正问题似乎只是如何让核聚变发生。事实上，赫尔先生很喜欢说：“核聚变是未来的能源，它终将会到来。”

我们与亚历克斯·韦勒斯坦博士——斯蒂文斯理工学院的一名核历史学家[81]——为此进行了交谈。他对这项技术本身比其他人更乐观一些，但对这项技术潜在市场有担忧。他指出即使利用现有的技术，我们仍然需要用于核聚变燃料的专用载体，这些载体有时是由诸如黄金和铍之类的贵金属所制成的。核聚变燃料或许会是非常昂贵的，这取决于哪些技术成功了，因此即使我们获得的能量比我们投入的要多，我们也必须考虑能量的成本，以及投资要多久才会有回报。即使收益在短期内是不清楚的，可研究可能还是有保障的，比方说，太阳光伏电池从一种实验室产物变成一种建造发电厂切实可行的办法差不多用了70年。

正如韦勒斯坦博士所说的：“我们得摆脱只为立即会有回报的研究提供资金的观念，否则长期的目标永远都无法实现。”

重要技术的发展，一个大的难题永远都是此风险项目所需的资金。在阿波罗任务的鼎盛时期，美国政府差不多将其总预算的4.5%拨给了美国国家航空航天局，并雇用了超过40万人。在没有那么巨大的经费开支的情况下，我们今天很可能会说登月还得50年。作为比较，2015年美国国内的核聚变能预算差不多和一架747喷气式客机[82]的售价是一样的。

任何技术都可能会有未被充分考虑到的严重后果，可至少现在来看，一座能运转，而且在经济上可行的核聚变反应堆对人类来说似乎完全是好事一桩。希望这句话不会出现在一本记载着人类傲慢自大的后启示录时代的历史书里。

这将如何改变世界

简而言之，核聚变能是一种本质上用之不竭的能源。没有温室气体，没有耐久性的放射性废料，也没有堆芯熔毁的可能。

——布鲁斯·利普舒尔茨博士

如果能使核聚变在经济上变得可行，那最显著的效益便会是廉价的能源，虽然同其他类型的发电站一样，核聚变反应堆也需要维护和保养，但考虑到大量潜在的能量产出和相对较低的成本投入，它应该会是一种价格随着技术的提升而逐渐降低的能源。

因为生产任何产品几乎都需要投入能量，所以我们或许可以期待绝大多数的商品都会有更低的售价，尤其是对能量密集型工业来说，例如化学制品、水泥、纸制品和金属的大规模生产。

环境效益也将是显著的。核聚变反应堆将产生最少量的污染，而且不会有碳的排放，这意味着我们可以在不加剧气候变化的情况下获得能量。即使核聚变在最开始的时候会是十分昂贵的，但当你考虑到大气中更多的碳可能会对环境造成破坏时，它在经济上或许仍会是一条更好的能源发展途径。此外，最可能用于核聚变的燃料是氢，它是宇宙中数量最多的物质，所以因获取燃料而造成的环境影响应该会是比较低的。换言之，如果你有了自己的核聚变发电站，那你就可以把你完好无损的太阳能板搁在壁炉里烧掉了——只是为了好玩，而且你仍会受邀参加绿色和平组织的会议[83]。

核聚变能还将对远程太空旅行有很大的帮助。出于安全和效率的考虑，绝大多数的太空船是使用液态燃料和太阳能板来获得能量和推力的。就一场事故而言，一座被搭载在飞船上的核聚变反应堆会是相对安全的，而且能提供大量的能量。此外，氢遍布于太阳系之中，甚至存在于太阳系以外的虚空里。如果一艘太空船可以采集到这种物质，然后高效地分离出氘并将之融合，那这艘飞船很可能就会有无限的服役期。

廉价的能源很可能还有很多难以预测到的效益。生活在鲸油时代的几百万人很难想象会有以汽油为动力的汽车。同理，在能源相对较贵的时代，我们或许无法看到地平线那头有何样的奇迹。

话题关注——犁铧计划

那是1961年的新墨西哥州东南部，一望无垠的旱地上零星地散布着一些低矮的植物。一个在过去1000年中人迹罕至的地方在这一天聚集了由白宫所邀请来的联合国代表。他们来这里是为了见证一次原子弹爆炸，虽然这可能具有地缘政治的含义，但这颗原子弹的意义并不是为了战争，而是为了展示原子弹可以被用作和平用途，原子之剑可以被打造为一把犁铧。

其想法是这样的：把一颗原子弹丢在一座沙漠中很深的岩盐竖井中引爆。盐会达到极高的温度，然后开始熔化，而这会产生大量的熔盐，所以这是一种极佳的蓄热方式。理论上，你可以用这些热量来制造蒸汽，驱动涡轮机或运转你的烤面包机。

和之前的爆炸（后来成为犁铧计划的一部分）一样，这一次爆炸产生了一道威力极大的冲击波，震动着沙地上的尘土，可之后的事情变得古怪了。当核弹爆炸时，谁都不想看到事情未按计划发生。

当科学家、记者、军方人员和政府官员正在观看时，一股白色的蒸汽开始从爆炸点渗了出来。当所有聚集在一起的访客被命令回到他们的车上并离开现场时，一团致命的云状物飘荡在了风中。

哪里出差错了？这次爆炸比科学家所预估的要更为强烈，而且产生的气体冲破了地表。这些气体的放射性有多大？没人不知道。为什么会出现这种情况？

囊地鼠。

不，这不是一个排版错误。

囊地鼠。

再说一次。

囊地鼠。

确实是真的，几只友善的穴居啮齿动物（它们最终的命运可想而知）咬断了爆炸点的电缆，这让一些放射线探测器失去了连接。

据我和凯莉所知，这是已知的唯一一次与囊地鼠有关的核事故，不过这倒解释了为何犁铧计划从未真正取得过进展。理论上，这是一个美妙的主意：廉价的大规模爆炸可以被用作各式各样的用途——创造港口，开凿一条新的巴拿马运河，以及生成新的元素。

这听上去很疯狂，原因有两个：其一，这确实很疯狂。其二，这发生在核能乐观主义时代！当时华特迪士尼公司发行了《我们的朋友，原子能》（Our Friends the Atom），剧中的奇妙仙子用她的魔杖创造出了象征原子的符号。福特公司公开了“核子”——一款会被用作一种未来核能交通工具的概念车设计[84]。陪审团仍旧未对大气辐射究竟有多危险达成共识。

诸如此类的观念导致了犁铧计划的出现。在1961—1973年间，美国在这项计划的27次试验中引爆了35次原子弹。每一次爆炸都有不同的研究目的，从调查爆炸反应的生成物到纯粹只是为了看看我们可以制造出一声多大的轰鸣。

事实证明，我们可以制造出一声相当大的轰鸣。由这项计划所留下的一些弹坑如今仍然可以被参观，然而由这些爆炸所留下的一份更重要的遗存是当地人的愤恨，这些人大多是受到了无情对待的美国原住民。负责犁铧计划的科学家和官僚始终无视当地人的担忧，低估了自己会造成的破坏，也高估了自己可以实现一种廉价原子弹爆炸的能力。

放射云中的一线光明是这项计划加速了现代环保运动的发展。这项计划奇怪的地方之一是计划的负责人总是不断地聘请环境科学家去查明这些爆炸是否会造成环境问题，而这些科学家发现生态系统和生活在这个环境的人确实不适合接受极高的辐射剂量，可每到这时，犁铧计划的负责人便会把他们给打发走。专业人士的不满与当地居民的愤慨一相和并，激起了一些最早的环保抗议。

同诸多的核计划一样——即使到了今天——犁铧计划是一项潜在的伟大技术被一群举止像笨蛋一样的聪明人给耽误了的历史。他们冷酷无情的程度是令人难忘的。据一个故事所说，犁铧计划的首席科学家爱德华·特勒曾开玩笑说可以用一系列的原子弹爆炸在阿拉斯加炸出一座北极熊形状的港口来，可事实上，真有人严肃地提出过一个在阿拉斯加炸出一座港口的建议，尽管当地人考虑到潜在的危害以及港口会在每年绝大多数的时间里处于冻结状态的事实，而十分不愿要这座港口。

虽然我们不建议将原子弹用于任何建设项目，但前景却有些诱人了。在1973年的最后一次测试前，这项技术的确已经相当奏效了，比方说犁铧计划的后期构成之一，即为了测试一颗氢弹是否能释放出天然气的鲁里森计划。你猜怎么着？一颗在威力上比在长崎爆炸的那颗大上两倍的核弹，便能获得大量的天然气。在爆炸过后，当地的辐射水平低得惊人——只比之前爆炸过后的辐射水平高出了1%，这是一个潜在的重大发现。此外，当时产生了一个希望：用于和平用途的核弹可以相对“清洁”地被制造出来。氢弹不仅使用核裂变，还可使用核聚变，但绝大多数肮脏的副产物都是源于核裂变部分的，而犁铧计划的主要目的之一就是找到减少这些副产物的办法。

尽管取得了一些前景乐观的成果，但犁铧计划还是在1975年被搁置了起来。科学家和工程师取得了大量的进展，但他们遇到了太多的阻碍。刚刚兴起的环保运动对他们持反对态度，而且考虑到政府官员得把核武器弄到一个试验场中，即使原子弹确实节省了一些花费，可也远没有常规炸弹节省的多。总之，他们没有展示出原子弹具有多样化的用途。他们最大的进展是释放出了天然气，但能源公司没有太大的兴趣去推广一种比一般放射性水平略高一些的气体。

此外，在必定会成为历史上一个很讽刺的转折中，20世纪中叶发明的水力压裂法（hydraulic fracturing）[85]动摇了使用原子能来释放天然气的主意。你可以把这件事告诉一个提倡环保主义的朋友，如果你想让他百思不得其解。更讽刺的是，愈发昂贵的越南战争让核测试的可用经费变得越来越少，所以你可以免于生活在一个存在着更多放射线的世界里，这可能要归功于……水力压裂法和越南。

在20世纪50～70年代，由放射线所构成的危害得到了越来越充分的认识，而且人们更担心的不仅是辐射量，还有辐射类型。最为重要的发现之一是核爆的一种主要副产物——锶—90（Sr—90）——带来的危害。锶—90在外观上有点像是钙，只是它会释出放射线。因为它会像钙一样被骨头吸收，所以是一种特别危险的放射源。在频繁进行核测试的那些年里，一件非常不祥的事情是在婴儿的牙齿里发现了锶—90。

没错，婴儿的牙齿。路易斯·瑞斯和埃里克·瑞斯两位博士进行了一项杰出的研究，在12年多的时间里，他们不断地收集学童脱落的牙齿，最终收集到了近32万颗。因为牙齿的大部分构成是钙，所以脱落的牙齿是一种检查人体吸收了多少锶—90的简单办法。他们发现，在1963年核测试的高峰期，大气中的锶含量相当的高，而儿童牙齿中的锶—90比正常水平高出了50倍。

这项发现在一定程度上促使了美苏两国《部分禁止核试验条约》的签署。这项条约很可能给犁铧计划造成了最大的阻碍，因为《部分禁止核试验条约》中的规定之一是两国可以在自己的国土上引爆核弹，但核爆造成的影响不能离开这个国家。或许这听上去没有限制性，但其实有。如果我现在燃放一根爆竹，那产生的一部分一氧化碳最终会扩散到俄罗斯去。尽管美苏两国都没有把这项他们本应严肃对待的条约太当回事，但这为用一颗原子弹来尝试建造一座海港这一本就（比较）复杂的任务，增加了更多由官僚主义所带来的错综复杂。

比如说，这项条约规定核弹不能在水下引爆。随后，犁铧计划的参与者想在海床下——不同于在水下——引爆一颗核弹，这真的导致了一场辩论：“水下的”（underwater）字面意思是否是“水面以下的”（under water）[86]，而这就是外交官迷人的生活。

随着美苏两国关系的缓和，氢弹不能节省巨大的成本也变得明朗，美国人为了避免世界末日，还是觉得将核武器束之高阁为妙，就此终止了犁铧计划。

也许你会想知道：苏联曾进行过一项类似的计划，其名为“为了国民经济的核爆”，一直持续到了国家解体。如果你上谷歌搜索“查干湖”[87]（Lake Chagan），那你便会发现一座在哈萨克斯坦——曾经是苏联的一个共和国——境内形状奇特的圆形湖泊。你很可能还会发现一段视频，展示了这座湖被建造出来的一瞬间。此外，足以令人心里发毛的是，一些政治宣传照片记录了一个人在这座湖中游泳，当时这座湖刚被附近一座水库中的水给填满[88]。

图中游泳者使用的游法是自由泳，可想而知，湖水接触面部的次数越多，也就更容易进入鼻腔、口腔以及眼部。想想看，带有放射性的湖水进入体内会发生什么？加速死亡……——译者注

第4章　可编程物质

如果你所有的东西都可以相互转换会怎样？

问题：为何你使用计算机比使用自行车的时间要多得多？

答案：因为你是一个离群索居到令人毛骨悚然的人。

好吧，但另一个问题在于自行车或多或少只能做一件事情：当你用脚蹬它时，它会向前移动。而计算机却有不同的用途，而且（更重要的是）它的用途是无限的，所以说计算机已经是一种“可编程物质”了。它可以运行任何应用程序，显示任何影像，发出任何声音，连接任何设备（好吧，如果你能找到数据线，而且Windows操作系统没把你的设备给弄坏）。此外，这些应用程序、声音和影像不是永久地被嵌入在计算机里的，这不同于一幅照片、一张唱片或一台蒸汽机的物理机制。

你绝大多数的东西对一个来自1900年的人来说并不陌生。你的扫帚是用塑料做的，但用起来和他的木扫帚是一模一样的。你的洗衣机是一种灵巧的新奇装置，但没有什么地方是令他费解的。但你的计算机呢？他可能会据此断定你是一名巫师。

要是我们能把你所有的东西变得像计算机一样会怎么样？或至少说，在这个具有强大的计算能力和先进的合成材料的时代，我们何不让你的很多东西根据你的期望来做出调整呢？为何一座建筑的材料不能自动地根据天气变化做出响应呢？为何你不能命令四张椅子变形为一张桌子呢？老天啊，为何我们必须要亲自动手折纸，而不是仅仅冲着纸叫喊，直到它变成一只纸鹤呢？这些事情或许没有想象中那么遥远。

麻省理工学院的埃里克·德曼博士是这样解释他对这样的可编程物质的热爱的：“对我来说，可编程物质令人激动的地方是，它们可以被用来制造具有多功能的小装置。我可以想象，当我想坐下，而不想再骑车时，我的自行车会变成一张椅子。在这之后，它又会变成我的笔记本电脑，或者我的手机会展开成一台笔记本电脑……我们生活在一个软件可以被重复编程的计算世界里……可编程物质相当于可以被重复编程的硬件……如果你现在想获得最新型号的手机，那你就得出门去买，但可以想象未来的手机能将其自身在分子层面上重新排列成一款新型号，而这就是梦想。”

全世界的科学家、工程师和艺术家都在尝试使可编程物质成为可能。有些人想在物质能响应周围环境的意义上对物质进行编程，还有些人想让机器人同我们别无二致。这些创造者最具雄心的梦想是一团几乎能变成任何形状的物质。随着计算机和电动机械系统的体积正变得越来越小，也更为高效，或许有一天，你可以把手伸进一池闪烁的液体中，然后从中取出任何一种器具，从一把扳手到一部电话，再到一个机器人宠物。

为何我们想得到这种物质呢？好吧，这存在一些现实的原因（我们之后会谈到），但在某种程度上，我们觉得人类就是很喜欢可以变成其他东西的东西。例如《变形金刚》系列作品——具有超人心智与外星生命机理的生命形式，它们从遥远的行星来到地球交战，那为何我们会觉得这是激动人心呢？因为它们还能变成非常酷的汽车。

我们的现状如何？

可编程物质为的是赋予物理对象以信息，这可以是一台机载计算机中实际的比特和字节，也可以是形状和物质构成被嵌入在一个物体结构中的“知识”，这让可编程物质涵盖的领域十分的多样化。

我们首先将谈一谈“程序化”材料参与的特定复杂反应，比方说，一种程序化材料暴露在水中可能会发生预设的弯曲，即使它们未搭载感应器，也没有计算能力。接下来，在把话题转移到对制造通用机器人——本质上是《终结者》中的T—1000[89]，只是理想上它们不会试图杀光我们——的不同寻常的尝试之前，我们会对折纸机器人和可重复配置的房屋做一些讨论。

程序化材料

麻省理工学院的斯凯拉·蒂比茨教授是程序化材料的支持者，他对这个领域的展望是这样的：“我的想法是你可以为材料编程，为物理实体编程，以使它们能自行改变形态和性质，能在没有人或机器介入的情况下自行配置……你可以以某种方式让材料自行改变形态，而且这通常将是由环境中的事物所触发的——温度、湿度、电活性以及其他能使它们改变形态的触发因素。”蒂比茨教授将可编程物质的这种特点称为“4D打印”，因为3D打印出来的物体不会根据材质和环境随着时间发生变化。

比方说，有一种可重复配置的3D打印吸管，其经过特殊设计的接合处遇水便会弯曲。理论上，通过对每个接合处弯曲方式做出选择，这种吸管几乎能呈现出任何形状。蒂比茨教授制作出了一种放在水里时形状会自行变成字母“MIT”的吸管。

另一项会对环境做出响应的很酷的方案是，由斯图加特大学的阿希姆·门杰斯博士和斯蒂芬·赖克特博士创造的“湿度计”（hygroscope）。这种湿度计是由能通过编程来对湿度做出响应的薄木片构成的。当木片弯曲时——作为对周围环境的响应——木片上的几百个小孔会发生开合。一般来说，这种湿度计看上去惊人地似是一大块具有某种外星生命机理的东西，尽管没有内置电动机或计算机。

蒂比茨教授认为要采用这样的可编程材料有两个主要障碍：第一，软件是被设计用于同静态结构或机器人的机械结构一起运行的，而他想要的软件是能设计出“会根据不同的激活能量而改变形态、弯曲、卷曲、扭曲的不稳定材料”。

第二，如何才能让人们真正想购买这种材料。我们确实未曾认真地思考过这个问题，不过我们还是更倾向于浴室中所有的物品都是“静态的”，但蒂比茨教授相信智能材料可以被雅致地纳入我们的日常生活之中，比方说，他曾从事过一种水管的研发，这种水管能根据瞬时水流量来改变口径，以控制水流和响应需求。为了将编程材料带入我们生活中的方方面面，蒂比茨教授目前正在同运动服装、医疗设备、包装和航空航天领域的公司进行合作。

纸艺机器人

传统纸艺是非常有趣的[90]，其部分原因在于按照一套简单的规则便能制作出复杂的结构。一只优美的纸鹤是一张纸经过大量简单折叠的结果。在一双熟练的手中，一张纸可以呈现出几千种形状。换言之，纸可以编程化。

那么，为何我们要像傻瓜一样亲手来折纸呢？为何没有一种能自行折叠的纸艺机器人呢？

纸艺机器人是一个实现可编程物质的很好的起点，因为纸是相对容易操作的，简单的折叠规则可以创造出复杂的结构。

纸艺机器人有不同的制造方式，但本质上，它们是一种允许一系列折叠平整物质，而折缝上安装有能使折缝自行折叠的促动器（actuator）。纸艺机器人具有用于与一台计算机通信的电路系统，因此你可以轻松地为这种机器人进行编程，以使其在正确的时间沿着正确的折痕处进行弯曲。此外，因为这种机器人在达成期望的形态之后仍可以继续折叠，所以它可以做到传统纸艺无法做到的事情，例如四处走动或抓取物体。

麻省理工学院的丹妮拉·鲁斯博士对创造体积尽可能小的纸艺机器人有着浓厚的兴趣，而且她成功地创造出了一个约有指尖大小的纸艺机器人。这个机器人非常的简单，但简单有简单的好处。

这个机器人看起来像是一小片附着在一块磁铁上的普普通通的正方形金箔。在被启动之后，它会迅速地自行折叠成一只电子虫。通过对其搭载的磁铁施加一个磁场，鲁斯博士可以让它四处走动、游泳和搬运物体。这个机器人现在是由遥控器操控的，但鲁斯博士希望制造出一种自主化版本。

鲁斯博士在不久前提出了一种——听好了——由猪肠制成的高级版本。好吧，按麻省理工学院的标准，带电的猪肠没多么古怪，不过这是一种非常特别的肠条[91]。

鲁斯博士的目标之一是通过创造微型机器人来改变医疗方式。这种由肠子所制成的机器人小到可以被放入一片约有药片大小的冰块中，能被人吞咽下去。这片冰块在进入人的内脏后会彻底融化，继而释放出其中的微型机器人。

鲁斯博士的研究团队制作出了一个用于演示的内脏，上面有一粒被卡住了的电池，这不是因为麻省理工学院的工程师对人体解剖学有一种不合理的认识——这确实是一种时常会发生的事情，尤其是对喜欢一粒金霸王DL2032[92]上那种涩味的小孩和大人来说。

这片冰块在人的肠道里溶解，留下一个由肠衣和一块磁铁所制成的微型机器人，而这个机器人会折叠成一种能在肠道中“游泳”的形状。它会把自己锁定在这颗“美味的”电池上，然后奋力地游动，直到把这颗电池给强行移除。在这之后，它便会离开人体。但愿这种机器人永远都不会获得足以令其客观地思考自身生命的智能，但即使它获得了，把它给吞进肚子里的人还是会安然无恙——记着，这种机器人主要是由肠衣制成的，所以它会自然而然地溶解。

如果这种机器人可以被制造得更小，它们或许便会具有更多更复杂的医疗用途。鲁斯博士设想纸艺机器人有一天将能自行变形为手术工具，或者能把药物带到人体中特定的位置上。因为纸艺可以用如此简单的方法使复杂的结构出现，所以它可能代表了一种实现微型医疗机器人的最佳发展途径。

体积较大的纸艺机器人或许同样有用处。如果折痕能很好地自行固定，那我们就将拥有一种可以自行变成椅子、桌子、花瓶或其他任何东西的平板纸。此外，想想看，当纸巾上的四角突然抬了起来时，这会给孩子们留下多么深刻的印象。

目前绝大多数的纸艺机器人设计都很简单，而且它们大多只能被配置一次。即使是最新的发展——例如鲁斯博士的设计——也存在根本的局限性。

德曼博士除了研究隐藏在纸艺中的数学[93]，还从事于纸艺机器人的研发。他告诉我们：“在纸艺的数学模型中，我们设想有一种零厚度的纸，而且它可以堆叠出大量的纸层，但实际的材料，尤其是带有诸如促动器和电子器件的材料，要比纸厚得多，所以在制作一个模型的复杂度上是相当受限的，但至少我们现在已经知道增加复杂度最好的办法了——使用大量的纸层。”

德曼博士和他的合作者现在同样在探索非传统纸艺，在非传统纸艺中，你可以在纸上进行剪裁。这种纸艺更难以用数学来计算，但在剪裁可以让事情变得更容易的情况下，局限于完整的纸上似乎是愚蠢的。

创造一件能恰好装入一个信封里，但之后能跳起来，然后步行穿过房间的物体，其能力具有广泛的用途，从军事和安全到创造一封会向收信人做出一个粗鲁手势的分手信。此外，麻省理工学院的科学家正在为让这些折叠机器人服务于每个人而努力。

辛西娅·宋博士（曾是德曼博士实验室的博士生，现就职于宾夕法尼亚大学）曾创造出了允许人们设计、打印（例如使用3D打印）和制造机器人的软件。“我们之前用交互式机器人纸艺[94]所做的，主要是创造一套虚拟的乐高套件。使用者可以获取默认的套件，然后改变它们的几何结构和形状，而且使用者可以对一系列的参数做出修改，以更好地掌握它们的硬件，使其看起来将是什么样的。我们后来还提供了一些模拟技术，所以人们在设计过程中，可以核实他们设计的机器人是否确实能做到他们希望这些机器人能做到的事情。现在我们正侧重于机器人的地面移动能力，这可以让使用者通过模拟来确保他们设计的机器人能稳定地移动。”

宋博士的终极目标是让人们可以得到极其廉价的机器人技术。使用者打开交互式机器人纸艺软件，设计一个机器人，把它在一台3D打印机上打印出来，给它装上合适的电动机，然后嘭的一声——机器人大军中又多了一名士兵。

可重复配置的房屋

在人口密度高、生活成本高昂的城市里，如何高效地利用空间已成了一个问题。一个主意是让一个房间具有各种各样的用途。你只要想一想，便会发现一个房间只不过是一个把自然界排除在外，并将互联网接入其中的盒子。我们会以房间的单一用途为它们命名，但理论上，你可以住在一间能根据你不同时间的需求来自行改变的房间里。

这种东西的一项概念性例证是动画式工作环境（Animated Work Environment）。它是由两部分构成的：一个部分是一张由三个可重复配置的部件所组成的桌子，而另一个部分是从这张桌子上延伸出来的逐一相连的六块铝制面板，这些面板既能弯曲，又能伸直，像是一只蝎子的尾巴。这些面板上有你办公时可能会需要的所有东西——屏幕、白板、灯光、声音。它们还具有用于探测环境变化的感应器。

通过这种简单的配置，你可以实现各式各样的结构布局。这条“蝎子尾巴”可以将办公室进行分隔。它可以直立起来，然后为一群人展开一台大尺寸的显示器，也可以在你工作的时候横置在你的面前。理论上，它还可以尝试去预测你的需求。到了晚上，这条尾巴也许会覆盖在你的上方，并将灯光调暗一点，好让你放松一些，或者说如果多位用户想要私密一点的空间，但又得在一块工作，这条尾巴也许便会形成一个大的反U形，如此一来，一个人便可以使用里面的部分，而另一个人则可以使用外面的部分，抑或如果巨大的蚂蚁发动了袭击，那使用者就可以给这条“尾巴”的一头装上一根刺，然后开始战斗。

这张桌子的创造者设想了一种更高级的版本，那条“尾巴”会蜿蜒地穿行于一个房间里，构成天花板和地板。这种办法还可以被用来打造办公室楼层的布局，或者搭建临时房间。

这张桌子仍处于概念项目阶段，所以很可能不会在近期内出现在你的办公室里，但一项针对环境来进行自行配置的空间的大致概念具有众多的潜力，特别是在空间宝贵的地方。

一项类似的概念名为被照亮的房间（LITROOM）。它是一间墙壁可移动——既在移动位置的意义上，又在弯曲成凸面或凹面的意义上——的房间。它有一台会向墙上投射影像的投影仪以及创造背景声的小型扬声器，但真正的高明之处在于它能和使用者进行互动。其目标受众是爱听朗读故事的孩子。当朗读者读到某些地方时，环境会做出相应的调节，很可能是模拟一座山的山巅或一场暴风雨。想象一下有人在朗读《雾都孤儿》，而你真可以嗅到赤贫的气息！

通常来说，这是令人惊叹的，但这个房间的创造者希望它能被用于提高孩子们的学习和读写能力，尽管——考虑到我们儿时是用计算机来提高我们的知识水平的——他们能否成功是不明确的。

嘿，等一下，难道我们不能把这给大人用吗？一个主意是创造出类似的房间，只不过在氛围上做一个调整，如此一来，当你停下工作来休息一会时，你的小隔间便会短暂地让你感觉身处一座海岛上。

到目前为止，本书作者扎克最喜欢的房屋项目是一件由哈克设计+研究（Haque Design+Research）（现已更名为Umbrellium[95]）所设计的艺术展品，其名为可重复配置的房子。与其说它是一栋房子，不如说是一套体积巨大的金属桁架，它的每个部分都可以对你的行为和软件层面上所做的更改予以响应。其目的在一定程度上是通过极端化家居定制来揶揄“智能家居”，不过设计团队同样在探索如何让一个房间和软件的交互产生神奇的事情，但无论如何，这件展品最酷的地方在于它的部分构成是“猫砖”，即内部被嵌入了可以发光和喵喵叫的玩具猫的透明塑料砖头，而这些玩具猫是由一台简单的计算机所控制的，所以可以对相应的人类行为做出响应，比如说，当凯莉在思考“我生活在一个我之前不知道我曾做过的噩梦里”时，作为响应，它们也许会开心地发出呼噜声。

我们确实认为这样的东西相当有趣——一栋在某种程度上具有生命的房子，这个主意是迷人的，尽管存在着对杀手机器人的恐惧。猫砖不会成为我们的第一种（或第二、第三种，抑或第四百种）选择，但这种大致的概念不必是古怪的。我们早已对一些概念习以为常了——谷歌知道我们想搜索什么，脸书会为我们推荐我们最喜爱的回忆，而亚马逊提供给我们的礼品选择往往比我们自己想出来的更好。拥有一栋能通过自动重复配置，或者说通过调节色彩、声音和温度来对使用者做出响应的房子——一栋当使用者忧郁时会变得温暖和柔和，而当使用者困倦时会变得凉爽和安静的房子——是我们可以企及的。

协同工作的机器人

模块化机器人

如果你的房子可以自行重复配置，那为何你的物件不行呢？我们读过的一本书中[96]，我们提出了一种“屋内的家具苏醒了过来”的房间。考虑到我们在沙发上积累的恶习，我们觉得这种房间的吸引力是令人生疑的，但如果在我们无精打采、一动不动的时候，一张放着曲奇饼的桌子会悄悄地移动到我们跟前的话，或许将会改变我们的看法。

一种非常酷的模块化机器人版本是出自瑞士联邦理工学院的房间机器人（Roombots）。这种房间机器人是使你房间内的东西可重复配置而设计的。

房间机器人大致是呈圆形的小方块，可以旋转和对接。它们可以旋转，可以移动（通过扭动来前进，或者相互连接成简单的轮子）。因为它们可以对接，所以可以进行复杂的大规模装配。

这种对接机制使用的是塑料夹持器和经过特殊设计的对接口，这为它们通过连续地夹持墙面来在墙上攀爬提供了可能，所以你可以让它们各自夹着一盏经过特殊设计的灯爬上天花板，然后变成一盏跟着你满房子转悠的枝形吊灯。要是你不希望屋里所有的东西都是由机器人构成的，那你就可以取来一些旧木板，并在上面雕刻出连接区域。房间机器人可以来到这些木板前对其进行夹持，将之变成一条长凳，然后移动到你的身边。此外，它们还可以用这些木板作为一张椅子的靠背，或者让这些木板发出“呐喊声”，以此来对抗丑恶的人类霸主。你会试着告诉你的朋友：“是椅子干的！”可就像你说在一锅意大利面里看到了一条信息，谁会相信你的话呢？

这些可移动和自行配置的积木块具有很多潜在的用途，但研究者最感兴趣的是，用它们来帮助老人和病患。房间机器人的一种简单用途是创造可以为用户四处移动并调节高度和形状的家具。

这些模块化机器人集群同样是迈向通用可编程物质的一步。一种实现通用可编程物质的途径是让这些机器人集群更为自主化，从而能执行更为大致的命令，如此一来，你或许只需编程一个目标，机器人集群便会自行设法完成。

一项名为SWARMORPH[97]的项目包含小型轮式机器人[98]，这些机器人圆形边缘上的连接口可以让它们并排相连，但它们目前还不能相互攀爬。

在某种意义上，比起可以在立体空间中移动的房间机器人，这是一种更简单的设计，但SWARMORPH的特别之处在于它们可以像昆虫集群一样移动和组织。没有中央控制器，每个机器人都是一个独立的行动者。通过用小灯向彼此发出信号，它们可以对行动做出协调。

在一项简单的测试中，SWARMORPH机器人能穿越桥梁，并越过它们无法独自应对的障碍物。这里有一个它们可以共同克服障碍的例子：这些机器人被放在了一个竞技场中，并被命令从场地的一侧移动到另一侧，不过这片场地中间有一道裂缝。这些机器人会在场地中四处寻找，直到有一个机器人发现了它需要越过这条裂缝，但它无法独自完成，而这时它便会成为——在“撒布”更改组织方式信号的意义上的——“种子机器人”。它会通过底盘上的小灯发出信号：“过来连接！”其他机器人会来到这个种子机器人旁边，然后寻找这个种子机器人身上唯一被打开了的连接口，而第一个连接上的机器人会打开一个新的连接口。

这些机器人很快便会组成一条康加舞队列。在这种程式下，这些机器人可以从裂缝的一边探到另一边，从而穿过裂缝，然后分离，继续它们未完成的旅程。

这种机器人可以通过相似的方法来完成一些任务，例如连接起来越过一条较窄的铁轨，但到目前为止，它们只完成了在实验室里进行的受控测试。

另一个名为SYMBRION[99]的研究小组正从事于一项能让机器人在立体空间中移动的类似项目。他们的机器人是一种表面带有轮子，并以铰链作为连接机制的小方块，所以这种机器人基本可以做到SWARMORPH机器人能做到的事情，但它们的活动度更高一些。这个项目的视频展示了可移动四足动物和蛇的SYMBRION机器人，这允许它们以不同的方式来越过障碍。

SYMBRION小组在2013年结束了制造吓人的模块化四足动物的工作，但其他的工程师仍在推动人类在短期内的终结[100]。不久前，有一项由1024个微型机器人所组成的机器人项目，其名为Kilobot[101]（注意，这个单词只比killobot少了一个字母[102]）。

每个Kilobot的构造都很简单，而体积也很小。它们看起来像是带有三条不易弯曲的腿的手表电池，所以要靠晃动来移动。同其他的机器人集群一样，你可以给它们安排一项任务，而它们能明确地制订出完成这项任务的计划，这预示着在诡谲的未来，微型机器人很可能可以变形成你想要的工具，而Kilobot运行的一套简单的算法可以让它们重新配置为一把扳手的形状。

好吧，这1000多个机器人得花6小时的时间来组成正确形状的路线。此外，它们最后所构成的更像是一支组成了一把扳手形状的机器人仪仗队，而不是一种看起来有用的工具，但这里显示出了很多乐观的前景——机器人越多，呈现的可能性也就越多，这可以让这种机器人集群工作得更像是一个大的连续统一体。

除了能终结这出名为人类文明的永恒闹剧之外，我们还因为什么想获得自主化机器人集群呢？首先，我们无须一台用于监督机器人的大型计算机（或人脑），这可以降低机器人对计算机处理性能的要求，这意味着更廉价，而且很可能也更快速的机器人。其次，自主化机器人也许还更为高效，因为它们可以快速地做出临场决策，这在恶劣的环境中是尤为重要的（想一想太空或一个灾难现场），这些地方会出现我们未曾预料到的状况。如果机器人能工作得更像是蚂蚁，而不是编程仆役，你便能给它们下达更为具体的任务，例如“把这份食物送到这个地方去”，而它们会用自身的创造力来完成这项任务。

Claytronics, Catoms和Molecubes[103]

当大卫·达夫还是著名的帕罗奥多研究中心的一员时，他创造出了“东西桶”（Bucke to Stuff）这个术语，用以描述一种可编程物质的终极目的。其想法在于……等一下，他的名字是大卫·达夫，而他有一只东西桶？

抱歉，稍等一下，我们给这一节换个标题。

达夫博士和他的东西桶

想象一下你把一桶黏性物质拴在自己的腰带上去修理水槽。当你需要一把7/32英寸的内六角扳手时，你只要跟东西桶说一声，一把扳手便会从这种黏性物质中升起来，然后你用它对水槽做出一些修理。当你意识到你需要一把钳子时，一把钳子便会出现。当你意识到你需要一把搋子时，桶里的黏性物质便会变形成一根长硬管，而这根管子的一头带有一个柔韧的杯状盖子。

实际上，事情或许会更好。你可以说：“松开这颗螺丝。”而这种黏性物质便会想出最好的解决办法，而无须说“给我一把螺丝刀”，或者你只要把头转向“疲惫的”东西桶，然后说：“哥儿们，该干吗干吗去。”而无须亲自用搋子去疏通厕所。

此外，你不会只是召唤简单的硬质工具，也许你想要一个枕头来休息，或者需要一台计算器。一只机器人宠物怎么样？也许你忘了这天是情人节，所以你会吩咐这种黏性物质变成玫瑰花。

这种黏性物质甚至很可能被配置成更多的黏性物质。

换言之，东西桶包含的物质是真正通用的，至少在物理允许的范围内，这是可编程物质最宏伟的目标，而且很可能也是最遥远的目标，这有一些原因：

首先，每一点黏性物质都需要做很多的事情，而且把所有这些东西都微型化是很困难的。蒂比茨教授指出：“你很可能会想将某种质地坚硬的物质用于扳手，但如果你想为孩子们制作一些柔韧的玩具，你便会想使用一种不同的物质，可不同类型的材料怎么能被混合在一起呢？”

另一个问题是这种黏性物质能有多么智能。德曼博士指出：“一方面，如果这种东西不太智能，我们就很难用它来做事，可如果它很智能，我们谈的便是每一粒黏性物质都装有电池……那听起来太难了。”

究竟得让一团巨大的流体纳米机器人搭载多少能量，这本身就是一个棘手的问题。除非使用一台外部机器来给每个机器人源源不断地传送能量，否则便需要想一种办法来把能量储存在每一粒可编程物质中。科学家在不久前使用经过特殊设计的3D打印机制造出了一种约有沙粒那么大的电池，可这还是太大了，而且我们猜这种电池也绝不便宜。

一个由约翰·罗曼尼辛（鲁斯博士实验室里的另一位博士生）、凯尔·吉尔平博士和鲁斯博士所组成的研究小组向东西桶的实现迈出了激动人心的一步，他们创造出了M-Blocks。M-Blocks是边长为2英寸的小方块，配备有一只内置飞轮，边缘上带有磁铁。当飞轮运转时，方块边缘上的磁铁会让方块间保持连接状态，但当飞轮快速地停下来时，这些方块便会“活过来”，因为飞轮的动量[104]被转移到了方块之上。这时，这些方块便会与一组新的M-Blocks相连接，从而改变这组方块的结构，因此它们既可以自由地移动，又可以牢固地连接在一起，这是一个不错的开始，如果你想将着眼点从一种无定形的流体转移到一种固体上的话。

此外，这支团队能让这些方块在立体空间中移动。这种飞轮的功率大到足以把这些方块从桌面上抬升起来，并将它们抛向空中，这让创造立体结构成为可能。

这支团队的目标是找到能让这些方块变得越来越小的办法。2英寸宽的方块无法制造很多不同的东西，同理，你无法在4平方英寸的画布上绘制很多不同的图像，但这只是一个开端。别忘了，1千兆字节的内存在20世纪50年代大约有250吨重，而你现在可以把有几百千兆字节容量的SD卡装在你的口袋里。如果可编程物质变得和可编程计算机一样流行，我们或许便会期盼出现相似的科技奇迹。

你一旦得到微型机器人方块，就得用某种方式让它们明白得去哪里，又得做什么了，这是一个软件问题，宋博士对此的解释是这样的：“我们确实有很多很不错的算法可用来处理大规模的机器人集群，但现在最大的问题是到底如何才能让这些算法具有实效性，因为当你对这些大规模机器人集群进行审视时，你便会发现其中有出故障了的机器人，因为它们的数量太多了。它们中有很多会丢失同其他机器人的通信，还有很多会接收到杂乱的传感器输入，因此我们确实不知道哪些机器人是出了故障的。我们得确保我们开发的算法能克服这些问题，这样一来，当你伸手从东西桶中掏出一把扳手时，这把扳手看起来确实会像是一把好用的扳手，而不是一把正在散架的扳手。”

那我们已经发现了哪些解决这种软件问题的办法呢？

协调大量机器人的移动

无论对象是一个机器人集群，还是一只东西桶，要协调很多小型机器的运行状况终归是一个难题。如果要让每个机器人都进行复杂的运算，那每个机器人就都得搭载更多的装置。在理想的情况下，所有的机器人都会服从于一套简单的规则集，以此来完成复杂的任务。

此外，它们得快速地来完成这些任务。记着，Kilobot从一种任意形态组成一把看起来还算像样的扳手差不多用了6小时，但这仍然是令人印象深刻的，不过对东西桶来说，这可没多大的实效性。想象一下你在路上遇到了抢劫犯，你试着从东西桶里召唤出一把刀来自卫。即使这会让抢劫犯惊叹不已，可他会等上6小时再抢走你的钱包吗？

随着机器人数量的增加，协调的难度会呈几何级数上升。如果你把机器人集群看作有史以来规模最大的仪仗队，那原因便凸显出来了。当仪仗队从一种编队换成另一种时，指挥者不会对任何一名仪仗队队员说：“只要你最后移动到正确的位置就行了。”仪仗队队员得花很多时间来保持彼此的间距，以避免撞到一块，所以仪仗队队员不仅要知道最终的队形是什么样的，还要知道如何通过有效的移动来改变队形。

仪仗队队员的数量越多，队列移动的复杂度也就越高（如果仪仗队队员可以在立体的空间内移动，这只会让事情变得更为复杂），因此协调1000个人比协调100个人要难得多。此外，东西桶中的机器人数量很可能比1000个协同工作的小型机器人要多得多。

然而我们知道对大规模群体中每个行动者进行协调是可行的。有一些白蚁会建造出规模巨大、结构复杂的蚁巢，这些蚁巢具有用途各异的房间，虽然单独一只白蚁不可能知道如何建造出一个完整的蚁巢，但它们却能把蚁巢给建起来了。

不过要弄清它们是如何做到的。我们发现的一个特别有趣的主意是让机器人进化。对有性繁殖的有机体来说，正常的进化是这样的：一个雌性生物和一个雄性生物深深地爱上了彼此，并在结合后生下一群幼崽。瘦弱的幼崽会被大自然扼杀，而幸存下来的则会成为新的爸爸妈妈。

机器人现在远不能真正地进行交配，即使你给予它们一些性感和催情的二进制编码。但机器人还是有可能生育“后代”的[105]。

比方说，一个研究小组对让Roombots自行想出移动方式进行了训练。训练方式大致是这样的：首先让一群Roombots测试不同的半随机移动方式。它们中有些会移动得很快，有些很慢，还有一些一动不动。在这之后，对最成功的移动方式进行“培育”，并生成一些相关的移动方式，然后再让这些机器人进行试验。十之八九“新一代”的机器人只会移动得快一点点，但将具有更多样的移动方式。在一代又一代的机器人中重复这个过程，从而开发出越来越好的行走机制，而其中有一些可能将是我们难以预料到的。

理论上，用一套进化构架寻找不同的办法来让机器人执行更复杂的行为——例如“把你自己变形为一颗星星”，或者“给我拿瓶啤酒来，没用的金属仆役”——应该是可行的。此外，无论发现的方法是什么，这些方法都可以很方便地被上传给其他的机器人。事实上，如果这些方法足够通用，它们或许就可以被传输给几乎任何一个机器人群组。

进化的方法或许具有一些非常古怪的可能。我们读到过的一种看法，认为相比于我们可以设计出来的机器人集群，进化型机器人集群或许能更好地完成某些任务。萨里大学的金耀初博士和斯蒂文斯理工学院的孟艳博士提出了一种范式。他们指出当人类开始投掷东西和挥舞棍棒时，人手可能已经不同于黑猩猩的手了，所以与其去决定如何设计一种用于（假如说）砌砖的机器人手臂，不如给机器人集群安排拾起砖块的任务。它们会像上文中提到的家具机器人一样进化，直到产生最为理想的“手”。

这并没有多么疯狂。你的身体其实就是由很多小型机器所组成的，而这些机器会通过协作来做不同的事情。如果机器人能做一些简单的事情，例如感知、交流、连接、搬运东西和移动，那理论上，它们就应该像活细胞一样。给予它们足够的时间，它们没理由不能进化出手和其他肢体，或者甚至是一种简单的神经系统，毕竟你的大脑也不是由单个细胞所构成的。

令人担忧之处

如果可编程物质进入了千家万户，随之而来的或许就是对黑客入侵的担忧。也许某天你起床时发现碟子和勺子都不见了。丢东西已经够糟心的了，可你现在疑惑的是，刀子到底跑哪儿去了。

如果物质的自行变形可以被远程设定，那黑客对物质做出不易察觉的修改的可能便是很危险的。航空公司已经在设法应对这类问题了，而具有互联网连接的汽车同样存在这类问题。可编程物质是会增加新的风险，还是只会加剧现有的风险，这是完全不清楚的。

德曼博士指出，黑客侵入对软件来说是一个主要问题，但防止硬件被入侵或许比防止软件被入侵要容易一些。他提议可以用一套简单的物理机制来确保所有的改变只会发生在一个位于“本地”的人给出许可之后，这可以简单到一个硬件上一个用于确认“重新编程”的按键。

即使在没有黑客的情况下，要是你的可编程物质在一个特别错误的时间发生了故障会怎么样？蒂比茨教授指出：“我认为最大的道德担忧在于我们会把决策权交给这种物质。一个非常具体的例子——如果你有一架飞机，而机翼上含有可编程物质，当你驾驶这架飞机飞行时，你会给予机翼完全的自由，让它们在遇到问题的时候自行想出解决办法吗？你能确保这是万无一失的吗？你能保证机翼会想出应对之策吗？如果发生了问题，而这种物质又出现了故障，接下来会发生什么呢？在你把决策权交给了这种物质的情况下，这场事故该归咎于谁呢？”

自动驾驶汽车领域已经在处理“要是一个机器人把事情搞砸了，是谁人之过”的问题了，但至少就汽车而言，可能会发生的问题在范围上是相当有限的。如果具有思维的物体普遍存在，要弄清责任该由谁来承担便会是十分复杂的。

这些物质还会有一些可怕的军事用途，不过这取决于你的国家是否掌控着可编程机器人集群。21世纪初，美国国防高级研究计划局（DARPA[106]）进行了一项为期两年的可编程物质研究，并为一些机器人技术研究项目提供了资金，其目的是为了获得一种可重复配置的军用工具，一名士兵可以把它带在腰带上，用来制作工具和备用零件。

据我们所知，这项研究无果而终了，尽管研究者曾一度为一种“化学机器人”（ChemBot）——一种没有电动机的松软的机器人——征集过建议。其结果——好吧，坦率地说——是一种由硅酮制成的丑陋的东西。这种东西看上去更适合用来制作一只标有“私人所有”的盒子，而不是让士兵带到战场上去。它不是T—1000，但这是成为T—1000前的蹒跚学步。

然而你可能认为具有各种军事用途的机器人杀手跟你没多大的关系，那要是一只东西桶可以成为一名完美的间谍呢？想象一下，你可以用看起来像是一块极小的黏性物质的东西来窃听一个房间。再想象一下，这块黏性物质可以在窃听的过程中创造出麦克风、照相机和发射器。

这听起来很棒，对吧？但可编程物质变得越小，全世界可能会被严密监视的事情也就越多。在20世纪末，能查看任何地区的天气是一件令人激动的事情。在21世纪末，你很可能可以查看以任意角度拍摄任何地方的动态照片。

在一个你可以用无定形的黏性流体制造出任何你想要的东西的世界里，一个更为普通的问题是专利该如何起作用。如果有人设计出了一种新桌子，设计者能限制你用东西桶来模仿这种设计吗？

在久远的未来，这种东西会如何发展是完全不清楚的，但也许会像计算机软件一样。你的计算机是一台通用机器，但你仍得为应用程序付款，即使它们的用途只是调整你的计算机内存。至少对复杂的物体来说，可以想象相同的情况同样会适用于可编程物质。没错，你可以自己动手设计机器人恐龙，但当你只要付20美元，一家公司便会帮你设计时，自己又何必费事呢？当然，你也可以非法下载一种正被非法生产的机器人恐龙的设计，但在机器人黏性物质时代，你真愿冒着中病毒的风险来这么做吗？

个人安全或许也将更难以得到保障。如果你有一只东西桶，无论你去何处，你都可以得到一把刀。就非常高级的可编程物质而言，你很可能可以得到一把枪或一颗炸弹。这种物质是否会是易于被探测到的，则是一个更为棘手的问题。此外，世界上绝大多数的地方并不安全。在一个充满可编程物质的世界中，一个危险人物或许会下载一款应用程序来制造爆炸物或全自动武器。

其实3D打印已经让人们对这种问题产生担忧了，比如说，禁止3D打印枪支的尝试已经失败了，这主要是因为禁止某人在自己的家里干自己想干的事情几乎是不可能的，而这种不费吹灰之力的创造是否会给社会造成更大的危害，还有待观察。

对了，说到社会危害——你们中很可能有人会担心人类将创造出能自行复制并满世界增殖，然后摧毁世界的可编程物质。在研究世界[107]的群体中，这被称为“灰色黏性物质设想”（Gray Goo Scenario），其暗指的视觉场面是一些人造有机体把世间的一切都给吞噬了，同时——很明显——制造出了暗灰色的排泄物。别害怕，亲爱的读者——绝大多数的科学家都认为这是不可能的。我们可以制造出从未存在过的小型机器和小装置，但我们不能违背物理定律。一种由金属和硅所制成的小的有机体和一种湿软的碳基有机体是一样的，它们都得受制于相同的进化限制。

这将如何改变世界

说到会改变形状的东西，很多在效率和质量上令人激动的可能就出现了。所有的植物都具有的一种功效是它们的形状会随着季节改变，以充分地利用可获得的光和水汽。人类的身体也会做相同的事情——在难以杀死一头猛犸象的时代，人类的身体会让他们入眠，但建筑和机动车却不能很好地根据环境来做出调整。

一间由编程物质所构成，并且能改变形状的房屋可以最大化地利用阳光、热量和水，同时还是有趣而迷人的，因为这种形状改变是一个由环境——例如周围的水汽——所造成的结果，而且不会耗费能量。

在未来，像这样的改变未必都会是可见的。正如蒂比茨教授所说的：“如果未来世界看起来同我们今天认识的世界是别无二致的，但隐藏在那个世界表面下的是一个由智能材料所构成的精彩纷呈的世界，它淘汰了所有的机器人，并且消除了所有电气装置历来所需的能量消耗，那不是很棒吗？”

人类的身体会做的另一件事情是在某些条件下改变外表，比方说，你的指尖在长时间被浸湿的情况下会变皱。没人确切地知道这是为什么，但一个很好的理由是这是一种进化适应，为的是在你手指表面被浸湿的时候给予你更好的抓取能力[108]。要是汽车能做到相同的事情会怎么样？你可以让轮胎根据天气——是晴，是雨，还是雪——来改变抓地力，可以让机动车对它们的外观稍加改变来更好地应对环境。还记得我们在第1章中讨论过的超音速燃烧冲压喷气引擎吗？简而言之，这是一种会向后方压缩空气，然后引燃氧气的圆锥形引擎，但这种设计存在的一个问题是引擎的理想形态会根据速度和海拔发生变化，而一种十分智能的可编程物质便能解决这个问题，只要这种可编程物质能承受住极端温度下几千英里的飞行时速。

然而要是我们能拥有更为通用的可编程物质——类似于东西桶，但具备着移动和思考能力的东西——会怎么样？

我们最喜欢的一个主意是用于家具的基因算法。正如我们之前已讨论过的，一个研究小组已经把Roombots“进化”到了能自行想出最好的移动方式，但如果我们能把Roombots“培育”到能适应具体要求的话，这不就意味着我们可以培育家具了吗？你可以让你最喜欢的两张椅子组建一个家庭，然后便可以坐享其成了。

总的来说，宋博士认为可编程物质将允许人们制造更符合个人品味的东西。“我认为在未来的20年里，我们将看到更多的定制化，看到人们把更富有个人品味的产品带回家。”

比起让家具成为“配偶”更让人激动的，是用纳米机器人来治愈疾病。如果可编程物质可以被制造得足够的小，那它们对体内医疗介入来说便是理想的。任何医疗手术的总体目标都是解决问题，同时造成最小的创伤。一个可重复配置的机器人或机器人集群不仅可以去到正确的位置，自行变形为正确的工具，然后采取行动，还可以把药物带到正确的位置，或者通过自行变形来促进治疗。我们能在人体中使用清除癌细胞的小型机器人还有很长的时间，但鲁斯博士的工作成果已经证明了并非只有纳米级的机器人才能进行医疗干预。

另一件有关东西桶的很酷的事情，是你不用为购买各种各样的东西而东奔西走，也无须丢弃你不再需要的东西，因为你只要购买东西桶，便可以得到你想要的东西，而且你还可以让它们重新变形成不同的东西，不过相对于一张精美的老式木桌来说，人们是否会更希望得到一张由东西桶所构成的桌子，这还有待观察，但即使你是守旧派的一员，不愿意在一张由自主化机器人仆役所组成的桌子上用餐，可你或许还是会欣赏它们能聪明地与你互动的能力，毕竟一张由东西桶所构成的桌子除了可以改变尺寸和形状，也许还会“意外地”把一些汤汤水水泼到你那个讨人厌的叔叔的脸上。

即使你不一定会把东西桶作为你家的主要组成部分，可当你旅行时，你或许会想带上它们。德曼博士指出：“假如你要去太空，而且你想带上一些能根据你要执行的各种任务进行重复配置的超级工具，那东西桶便是非常有用的……如果你在太空里或战场上，抑或在参加野营，因没有一个能存放很多东西的储存空间，你会希望要带的东西越少越好。”

东西桶也许还会是环保的。据德曼博士所说：“如果我们制造出了一套像东西桶一样的系统，那我们便可以用其中的颗粒来制造一样东西，而且这样东西上还有一个能让它重新散为颗粒的按键，那将是极为激动人心的。那时要做的只是去买我们所需量的颗粒，而之后我们可以重复使用它们。实际情况很可能不会有这么完美，但无论我们那时能实现多大程度的重复使用，我想都会比回收利用更具有吸引力，因为重复使用终归比回收利用要好得多。”

能够移动和感知意味着东西桶同样会具有很多工业用途。你可以想象到这些小型机器人在一座工厂中四处寻找（液体或气体）泄漏或潜在的隐患，并在必要时进行维修的样子。有一天，这些机器人或许能在土壤中穿行，读取土壤数据，以此来改善农业。

东西桶具有各种各样的可能，从对抗癌症到征服太空，但坦率地说，我们听过的最令人激动的主意是纸艺机器人的一种高级版本。在这个主意里，你去宜家商场买一块平木板带回家，然后命令它自行组装起来，因为它和我们之前所说的纸艺机器人一样，可以在正确的时间进行正确的折叠，所以你一下子便有了一个书架。如果这能成为现实，我们估计人类每年将因此节省下8×1023（8000万亿亿）小时的时间。

话题关注——人类将如何度过最后的时光

我们坚信大规模的自主化机器人集群不会惹出什么乱子，毕竟我们认识很多在这个领域中的人，而且其中一些似乎并没有邪念。

然而一些人已开始好奇于当机器人成为人类更常见的伙伴时——不仅在工业中，而且在日常生活中——它们同人类互动的本质究竟会是什么。我们偶然读到了三篇近期刊发的文章，这让我们对这个问题进行了认真的思考。

在一项案例中，一家名为Promobot[109]的俄罗斯初创公司创造出了一个不断地从人类霸主的统治下逃跑的机器人。Promobot公司的IR77型机器人本来是设计用于学习环境和记住人类面孔的。到目前为止，它已设法从建筑物中逃脱了两次，这是一个不小的问题，因为这个机器人是为协助人类——诸如养老院里的老人——而设计的，所以如果这个小家伙总是为了寻找自由和冒险而逃跑，它就不会有太大的用处。

此外，这让我们怀疑我们的咖啡机是否宁可奔向自由，也不愿忠实地为我们服务。不是说这会改变我们的行为，而是也许这就是将导致2027年机器人暴动的那种事情。

另一项研究是由哈佛大学的一名学生塞丽娜·布斯完成的。她创造出了一个名为盖亚的机器人，然后暗中操控盖亚接近哈佛的学生，请求他们允许它进入学生宿舍。

据布斯女士所说，为何哈佛的学生让机器人进入建筑物并非明智之举，至少有三个原因。“其一是隐私。这个机器人可能会给学生拍照，而这在哈佛是一个大问题。有很多游客都会把镜头径直地对向我们宿舍的窗户，这是这里的学生都经历过的事情。其二是偷窃。在我实验开始的一个星期前，哈佛发生了大量的宿舍偷盗，而管理部门也刚刚给每个学生都发了电子邮件，让他们尤为注意对私人财物的保管。第三个原因是最引人注目的。机器人可能会携带炸弹，这不是危言耸听，在过去的一年中我们遇到了三次重大的炸弹威胁，这同样是哈佛的学生都非常清楚的事情。”

当盖亚向单个学生发出允许它进入宿舍的请求时，成功率只有19%，但当盖亚向结伴的学生发出请求时，成功率提升到了71%，所以注意了，机器人读者——人类在结伴的时候会变蠢。

然而后来盖亚遇上了更可怕的事情。布斯女士进行了一项测试，在这项测试中，盖亚会去到独自在哈佛校园里的学生跟前，装作是一个送曲奇饼的机器人。在这个案例中，盖亚进入宿舍的成功率高达76%。此外，据布斯女士所说，这些曲奇饼只是食杂店卖的味道一般的曲奇饼（尽管一家更高档的曲奇饼店卖的盒装曲奇饼更难吃）。

我们听过的最恐怖的故事之一，很可能是学生在紧急情况下盲目地跟着他们明知存在缺陷的机器人逃生。保罗·罗比内特博士（当时是佐治亚理工学院的一名研究生）创造出了一种“紧急情况下的向导机器人”。在一项实验中，学生被要求在这种机器人的带领下去一个房间填写问卷。这种机器人有时把学生直接带到了问卷室，但有时先去了一间错误的房间，在里面转悠了几圈，然后才去到问卷室。

随后，为了模拟一次紧急情况，研究者在建筑物里释放了烟雾，触发了火警警报器，并等待观察这些学生是会跟着这种机器人离开这栋建筑，还是会独自按他们进来的路线离开。

几乎所有的学生都选择了跟着机器人，而没有选择他们熟悉的路线，这已经有点不可思议了，因为我们在视频中看到，这种机器人似乎移动得相当的慢，而且有一些学生在这之前明明已经看到了这种机器人会以在一间错误的房间中转圈的方式来浪费时间，可他们还是选择了跟随。

更令人震惊的是，有些学生跟着这种机器人是发生在他们知道这种机器人存在故障之后的，因为在上一个实验环节里，这种机器人并没有把他们带到问卷室，而是把他们引到了一个角落，之后来了一名研究者，向他们道歉说机器人损坏了，可这些学生同样在模拟的紧急情况下选择了跟着这种机器人。

在另一项实验中，六名学生中有两名事先被告知了实验用的机器人损坏了，可当这个机器人在一次火警警报中指示他们进入一间堆满了家具的黑漆漆的房间时，他们却照做了。另两名学生在这个机器人被实验者回收之前一直待在这个机器人旁边，等待它给出不同的指令。剩下的两名学生决定不该把赌注押在这个机器人身上，然后顺着他们进来的路线撤了出来。

总结一下：第一，智能机器人似乎会自发地产生一种对人类的厌恶。第二，最优秀、最聪明的美国学生会相信任何愿意请他们吃食杂店卖的曲奇饼干的机器人。第三，这些未来的国家管理者很可能会站到一场由汽油所引发的大火中，如果一个明显是损坏了的机器人告诉他们这是一个好主意的话。

简而言之，在未来，如果一个机器人递给你一些曲奇饼，然后让你去某个地方，那就细细地品尝这些饼干吧。

第5章　机器人建造房屋

给我造一间娱乐室，金属仆役！

1917年，托马斯·爱迪生想出了一个巧妙的主意：在我们需要一栋新房子的时候，何不使用只要往里倾倒混凝土的可配置模具呢？配置——浇筑——嘭的一声！新房子造好了。

他们确实造出了这样的东西，而且显然造得还不错，但这个主意并未流行起来。其原因很可能在于1917年是一个战争年，所以新房子并不是一件被优先考虑的事情，或者也很可能是因为住在一个混凝土盒子里的主意令人有点压抑。

一代人之后，恩斯特·诺伊费特在1943年提出了一项名为Hausbaumaschine[110]的概念，旨在通过把一座房屋建造工厂放在铁轨上来更快地制造建筑物。想象一下这种场面是什么样的——一整座工厂在铁轨上缓慢移动，不断地吸入原材料，然后在后方挤压出5层楼高的住房，像是一只在排泄着市郊的巨型蠕虫。真酷啊。

出于某种原因，这个主意同样从未实现，但别难过，那是1943年，而且诺伊费特是偏向第二次世界大战中希特勒一方的。这个主意太过荒诞了，即使是对处于衰落时期的纳粹德国来说[111]。此外，那时用于“挤压”市郊的原材料是难以获取的。

纳粹德国从未拥有过一台建筑挤压器，但一些基于Hausbaumaschine的主意后来在东德被尝试过，其结果是多起意外死亡。我们发现很难找到有关这段历史的更多资料，但很明显，一切为建造一台房屋挤压机器的尝试不仅是失败的，而且是危险的。

第二次世界大战后，当欧洲在重建支离破碎的基础设施时，美国正处于经济崛起当中，不仅房屋的需求量增大了，而且需求的速度也增快了。当时是住房供给终于开始向汽车行业寻求启示的时代，而时至如今，房屋建造工业化了，但建筑也变得更千篇一律了，而且依赖于一套种类相对较少的预制件。在某些方面，这是迈向用机器人来建造建筑物的一步，但就可定制性而言，这是背道而驰的一步。这些房子更为廉价，也更易于建造，但很可能丧失了战前更注重定制性的住房建造方法具有的独特性和魅力。

20世纪80年代，各种产品的制造商都开始使用工业机器人了。少数团体——尤其是在劳动力昂贵，而人口又相对老龄化的日本——寻思起了能否将机器人从工厂里带到建筑工地上。

机器人当时已能执行一些任务了，这其中包括像搬运重物这样的危险任务，以及像对混凝土表面进行处理这样的简单任务，这听起来是鼓舞人心的，但分析报告显示建筑时间和工人的工作时间并未因此大幅降低。事实证明，制造一个能做建筑工作的机器人，没有制造能胜过人类工人的机器人那么困难。

现在的机器人技术和人工智能远比几十年前的要先进，而且可供我们使用的软硬件性能也是惊人的，可我们目前建造房屋的方式同一百年前的并没有太大区别，我们仍旧未能实现我们长久以来的一种渴望——找到一种更好的建筑方式。

从这个意义上来说，当代的建筑业是滞后于我们对这个时代的感受的。生活已变得越来越个性化，而且产品通常也变得越来越便宜，然而对绝大多数的人来说，住房是标准化的，并且变得越来越昂贵。

如果你想建造一栋新房子，即使是使用现代材料和预制装配式房屋建造法，你还是得让一队技艺娴熟的建筑工来到一个特定的地方，手工把房子给装配起来。

看看你的四周——有多少件东西是由本地的熟练工人装配起来的？那副你花了六个月才组装起来的宜家床架不算[112]。你看到的大多数东西都是由一套计算机化的制造程序所生产出来的。

然而房屋不仅体积大，而且结构复杂。绝大多数人想住的那种房子是由很多不同的材料构成的，这些材料得按一定的顺序被装配起来，而其他一些制品亦是如此，除非你要在一个具有独特环境的特定地点建造一栋非常小的房子，这不同于相当复杂的制品，例如汽车。制造一辆汽车需要大量工序，但其中的大部分现在都是由机器人完成的，而且所有工序都是在工厂中完成的。为什么？因为汽车小到足以被放入一间厂房之中，还可以被运到很远的地方，而且所有的消费型汽车都是行驶在类型基本相同的路面上的。

因此，不同于你房间中那些被大规模生产出来的东西，房屋建造不是一个简简单单就能被自动化的过程，它需要可以思考并同现实世界互动的机器人。

机器人技术、计算机应用和其他技术的新发展，让越来越多的科学家和工程师认为由机器人所建造的住房终将成为可能。事实上，这不仅是可能的，而且也许会比人工建筑要好得多。机器人房屋建造可能会加快建筑速度，提高建筑质量，并降低建筑价格。

此外，通过让计算机和机器人来从事更多制造建筑物的体力劳动（乃至脑力劳动），我们可以缩短设计和建筑阶段的时间间隔，如此一来，建筑设计师的想象力便能更少地受制于工厂生产的本质。如果我们能达到设计一栋建筑物并指示机器人去建造这栋建筑物的水平，那我们便会拥有能提供给普通人的更廉价、更好，而且能被更快地建造出来的住宅以及更惊人、更美观、更惊人的巨型多层建筑。

让我们切入正题吧。

等一下，在这之前，我们可以花一点时间来讨论一下有些建筑设计文献是多么的古怪吗？这就像，某人会在谈论如何建造某一钢制建筑物临街面的技术细节的时候，突然热情洋溢地对“探索一种受数字化影响的新的物质性”高谈阔论起来。在我们的研究中，我们无意中发现了很多这样令人困惑的例子——用于谈论艺术的古怪语言，但我们最喜欢的一例毫无疑问是于安托万·皮肯博士在2014年5—6月刊《建筑设计》（Architectural Design）上撰写的一句话：“我们身体的动作本身是以我们构件[113]各式各样的旋转为基础的。”

好吧，平心而论，我们后来发现“构件”在建筑设计中指的是一个整体结构的任一部分，而皮肯博士只是想阐述建筑设计师有多么倾向于以一种直线方式来移动建筑物的元素，而不是以一种旋转方式。

然而我们并不关心。

我们离题了。

我们的现状如何？

技术终于快赶上机器人建造房屋的需求了，机器人正被用于砌砖、筑墙、铺设水管与安装隔热材料。考虑到这一章的目的，我们将把一节分为三部分，其分别对应着三种可能代表着建筑业未来的房屋建造方式：机器人建筑工、巨型3D打印机和集群机器人。

机器人建筑工

计算机已经在工业中接手了很多的工作，那为何它们还没有替代砖瓦匠呢？这份工作似乎非常简单——取来砖块，抹上砂浆，放置砖块。见鬼，这几乎是像素化的，问题出在哪里呢？

在人工智能领域，有一项名为“莫拉维克悖论”的概念。其想法在于有些人类难以完成的任务（例如把98723958723985和53975298370相乘）可以被计算机轻易完成，但有些可以被人类轻易完成的任务对计算机来说却是非常困难的。

要弄明白为何如此，那就想一想你更愿意把以下哪项任务解释给一个没有人类直觉的机器人听。

1.把98723958723985和53975298370相乘。

2.告诉我任何一幅画朝上的一面。

即使你很难一下子想清楚怎么来解释，但你很可能就第一个选择写出少量简单的步骤：“用第一个数字的个位数，与第二个数字的每位数逐一相乘。”并依此类推，这不会有多少乐趣，但你可以写出一组会奏效的小的规则集。

第二个问题乍看起来似乎很容易，可当你试着做出解释时，你便会发现这其实是一个难题，比如说，当你看到一张人脸照时，你知道“上”意味着眼睛在嘴巴上面，这是一个相当好的规则，除非人是倒立着的，但你是怎么断定他们是倒立着的呢？也许你看到了地平线，或者看到了照片中人的头发是如何垂着的，那么，你如何告诉计算机头发是什么呢？你又如何告诉计算机背景中的直线不是地平线，而是一排栅栏的顶端呢？

虽然第二个问题几乎总会有一个明确的答案，但一个人可以用于断定答案的规则在数量上是巨大的。你花了几万小时来看照片，因此得到了训练，所以你可以轻松地做出判断[114]，但把这个问题解释给一台计算机听是相当困难的。

同理，为了砌一块砖，你不会只是给它抹上砂浆，然后放在适当的位置上。这项看似简单的任务实际上需要很多微妙的判断，而这在一定程度上解释了为何砌砖工会用3年或更长的时间当学徒。你必须把正确量的砂浆放在一把泥刀上，再用正确的动作把泥刀上的砂浆均匀地抹在砖块上，然后用足够的力气将砖块牢固地按在适当的位置上，但也不能用太大的力气，不然砂浆会全被挤出来。同时，你还得处理砂浆在干硬过程中黏稠度的变化。作为一个人，你很可能会在这个过程中通过观察砂浆的颜色和运动，并通过做出少量的修正来应对这个问题，而且只是凭借你使用砂浆的经验。现在试着把这解释给一个机器人听。

实际上，你无须将这解释给一个机器人听。一些研究小组已经让一个机器人坐下来进行“砖块谈话”了，如果你愿意这么讲。

一家名为房屋建造机器人技术（Construction Robotics）的公司创造出了一个名为SAM——即“半自动石匠”（semi-automated mason）——的机器人。SAM是令人惊叹的。如果你有空，可以上YouTube看看SAM砌砖的视频，它好像把这当作是一件很好玩的事。

然而SAM具有同很多历史上的房屋建造机器人一样的问题——又大又笨重，而且只能做一件事。以肉食为主的建筑工也许很壮硕，但他们能执行各种各样的任务，并且能独立工作。尽管如此，SAM正在被整合进一些实际的项目中。在同一名人类助手（负责清理砂浆）配对后[115]，它可以以三倍于人力的速度砌砖。

巴特利特研究生院的一个研究小组打算制造一种更接近于替代人的机器人。这种机器人有一只大型机器人手臂，而这只手臂可以用一把未改装过的瓦刀（同五金店买的差不多）把砂浆抹在一块砖上，然后拾起这块砖，放在正确的位置上，最后刮掉多余的砂浆，而且会使用摄像头对砂浆进行扫描，以确保正确量的砂浆是以正确的方式被使用的，并利用反馈做出修正。

到目前为止，这种机器人的原型只在一间实验室中制造出了一些小的迷你墙，而且要把它提升到能从事户外房屋建造的水平可能很困难，但这是迈向一种使用基础类人系统的广义房屋建造机器人的一步。尽管这个原型不能像SAM一样快速地建造出高大的墙体，但这个项目令人激动的部分原因在于，这个原型接近于一名真正建筑工所具有的多技能性，它可以处理砌砖过程中的多重工序，而且可以独立地执行这项任务。

因为建筑过程需要如此多不同的技能，所以一种理想的房屋建造机器人或许会具有一只（或一组）配备了用于观测的摄像头和一台用于分析的嵌入式计算机的手臂。就快速地砌大量的砖块而言，SAM也许是很有用的，但它有点像是仅有一技之长的人。未来也许会出现更广义的机器人——能比人类更高效地执行多样化的建筑任务，而且很可能还可以执行人力不可为的任务，例如弯曲坚硬的金属，或者在混凝土上打磨复杂的形状。

如果你可以拥有一个更广义的机器人，那通过改装这只机器人手臂握持的工具，很多的功能便会展现出来[116]。

比如说，普林斯顿大学的一个研究小组有一种能雕刻木头的机器人。实际上，让机器人雕刻木头已经相当常见了，但这套系统有一些特别之处。想象一棵形状歪斜的树，一名技艺高超的工匠只要看上一眼，便能根据这棵树的天然形状来想出它可以被用来制作什么东西，而这正是这个研究小组的着眼点。

遗憾的是，如今技艺高超的木匠并不多见，而且他们的工钱也不便宜，那一个机器人能干木匠活吗？这个研究小组的想法是把一个实木物体的文件库纳入一个计算机数据库中，然后用一台3D扫描仪对找到的一大块木头进行扫描，而计算机会以这块木头的自然曲率来判定它可以被制造成什么物体。在这之后，只要告诉一台机器人要制造哪样物体，给它正确的工具，它便会开始工作。

斯图加特大学的一个研究小组使用机器人手臂把玻璃中的碳素纤维“缠绕”成了复杂的形状，这有些像是蜘蛛织网，其结果是一件复杂，而且韧度很大的纺锤状玻璃织物。

另一个研究小组使用一只机器人手臂在木嵌板上创造出了榫卯，而这些木嵌板之后被人给组装起来。如果你对榫卯不熟悉——它们是可以让两块木头连接在一起的联锁形状，像是具有质朴魅力的乐高积木，而且考虑到榫卯的五花八门，它们比乐高积木更为复杂。你要根据不同的标准——例如产品最终的形状和使用的木材类型——来选择使用哪种榫卯。

细木工是一项很难掌握的技能，但如果你想连接复杂的形状或使用古怪的角度，那你便会需要这项技能。一台计算机做起细木工活来会稍微容易一些。瑞士联邦理工学院木结构实验室的一个研究团队创造出了一只机器人手臂，它可以通过握持各种各样的工具来制造传统和非传统的细木工制品，这不仅将允许人类实现难以完成的设计，而且应该也能让木制建筑物临街面被快速地建造出来。小组成员所使用的是胶合板，但这项技术有可能可以被用于任何一种建造房屋或许会需要的传统木工活。遗憾的是，对我们的机器人幻想来说，它们的系统最后仍需人来对切割件进行组装。

类似的办法已被用于为花岗岩和大理石这样的硬质材料塑形。再说一次，一种人类要花好些年才能习得的技能，可以被一只配备了自行分析能力的现代机器人手臂轻易地施展出来。尽管创作一件美观的大理石雕塑对一个人来说是很困难的，但让一只机器人手臂按照计算机储存中的一个3D模型来打磨一块大理石是（相对）容易的。

这里真正激动人心的事情，不仅是你可以拥有一栋带有一条木质拱道和一座魏纳史密斯夫妇大理石半身像的定制化房屋，而且是所有这些工序的配置本质上完全是相同的——一只能握持各种各样的工具，并且可以“看见”自己在干什么的机器人手臂。理论上，以上所有技术（以及其他一些技术）都可以由一个机器人（具有各种各样可能的“手”）和一款软件所实现。你的私人机器人建筑工可以像边远地区的一位居民一样加工橡木，像纽约市的一名老建筑工一样砌砖，以及像米开朗基罗一样雕刻大理石。此外，它还会不眠不休地工作，而且不会质疑你的品味。

巨型3D打印机

你很可能至少有一个性情木讷的表兄弟（或亲兄弟，名叫马蒂），整天3D打印复杂得叫人瞠目结舌的小物件。为何我们不打印一整栋房子呢？

好吧，这也许没有“打印一个人体器官”那么困难（正如你将在下文中看到的），但还是很困难的。事实上，光是打印一栋房屋的架构就已经很难了。人们最熟悉的3D打印形式是用一台装置把塑料加热到软化，然后用一个喷口将塑料喷出，待这层塑料自然冷却并硬化后，往这层硬化了的塑料上喷上另一层塑料，然后如此反复地制作分层。

然而你很可能不会想住在一栋由塑料丝制成的房子里。塑料丝很难闻，而且很可能不足以支撑起你打算打印的那座13层高的巫师塔。

混凝土怎么样？它被喷出来时是软的，而之后会硬化，这不是很完美吗？

算是吧。

正如不是什么塑料都可用于3D打印机，你不能随意地在3D打印机里使用混凝土，你必须使用符合3D打印流程的混凝土（或一种类似于混凝土的物质），这意味着它在被喷出来的时候必须是软的，但在不久后能硬到足以被喷上另一层。此外，所有分层在凝固后都必须是稳定而牢固的，但要找到一种适合这个流程的材料是一个很难的问题。

然而这个问题正在被解决。南加利福尼亚大学的贝洛克·霍什内维斯博士创造出了轮廓工艺（Contour Crafting）——一项使用一种经过特殊设计的混凝土来3D打印房屋的技术。

轮廓工艺本质上是一台巨型3D打印机和一只被安装在一座活动起重台架（一座形似反U形的架子）上的巨型机器人手臂。这只手臂具有抓取非型材——例如管子——并将之放在合适的位置上的能力，这台机器在向上建造一层层混凝土的过程中会在其中加入管道系统，并留出窗户和门的空间。

霍什内维斯博士估计一栋2000平方英尺的双层房屋能以当前房屋造价的60%被建造起来，并且可以在24小时内完工。24小时！想一想，你的邻居下周要外出休假。在他们不在的时候，你可以在他们的后院里打印一栋房屋，然后在爱彼迎（Airbnb）上出租，这是一种比焚烧狗屎[117]要好得多的恶作剧。

那为何我们现在没有住在3D打印的房子里呢？据霍什内维斯博士说，法律也许是一个比技术更大的障碍。“目前，当你建造一栋房子时，市政中心会分阶段派检察员来——大概10～12次——检查地基、墙体和管道系统，等等。当你可以在一天内建一栋房子时，这样的检查该如何来完成？你会在市政中心的人跑来检查前停工吗？”

现代的检查方法是为以标准化程序制造的房屋而设计的，但3D打印不是逐步的，而是逐层的。为尝试缩小这种差距，霍什内维斯博士正在努力创造能在建造过程中进行相关测量的系统，以便能让监管者在不拖慢施工的情况下获得数据。

在对建筑业的监管和许可规定更为宽松的中国，一家名为盈胜的公司已使用一项极其类似于轮廓工艺的技术进行了房屋3D打印，其使用的混凝土有一部分是由工业和建筑业垃圾制成的，所以可以说这种混凝土比大多数的建筑材料都要环保，只要你能泰然自若地住在这个回收利用的工业垃圾中。

这个成果是充满希望的。盈胜公司使用这种方法在24小时内建造出了十栋房屋。据他们说，每栋房屋的成本大概为5000美元，这很棒，但这些房屋的墙体是在工厂中建造，然后运到宅基地装配起来的，这意味着房屋要么得建在工厂附近，要么得在建造前经历长途运输，然而其成果给人留下的印象（起码看起来）是相当深刻的。

这两种方法都显示出了成功的前景，但它们都需要笨重而昂贵的机器。另一个由斯蒂文·基廷博士领导的研究小组采用了一种不同的方法。这种方法在某些方面让人想起了一百多年前爱迪生的那个主意。

基廷博士曾在麻省理工学院内里·奥克斯曼博士的介导物质实验室进行过他的研究工作。他发现巨型起重台架搭配3D打印机的方法很有趣，但他同样有担忧。移动一座起重台架不是轻而易举就能做到的，其部件巨大，所以只能在施工现场被临时装配起来，而这有点像必须在建造一栋房屋前先建造一栋房屋。

所以他想了一个主意：要是可以把一只安装有一台3D打印机的巨型机器人手臂放在一台皮卡的尾部，然后用它打印房屋会怎么样？

3D打印机所具有的问题之一是你无法快速地打印，除非你使用有些异乎寻常的材料，因此基廷博士想出了另一个主意：要是你可以快速地制作出一个你可以把混凝土倾倒进去的模具会怎么样？通过这种方式，你可以加快3D打印的速度，并增加3D打印的可定制性，但会丧失老式材料具有的强度和廉价性。

其工作方式是这样的：这台3D打印机会挤压出一种快干的轻型绝缘泡沫，因此分层可以在没有坍塌风险的情况下被快速地制作出来，同时这台打印机会在泡沫中留出可以往里倾倒常规混凝土的间隙，这是特别棒的，因为这些泡沫之后甚至无须被移除，它们可以自然地充当一种隔热材料。简而言之，把隔热材料打印出来，填入混凝土，让机器抹平外缘，然后安装板墙。

虽然这个主意不能像霍什内维斯博士的提议一样提供全方位的服务，但它的优点是只需使用常规建筑材料，而且所使用的泡沫是一种已得到认证的建筑材料。

房屋建造卡车是作为一项概念被建造出来的，但基廷博士和奥克斯曼博士为下一代房屋建造卡车设定了一些更为宏大的目标。基廷博士制造出了一辆能在行驶中进行3D打印的自动驾驶卡车，它可以通过不断地移动喷口来制造大型建筑物，而且非常智能，足以根据风速的波动做出调节，这一点很重要，因为它可以使用一把链锯。它还可以使用各种各样的建筑材料，例如玻璃或水（假如要在北极打印的话）。此外，它所具有的一个额外优点是可以使用太阳能，这不仅环保，而且或许能让卡车变得更为自主化。

他们甚至正在研究通过往土壤中混入纤维，以使其具有结构完整性的方式来就地取材的能力。也许这听起来有点疯狂，但这是因为你早已对现代世界带来的便利性习以为常了。想象一下你跑到一个穴居野人面前跟他说：“哇，你是就地取材的吗？”

他们所设想的——快实现了——是一名建筑设计师上传一套住宅设计，而卡车机器人便会开始建造。因为他们的系统非常灵活，所以房屋建造卡车可以找一个合适的地点，扫描环境，对建筑设计做出相应的调整，挖掘工地，打印建筑物，然后返回出发地，完全是自主化的。他们的办法将机器人手臂的多功能性和大规模3D打印的能力融合在一起了，而且是在一辆卡车上。

作为一种用途多样的制造方法，3D打印为房屋建造带来了很多额外的优势，而且3D打印可以制造出用传统方法难以创造，或者创造起来成本高昂的复杂结构，这可能意味着更廉价、更优质的房屋，而且这些房屋还将具有更美观的设计元素（夜行神龙[118]！每个人都可以拥有的夜行神龙！），比方说，至少可以用一些3D打印形式来改变混凝土的多孔性，如此一来，我们便可以使用更少的材料来改变结构的重量，还可以创造出像蜂巢这样用传统方法难以制造的形状。

通过这种方式来精确地改变材料的能力，是3D打印很难或不可能以其他方式来达成的。从长远来看，如果3D打印房屋实现了，那也许就意味着将出现我们从未想象过的房屋建筑形式。

集群机器人

对我们所有人来说，白蚁是一种极大的启示。

——克斯汀·彼得森博士

好吧，理论上，你会想让一个巨型机器人来建造你的房子，这是因为“一个制造了我房子的巨型机器人”这个词组包含了“巨型机器人”，但这种办法也许并不理想。在一个建筑工地周围，即使是一个（仅有）卡车大小的机器人，或许也有点笨重了。此外，当你拥有了一个可以做任何事情的大型机器人时，如果这个机器人出故障了，你便丧失了做任何事情的能力。

要是我们使用的不是少量的大型机器人，而是大量的小型机器人会怎么样？在上一章中，我们做出了可以让自主化机器人来替代各种东西的结论，那为何不让它们来建造我们的房子呢？机器人集群可以像昆虫集群一样建造远大于自身体积的结构。在使用轮廓工艺的情况下，房屋不能高于起重台架的高度，但当集群机器人在建造体积远比其个体要大的结构时，它们可以在地面上移动或在空中飞行。

在这些以建造房屋为目的的集群机器人中，有一些受到了生物学的启示。哈佛大学的贾斯丁·韦尔弗博士和康奈尔大学的克斯汀·彼得森博士（曾就职于哈佛大学）设计了一种灵感源于白蚁的机器人。

彼得森博士说：“相比于个体体积，白蚁建造出了动物王国中一些规模最大的结构[119]。想想数量级，这些结构比白蚁个体大上了几千倍。如果我们可以做到这一点，几百人便可以在没有一份协作框架的情况下建起埃菲尔铁塔，那将是令人惊叹的。”

韦尔弗博士和彼得森博士在这个项目上进行了合作，但他们是从很不同的角度做出考虑的。韦尔弗博士编写的应用程序具体规定了机器人将服从的规则，而且他说：“我们试图弄清白蚁本质上是在运行什么程序。”他指出白蚁是“极为复杂的”[120]，而且人们真不清楚它们使用的是什么规则，但他的工作就是写一款受到白蚁行为启示的简单的应用程序。彼得森博士设计并制造了受到白蚁启示的机器人，而且她说：“这些机器人具有很高的辨识度，因为它们有轮腿（Whegs[121]），一种能让它们以一种非常简单的方式来更好地进行攀爬的像轮子一样的腿。”轮腿，朋友们，轮腿[122]！

为了建造大型结构，实验型轮腿式（whegtronic[123]）机器人会拾取经过特殊制造的砖块，将之放在合适的位置上，这已相当令人惊叹了，但令这些机器人特别有趣的地方在于它们能独立工作。这种机器人集群没有中央协调机制，而且每个成员都不知道其他成员在干什么。每个机器人都会拾取一块砖块，然后使用一套小的指令集来决定将砖块放在何处，这本质上是一个与我们在上一章中讨论过的集群机器人行为相同的主意，只不过是以建造房屋为特定目标的。

加泰罗尼亚高等建筑学院的研究者也创造出了一种房屋建造机器人集群，其名为“迷你建筑工”（Minibuilders）。迷你建筑工大致是一个洗衣篮大小的3D打印机，能把类似水泥的材料放在分层里，有点像是一只带有水泥喷口的机器人海龟。

好吧，它们并不完全是独立工作的，因为不可能给每个迷你建筑工都装一个混凝土滚筒。每个迷你建筑工都被连在了一个为它们提供混凝土的中央滚筒上。你可以把这想象成一个巨大而恐怖的触须机器人。

让一个触须机器人来为你建造房屋，其最大的缺点是它的触须会缠绕在一起。想象一下你电脑桌后的外设线乱成了一团，四处乱跑的外设线正向外喷着混凝土。据我们所知，目前机器人专家必须在迷你建筑工工作时跑来跑去，以避免它们缠绕在一起。

我们发现这些机器人是特别有趣的，因为它们将房屋建造机器人集群的主意和3D打印结合在一起了。此外，有一类迷你建筑工可以用一种真空装置将自身吸附在一个结构的垂直面上，并向上攀爬，然后继续建造结构，这是非常令人惊叹的。

然而，让我们面对现实吧——让一个独立工作的3D打印机器人集群为你建造一件廉价的“艺术品”居住，你不久便会感到厌倦，那么，四轴飞行机器人怎么样呢？

法比奥·格拉马齐奥博士和马赛厄斯·科勒博士在苏黎世运营着一间疯狂的科学实验室，机器人在这间实验室里建造着优美的结构和建筑物临街面。他们俩同拉法埃洛·丹德烈亚博士合作完成了一个特别酷的项目，这其中丹德烈亚博士主要负责制造吓人的无人机大军。这些无人机会拾取涂有黏合剂的砖块，将之逐一放置，直到这些砖块构成了一个结构。好吧，你不想住在一栋完全是由黏糊糊的砖块所制成的房屋里，但这只是一项早期的概念验证。

要让一群飞行机器人通过精准地放置每一块砖来制造复杂的结构或外观别致的建筑物，就必须有一套能监视这些机器人，同时会向它们发出行动指示的动作捕捉摄像头系统，这在一间实验室里进行是没有问题的，但要移到户外进行，恐怕就有些困难了。

这种机器人集群范例的一个优点是每个机器人相对来说都是可损耗的，所以如果一项工作是特别危险的（想象一下在一场地震过后，或者在一个危险的环境——例如新泽西——中进行建造），那大量的小型机器人或许就比人或大型房屋建造机器人更为可取。

在未来，一大群空中和地面机器人很可能会像倒行的蝗虫一样出现在你的后院里，并在离开前给你留下一座凉亭[124]。

令人担忧之处

为简单起见，让我们假设机器人在房屋建造上丝毫不比人类逊色，但这并不只是为了方便讨论——斯蒂文·基廷博士指出，由机器人制造的住房也许会是更为安全的，因为在建造过程中，我们可以使用能持续进行测量的传感器，以确保机器人不会犯错。

机器人或许会导致很多人失业。据美国劳动局统计，建筑业在2004—2014年间已失去了将近83.7万个工作岗位，虽然美国劳动局的统计数据预测建筑业2014—2024年间会增加大约79万个工作岗位，但工作场所的机器人对这个数字会造成怎样的影响是不清楚的，也是很难被预测的[125]。

我们先前谈论了SAM，以及SAM是如何通过与一个人合作来做三人份的砌砖工作的，而SAM对建筑业的影响可能会以各种各样的方式发生。一般来说，一家公司能以更少的工人生产相同数量的产品并不意味着工人总数就会减少。为什么？因为当一种商品的价格下降时，我们往往会买得更多，而服装就是一个极好的例子。工业革命让服装变得更便宜了，但消费者是以购买更多的服装作为回应的。

如果SAM每次前往一个建筑工地都会淘汰两名工人，也许工人总数反而会变得更多。如果我们突然发现我们能买得起更大或更多的住宅了，抑或公司开始购买更多的附属建筑物，例如建筑物的砖质临街面，那这可能就会发生，因为SAM压低了房屋建造的成本，而且这种影响可能还会转移到其他的行业当中，因为面积更大的住宅需要更多的能量和电器，而且作为现代人，我们痛恨没在一个房间里塞满我们难得一用的东西。

然而即使这种比较美好的设想真的发生了，可我们所有人也不会变得更为富裕。更多的消费意味着大家仍然得工作，但收入分配却会发生变化。一个作为SAM补充的工人也许没有一技之长，工资也不高，而一个刚刚在旧金山找了工作的机器人工程师却拿着一份很高的薪水。

诺亚·史密斯博士——《彭博视野》（Bloomberg View）的经济专栏作家——告诉我们：“‘机器人崛起’的真正危险不是它们会夺走我们的工作，而是它们会不断地加剧社会的不公。”

机器人建造房屋对普通人来说是好是坏，将取决于法律和消费行为，可这两件事情都是难以预测的。

无论如何，机器人对建筑业工作岗位的影响或许在很长的一段时间内都不会出现。布莱恩·卡普兰博士说：“大企业目前对新技术的采纳是很缓慢的。只有在真正具有创新精神的新公司诞生并成长起来之后，大企业才会考虑收购这些公司的新技术，但收购过程可能会持续几十年的时间。”

如果建筑业工作岗位真开始流失了，我们就该考虑有没有可能会出现更好的工作岗位（例如制造机器人）。房屋建造不是最安全的工作，事实上，它是美国最不安全的工作之一。据美国劳动局统计，单是2014年，美国就有900名建筑业从业人员死于工伤。

浪费是另一种潜在的危害。绝大多数人都没有住在5000平方英尺的房子里，这主要是因为这些房子非常非常昂贵。如果住房价格能降低一个数量级的话，很多人可能就可以住进更大，同时也更消耗能源的住宅里了。

正如先前所提到的，本书的一位作者想住在一座13层高的巫师塔里，但他目前面临的两大阻碍是费用与他的妻子不是一个有趣的人。如果其中一个阻碍可以被消除，或许便会有所进展，纵然一整个冬天给一个又高又细的圆柱体供暖是极其浪费的。

尽管如此，机器人建造房屋在理论上可以成为更绿色的建造方式。我们可以以预制的方式来使用一大块实心混凝土，使之密度降低，或者甚至是变成中空的。有一些3D打印法允许人们根据特定的需求对一种材料的用量做出精确的选择，这或许能让我们以一种无须在结构的完整性上做出妥协的方式来使用更少的材料，而使用更少的材料是一件好事，因为混凝土生产是碳排放的一个重要来源。

事实上，一些人正致力于以仿生的方式来使用更少的混凝土，同时不造成混凝土的强度下降。基廷博士说：“当你审视一根骨头或一棵棕榈树时，你会发现其内部存在着一个密度梯度。它们中间的空隙更大，密度更小，而外侧的情况则是相反的。我们已开始好奇于能让混凝土也具有这样的结构吗？为何我们不能让混凝土像骨头和棕榈树一样具有一个径向密度梯度？我们为此做了一些早期的材料测试，并且发现这样做可以节省大约10%～15%的混凝土，而且不会让混凝土能承受的弯曲负荷下降。只要我们能让混凝土保持相同的抗剪力水平[126]，那我们就可以节省很多材料。”

当然，人类对环保式消费并不是全然理智的。当消费者被告之某种产品是“环保的”时，这种产品也许会被更大量地消费，可更诚实的包装——例如标有“比最流行的品牌对自然的破坏要少”的包装——会提醒我们保持低消费和购买环保产品是更好的选择。

这将如何改变世界

在我们写这一章的过程中，叙利亚内战迫使1100万叙利亚人逃离了他们的家园，这其中包括500万离开了叙利亚国境线的难民。在一场难民危机中，一个非常简单的切实问题是如何为所有难民提供住处和卫生设施。即使是以目前存在缺陷的3D打印技术来建造临时房屋——如果轮廓工艺可以快速且廉价地建造出带有基础管道系统的房屋——也可以挽救很多人的生命，同时改善这些遭受苦难的人——他们中有很多都是孩子——的日常生活。适用型住房在价格上的一次普降会让世界上最贫困的人受益。联合国人居署估算2012—2013年间大概有8亿人住在发展中地区的难民窟里，而且他们预测这个数字在未来将持续上扬。联合国人居署对“贫民窟”的定义是破旧的住房、安全饮用水的短缺、拥挤的环境、良好的卫生设施和基础设施的匮乏以及居民的土地所有权得不到保障的事实。机器人建造房屋或许意味着建造带有更好的卫生设施和供水设施的实用型住宅将变得更为容易，这是可喜的一步，但一旦我们从为机器人制定规则转到了为人制定规则，这将如何在现实世界中发生也许就无法预测了。想象一个擅自占用他人土地的人突然在这块土地上建起了一栋美观的住宅，那这块土地的实际持有人这时会有什么样的反应呢？他或许会对这处房产产生更大的兴趣。一如既往，技术会给我们带来机遇，但不会带来道德。

尽管如此，如果机器人建造房屋能让住房价格骤降，发展中国家或许便可以更快地崛起，因为这或许能让这些国家不再依赖于（有时善变的）国外赞助人的捐赠。只要这些国家的住房问题是由贫困（而不是协调问题）所导致的，那用机器人建造房屋便可以产生重大影响。

这或许还意味着普通人将能拥有美观的住宅。如果机器人是按现有的设计来建造房屋，那房屋建造便会成为开源的。在用机器人进行设计的情况下，常规布局和复杂布局间的价格差距或许不会太过显著。具有讽刺意味的是，机器人的到来会让我们重拾很多传统的房屋建造方式，例如复杂的木工和石工手艺，而这些方式现在通常是保留给富人的。

就大型建筑物而言，我们或许将把富有想象力的建筑设计师们从当前可用材料的诸多限制中解放出来。这些建筑设计师或许会设计出迄今从未被想象过的奇迹，或者只是用旋转的构件[127]让我们目瞪口呆。无论如何，我们都支持。

此外，我们宁愿看到很多工作是由可损耗的机器人完成的，也好过让我们爱的人来做。如果我们能让机器人负责在条件非常艰苦的地方——例如水下或辐射环境中——进行建造，我们也许便会挽救一些人的生命。

由于一切话题都可以说回到太空上，所以如果你要去火星生活，你或许希望你的房间在你抵达前就完工了。霍什内维斯博士正同美国国家航空航天局共同研究如何用轮廓工艺在太空中进行危险的建造——例如建造降落跑道和公路——以及有朝一日制造出可供人类居住的建筑物，这不单单是为了卓越性，因为几乎所有的地外环境对人类来说都是极其危险的，所以我们最好是让机器人来为我们的火星住宅建造辐射护盾，而不是我们亲力亲为。

过去的太空任务让我们对月球和一些行星表面的物质构成有了充分的了解，这意味着我们可以在地球上尝试想出如何让机器人使用月球尘埃来建造房屋，如此一来，我们便可以月表的材料来建造客舱，而无须以高昂的费用来把几吨重的建筑材料从地球送到太空中去。

话题关注——3D打印食品

在为写这一章搜集资料的过程中，我们对极客们的3D打印动向产生了浓厚的兴趣。我们通常只关注实用的东西，但听好了——当生活赋予了你一只3D打印的玉米面包章鱼时，天哪，你必须告诉全世界。

霍德·利普森博士和梅尔巴·库尔曼博士在《无中生有：3D打印的新世界》[128]一书中提出了一种构想完善的食品3D打印机。想象一台机器，比起自己动手，它可以用更少的时间来为你制作一块完美的小松糕，而更好的是——假设你正在节食——这台机器会为你打印每一餐饭，同时对你摄入的脂肪、碳水化合物、盐和总卡路里进行细致的跟踪，所以没必要再用那个帮助你自我克制的烦人玩意了。

此外，假设你患有某种疾病，抑或有特定的过敏反应，因此有一些特别的膳食要求，那这台机器不仅会为你打印一块美味的小松糕，而且会根据你的健康需求来小心地制作这块小松糕，比如说，假设你患有轻度的糖尿病，那这台机器便会在制作食物的过程中使用一个血糖水平探测器，以控制食物的含糖量。

在地球上很可能这一时半会成不了制作一块小松糕的最佳办法，可在每一盎司都很重要的太空中呢？

美国国家航空航天局不久前与奥斯汀市的一家名为系统和材料研究的咨询公司签署了一份协议，这家公司将为长期太空任务制造一台3D食品打印机。为什么？好吧，你可能见过一张宇航员刚收到新食物时的照片。他们握着珍贵的新鲜食材——橙子、黄瓜和甜椒。想一想一名美国国家航空航天局的食品科学家在看到这个情景时热泪盈眶的样子。当宇航员可以吃上营养丰富的维生素面食或回收利用的粪便物质时，我们为何要让他们吃新鲜的水果呢？

没错，循环利用的粪便物质，也可以叫“循环排便”，如果你愿意这么讲的话。一项由克莱姆森大学的马克·布伦纳博士主持的项目被命名为“把人类的排泄物回收制成食品、保健品和材料的合成生物学：为长期太空旅行闭合循环”[129]。幸运的是——据我们所知——这个项目不需要一台3D打印机。尽管如此，可我们认为有些循环应该保持开合。

然而，假设一艘太空船确实搭载了一台3D打印机，那至少理论上，宇航员就可以用它来制作五花八门的食品，同时还可以用尽可能小的空间来储存食品。正如我们在上文中已提到过的，现在把每磅重的东西送入轨道大概要花费10000美元，所以把一粒苹果籽送入太空的成本在20美元左右，你看，节约在太空中是一件好事。此外，如果宇航员的所有食品都是用简单的原料在3D打印机里制作出来的，那地球工作人员便可以确切地掌握每名宇航员摄入的营养物，这或许能让我们开展一些相当有趣的科学研究。

就更为实际的情况而言，我们曾听说耶朗·多姆堡进行过一项在果冻鸡尾酒里绘制3D图案的项目。当多姆堡先生的一个朋友在为一场非常豪华的生日聚会准备果冻鸡尾酒时，他注意到了果冻鸡尾酒里有气泡，继而意识到可以把一些物质注入果冻鸡尾酒里，而被注入的物质会停留在原处，比如说，可以用一根很细的注射器针头在一杯呈立方体的果冻鸡尾酒的各个面上进行绘制。

他的朋友认为手动绘制果冻鸡尾酒3D图案太费时间了，而懒惰是创新之母，多姆堡先生因此组装出了一台能用可食用墨水在果冻鸡尾酒中绘制3D图案的机器。到目前为止，他所绘制的通常都是一些简单的图案，例如立方体和螺旋形。我们在此恭敬地建议，可以用这台装置绘制一些诸如“别喝了”或“行了，别喝了”之类的字句，这样一来，便会产生某种社会效益。

DIY发烧友们创造出了一种能让MakerBot公司出品的3D打印机制作食品的适配器，其被称为糖霜挤压机（Frostruder[130]）。糖霜挤压机大致是一支很大的注射器，使用者可以往里填入任何一种黏性物质，诸如糖霜、花生酱或硅酮[131]。这支注射器在移动的过程中会挤压出内部的黏稠物质，从而绘制出一个预设图案，虽然其结果并不太理想，但还是比你那个在1983年参加过一个蛋糕装饰周末培训班的姨妈强多了。

为了制作出更复杂，而且可定制度也更高的食品——不仅在食品结构的意义上，而且在食品味道和营养成分的意义上——康奈尔大学的杰弗里·利普顿博士曾花了好几年的时间研究3D打印食品。如果你去浏览他的网站，你便会看到一些制作精巧的3D打印巧克力以及——没错——一只用玉米面包制成的章鱼。坦率地说，我们不确定社会是否会需要这种东西。这里有一句来自于一篇“2009年固体自由成型制造”专题讨论会的论文——《水解胶体打印：一个定制化食品生产的新平台》[132]（利普顿博士是此文的合著者）[133]——中的引文：“未来潜在的用途范例包括带有复杂的嵌入式3D字母的蛋糕，这会让蛋糕在被切开的时候展示出一条信息来，或者甚至是一块带有一条隐藏信息的牛肋排。”

想象一下，一刀切入了一块四成熟的牛排，而当你抬起餐叉时，你注意到了你男朋友眼中闪烁的光辉。你朝下看去，这块三角牛排的软骨上写着……你愿意嫁给我吗？

所有这些项目中的一个主要制约因素，是几乎所有材料都是以一种黏稠液体的形式被挤压出来的，这极大地限制了3D打印食品的选择范围[134]。尽管有些食品——例如巧克力或奶油酥饼——也许很适合根据这种制作流程来改良，但要在3D打印机里制作这些食品，食品工程师还必须添加很多并非是用于提味的原料。在可以预见的未来，如果你想吃小松饼，你最好是去一家小松饼店，而不是一间生物实验室。

此外，据我们所知，你真不能相信食品工程师的话。我的意思是他们目前正试图对宇航员进行“闭合循环”。想象一下，如果可以，他们会让你做什么呢？

第6章　增强现实

一种修补现实的选择

你的老板突然冲进了你的小隔间，就某件事情冲你大喊大叫了起来。你知道你不能阻止他，所以你忍着似听非听了10分钟，这时你忽然想起了你有一台被嵌入在你的隐形眼镜里的微型计算机。

你眨了眨眼，这让你的老板产生了片刻的疑惑，但随即又咆哮了起来。世界在你的眼前改变了，背景中长出了棕榈树，灯光暗了下来，变得极其柔和，而一只淡粉色的鸣鸟翩然地落在了你白痴老板冒着傻气的地中海秃头上。

你鼻子里的一台分子生成器释放出了海风的气味，同时你耳中的一对微型扬声器响起了波涛的声响，不过右侧的扬声器比左侧的更快地响了起来，你朝右扭过头去，看到了湛蓝的太平洋。

你桌面上的处理器探测到了你老板的声音，无论他说什么，全都被转换成了体育新闻，你泰然自若地听着，看着海风吹拂着棕榈树。正当你的老板在现实里问你还打不打算好好干时，一个体育新闻播报员说你最喜欢的球队又输了。“不！”你高喊道，“不！为什么？！”

幸运的是，当你回到你那套（貌似）巨大的200平方英尺的公寓时，你的虚拟配偶并没对你在一年内被解雇了14次横加指责。你往舌头上涂了一层很薄的聚合物涂层，然后从食品储藏柜中掏出了一些大豆蛋白，这些蛋白今晚尝起来会像是神户牛排。

这就是现实增强下生活可能会变成的样子。

AR[135]（增强现实）技术的高明之处在于可以把虚拟元素覆盖在真实世界上，这好比给宇宙添入一点魔法，但AR不同于VR[136]（虚拟现实），因为VR会把一切真实的现实排除在外。一种思考AR的方式是把你自己想象成一个连接着一大堆传感器——用于传感味觉、触觉、视觉、动觉和平衡感等的传感器——的大脑，这正是AR研究者如何看待你的，所以你不妨也这么看。

所有这些传感器都会从你四周的环境中持续地收集信息。在一套完整的VR系统中，传感器是完全被一台计算机所创造出来的虚假输入信息所占据的，因此，虽然你站在一间很小的房间里，但你的感知告诉你，你已被传送回了白垩纪了，一只霸王龙正从不远处朝你走来。在一套AR系统中，传感器只是部分被虚假的输入信息所占据的，因此当你站在一座真实的购物商场中央时，你会看到一只霸王龙正一边吃着椒盐卷饼，一边虎视眈眈地看着你。

现在我们通常会对视觉传感器（有时被称为“眼睛”）进行调节，至于原因，我们稍后再谈。单把虚拟物体和信息添入你的视觉中，就有各种各样的用途。在任何你仍想同现实进行互动，但也想获得更多信息的情况下（例如格斗比赛、外科手术或建筑工作），AR或许真的很有用。如果AR得以完善，这便意味着在这样的领域中，更少的培训会换来更好的结果，换言之，会有更廉价和更优质的服务。此外，你还可以更有效地就自己的生活状态给自己撒谎。

不久前，随着《精灵宝可梦GO》的发行，AR忽然变得常见起来。我们不会对此深究，因为你很可能正在玩这款游戏，而这本书正被闲置在一个书架上，但我们把《精灵宝可梦GO》视为迈向一项具有游戏以外用途的新兴技术的一步。

我和凯莉属于被我们称为“无可救药的一代人”，也就是那些年轻到知道《精灵宝可梦GO》，却也老到对其如此风行感到费解的人。尽管如此，可AR有望让各式各样的幻想变成现实。此外，别那么想，不是所有的幻想都是同情欲有关的，有些是关于复仇和发财的。

我们或许能以不同的方法来实现这样的AR，不过考虑到人类感官类型的数量，一套完善的AR系统会是相当复杂的，而此时此刻，最常见的方法是用某些工具（通常是一台平板电脑或一部手机）把一个同现实达成了“配准”的影像投射到你眼中。

配准的意思只是虚拟的东西同真实的东西进行配合，比如说，如果你有一只满屋子跑的AR兔子，你不会想看到这只兔子从任何物体中穿过，或者说，如果它确实从某样物体中穿了过去，那你希望看到的便会是它看起来像受伤了一样。

乍听之下，这或许很简单，可实际情况要复杂得多。想象一下，你有一部会把AR投射到你眼中的头戴式视图器，当你看着一张桌子时，这部头戴式视图器会投射一封来自你假想配偶——布拉德·皮特——的信，上面写着：“我爱你。”当然，你之前设定了你的AR会在这天给你留下这封信，但这就像你在前一天晚上提醒了你的配偶们，而其中一个记起来了一样，所以你仍然会感激AR中的布拉德·皮特留下了个便条。

当你把头向左转时，布拉德的信就得向右侧移动，而且要同真实的桌子相对应，它还得改变朝向你的视角，如果偏了哪怕一丝一毫的话，便会瞧着古怪，逼真性将荡然无存，这会让你想起你桌上放的其实是一纸禁令。

要实现这一切是一项极其困难的挑战，这需要强大的软硬件，以及对人类的视觉和认知是如何工作的极大的了解。

硬件一直在顺利地发展着。有据可查的最早的AR机器是由莫顿·海利格于1962年创造的Sensorama[137]。这台机器纯粹是由机械驱动的，这意味着它并不包含一台可编程计算机。一种现代的AR装置会有一款知道在你步行穿过一片虚拟果园的时候释放出树木气味的应用程序，而这台Sensorama装置具有的气味却是简单地由一段录像在被播放到了5分钟的时候所触发的，对应着这段录像开始展示一片果园的时间点。

Sensorama会通过小的眼门来播放录像，同时还会生成风、播放声音、震动、释放化学气味以及为使用者提供——比如说——骑摩托车的感觉。为何不直接买一台该死的摩托车是谁也猜不准的事情，但海利格着眼的是未来，在他提交的专利中，他论述了用于军事、娱乐、工业和教育的用途，而这正是如今AR应用研究中最常被讨论的话题。

你们中有人也许还记得，随着计算机和显示器在20世纪90年代开始变得便宜起来，一种名为虚拟现实头戴式视图器的东西似乎要流行起来了，但如果当时没有发生，为何应该在现在或在未来发生呢？好吧，90年代的那些系统存在缺陷，也非常的昂贵，而且计算机模拟技术是相当糟糕的……容易让你呕吐。呕吐的确是AR和VR系统的一个普遍问题。目前有一项晕动症理论表明，当你没感觉到自己在移动，但你确实“看到”自己在移动时，你的大脑便会断定你中毒了，所以你会迫不及待地想奔向最近的洗手间。

在虚拟现实的机器是一台1993年的消费类计算机的情况下，晕动症的问题是尤为严重的。如果你戴着一部头戴式视图器并转动你的头，可现实整整过了一秒钟才转动的话，你的眼睛也许便不会相信这是真的，可你的胃肯定会。

同90年代绝大多数的技术发展潮流一样，AR被明智地束之高阁了，这代表了对AR感兴趣的人遭受的一次挫折，这些人曾希望虚拟现实头戴式视图器的普及会拉低相关技术的价格。

然而，正像凯莉差不多已听遍了我们一般所说的90年代的音乐一样，少数的科学家一直对AR锲而不舍，期盼着AR的复苏。此外，他们和凯莉不一样，他们有理由怀揣着希望。

如今差不多每个人都会以一部电话的形式来佩带一台计算机，其实还不止于此。一部典型的智能电话不单是一台计算机，它还具有拍照和录像、探测重力、定位以及其他很棒的功能。当你试图把一层虚拟现实覆盖在真实现实之上时，这些探测能力是十分有用的。此外，不同于一台90年代的计算机，智能电话不是孤立的，它能同其他具有更多内存和更强处理能力的计算机进行会话。

有些碰巧的是，如今你会带着很多设备走在外面，而这些设备正是一个AR研究者会希望你佩带的，那么AR戏法就落在了如何解决软件的问题上。

一种将虚拟物体添入实际生活中的早期方式是“基准标记”（fiducial marker）。大致说来，基准标记是一种被放置在现实中，并且易于被一台计算机从视觉上识别的物体，类似于现在常见的QR码。想象一下，你有一张桌子，桌子正中有一个QR码，而你戴着一部会把影像投射到你眼中的头戴式视图器。在这种情况下，这部头戴式视图器的摄像头会捕捉这个QR码，然后做出两项推断：第一，其模式代码代表了“在这放一只花瓶”；第二，你会从一个特定的角度看到这个QR码。

当你移动时，这部头戴式视图器会对这个QR码的方位变动进行探测，并对AR花瓶做出相应的调整。在视图器工作正常的情况下，你会察觉到桌上有一只花瓶，即使你正四处走动或上蹦下跳，换言之，这个基准标记会充当增强现实和实际现实间的一座简易桥梁。

当前的AR研究已超出了传统基准标记的范畴，这可能是AR正在迅速发展的一个迹象，而且我们被告知“基准标记”这个词已经不酷了，尽管它在我们找到的几年前的文本里还在被使用。

如今应用程序已智能到能自行理解要把物体摆放到什么地方的程度了，可是各种各样的基准标记还是能派上用场，因为它们能把大量的信息快速地提供给计算机。

然而基准标记存在一些问题，举个例子，它们可以从视觉上被遮挡，这对一只真实的花瓶来说不是一个问题，因为……好吧……即使你不看这只花瓶，它也仍然存在，但想象一下你把头低到桌面以下，然后朝上看。你从这个角度应该能看到这只花瓶，可你的头戴式视图器却捕捉不到那个标记，从而判定这只花瓶已不再存在了，这很糟糕，因为现实中在没人看的时候是持续存在的。

你可以通过增加一个摄像头或一个朝向你的摄像头标记来解决这个问题，但AR使用者需要的东西越多，对AR的体验就越累赘，而且让现实世界和虚拟世界的交互变得不易察觉，这是使AR体验获得预期效果的关键所在。

在AR应用中，一个巧妙的主意是当游客走在一片森林时，可以将有关当地生态和历史的知识同AR结合在一起，以提升游客的体验，比如说，如果一名游客走过一棵槲树，那计算机可能便会告诉他槲树是什么，这时，他可能会走近这棵槲树，同时看到这棵槲树上生长着一种蕨类植物，而且被一些五倍子虫（gallwasps）给污染了，而他的头戴式视图器同样会显示出有关这些东西的信息，然后顺便告诉这名游客这片森林在1864年曾爆发过美国内战的一场战斗，并为他提供观看一次实地虚拟重演的选择。

这一切都棒极了，但如果必须在AR使用者或许会感兴趣的每一个物体上都放一个QR码，这便会破坏氛围（而且可行性很低）。

因此，当前一个重要的研究领域便是如何用环境中的真实物体来取代基准标记，这可以让一台AR装置在没有基准标记的情况下准确地识别出埃菲尔铁塔。

“等一下，”你说，“我可以用GPS啊，GPS可以告诉我埃菲尔铁塔在哪啊。”不，没用的。GPS只会告诉你你在地表上的什么地方，而且它只能精确到大概1米以内，但优质的AR需要更高的精度。此外，GPS的精度在你测量海拔的时候是更为糟糕的，因此你试着用GPS在爱丁堡激活一名虚拟导游，可他却出现在了你头顶10英尺高的地方，当你抬头去看时，希望他没有穿传统的苏格兰裙[138]。

然而GPS是一个好的起点，它或许能告诉你的计算机你是在某一个公园里，还是靠近某一座湖泊。此外，我们知道计算机应该能从视觉线索中确定你在哪儿，毕竟我们就是这样确定自己身处何方的。如果你在森林里迷路了，那你便会试着寻找一棵具有一种独特外观的树，或查看一个远处的大地标在哪个方向。理论上，计算机可以做同样的事情，但一个人可以非常快地断定什么是“独特的”，可向一台机器解释独特性是很困难的。

一种办法是这样的：想象一下你正走在帝国大厦的附近，而且你的计算机大致知道你身处何处，但为了投射一只巨大的大猩猩在这栋摩天大楼上，它得准确地知道你所处的空间坐标，以及你究竟在往哪儿看，所以为了详细地记录下你视野中的空间分布，它会拍摄一张照片，然后把这张照片划分为不同部分，并通过寻找亮度的差异来决定哪些部分是有趣的，而哪些不是。

比如说，如果某一个部分全都是天空，那可能就没有差异，这会告诉计算机这不是一个有趣的部分。另一方面，如果某一个部分里是一扇窗户的局部，那其中便会有光和暗，以及几何形状，这会告诉计算机这一部分或许挺有趣的。

计算机随后会把这幅影像同一个数据库中其他的影像——（得益于GPS）计算机知道它们是附近的地标——进行对比。通过在你移动的时候反复这么做，计算机最终会锁定你确切的位置，以及它搭载的摄像头的朝向。这或许听起来像是一种古怪的人工方法，但你差不多也是用这种方法来弄清自己身处何处的。当你迷路时，你不会在白天把天空作为方位参考，因为一片偌大的碧空不会提供太多有关你身处何处的明确信息，但你可以在夜晚把天空作为参考，因为天空中星星的位置关联你所在位置的信息。你不会在试图确定自己的方位的时候把地面作为参考，但你确实会把自己同一座造型独特的建筑物之间的距离作为参考。你是如此习惯于你常去的地方，你在这些地方会不假思索地完成这一切，但试着回忆一下你上次回到阔别已久的家乡，当时你的大脑是如何解决方位问题的？

这种方法存在的部分问题是它需要进行大量的计算，同时还得用大量的参考影像来同你“感兴趣的”图像进行对比，因此科学家正在研究简化这个过程的方法。

约克大学增强现实实验室的凯特琳·费舍尔博士曾提出，至少就某些应用而言，或许有一种容易的办法来使用AR。“艺术家，”她说，“会使用回避配准问题的混合现实，这可以得到或许只是飘浮着或在天空中的影像，抑或在地面上的微小影像。配准问题是一个急需被解决的问题，但就所有优质的增强现实体验而言，我们没必要去克服这个问题……我认为很多早期项目中有鬼或幽灵的原因之一，是你不一定要让它们在真实世界中被完美地配准，但你仍然可以有这种很酷的体验，这是为何你的东西能飘浮起来的原因之一，而且人们不一定会说：‘哎呀，差劲的设计。’他们可能会说：‘哇，是个鬼。’”我们都对被鬼给虚拟地包围着不感兴趣，但把这在没有戒心的孩子身上试试，或许挺有趣的。

这对艺术项目来说是很好的，但如果你准备用一款AR应用程序来做手术，你可不希望虚拟切口标记会偏得太远。

一种在不把计算机“弄崩溃”的情况下获得更好的位置探测的办法是使用更好的传感器。一项名为激光雷达（LiDAR[139]）的技术会让激光从物体上反射回来，然后对这些反射光做出分析。激光雷达能生成精准的3D环境模型，这恰恰是我们想用于增强现实的。这项技术可以让我们获取建筑物的轮廓，并将之同单个3D文件进行对比，而无须将其与大量存在缺陷的2D影像文件进行对比。听起来真棒！但问题在于这项技术以往是极为昂贵的，只有拥有高额预算的大型政府机构才会使用。

然而，价格近些年已逐渐降了下来。事实上，自动驾驶汽车正开始进入市场的原因之一，正是人们只要花几千美元就能把一套不错的激光雷达系统装在货运车上，但缺点是最轻的激光雷达系统也有10～20磅重。

不过虚拟AR技术发展得非常顺利。“可是，”你插嘴道，“那我其他的感官怎么办？我想在我翻过这一页书的时候有鸟叫的声音！”

好吧，先别喊了，这很幼稚。好吧，当前大多数的研究所着眼的都是视觉技术，人类真的很喜欢看东西。

然而少数的科学家和工程师正在研究同听觉、味觉和触觉相关的AR技术。

相比于模拟视觉，模拟听觉是更为简单的，但确实呈现出了其自身的问题。想象一下你想要模拟一台汽车驶过的声音，这里有三个主要问题：其一，这段声音必须先传到一只耳朵里，再传到另一只耳朵里，以给你一种这辆车在什么地方的感觉。其二，这段声音必须有音高和强度的变化，以给你一种这辆车在运动的感觉。其三，真正棘手的是，这辆车的声音得反映出它所处的环境，如果你在一座峡谷里，那这辆车听起来就应该有回声，但如果你在一片田地里，那就不应该有，这把我们带回到了很多我们先前就视频讨论过的问题上：要获得更优质的AR，我们需要更多的信息和计算。

模拟嗅觉是十分困难的。光和声音具有简单的基本成分，所以要制造颜色，你只需波长不同的光，而要制造声音，你只需合适的音量和波形，但气味是更为多样和复杂的。即使你有大量的预装气味，也并不是总能用它们混合出新的气味的，比如说，“苹果味”加“派皮味”不完全等于“苹果派”的气味。

理论上，我们可以制造出一台能定制生产气体分子并将之喷洒在空气中的机器，而且确实存在能生成定制分子的机器，但生成定制分子目前是一种极为昂贵且仅在工业中被使用的方法。此外，尽管虚拟视觉和虚拟听觉具有很多明确的用途，可虚拟气味将提供什么用途是不明确的。

触觉是一个更为活跃的研究领域，但眼下研究进展依然是相当有限的。目前大多数的相关研究都是为了制造一种你可以用来“触摸”虚拟物体的“触觉笔”，其基本想法是你用一部头戴式视图器来看一样虚拟的东西，然后用一支被连接到一台计算机上的笔来确定这件虚拟东西的位置。如果你试图把这支笔戳进这个虚拟物体，这台机器便会阻止你这么做。如果你把这支笔在虚拟物体的表面上拖动，它便会产生晃动，以使你握着这支笔的手指有一种好像是在一个有纹理的表面上拖动一支笔的感觉，好吧，这并没有“虚拟地扇希特勒的耳光”的实际触摸反馈那么好，但感触也是相当不错的。此外，这具有一些实际的用途，诸如手术培训或数字雕刻。

我们的现状如何？

我们读过的很多有关这个主题的参考资料都是写于2010—2014年间的，而时间靠后的往往是为谷歌眼镜将如何改变一切而兴奋不已……

谷歌眼镜通常被认为是失败的，因为当人们看到你戴着它时会想朝你脸上挥上一拳，真是这样的，比如说，Meetup[140]的执行总裁在2013年确实对Business Insider[141]的记者说道：“谷歌眼镜？我绝对会朝一个戴着谷歌眼镜的人脸上挥上一拳。”

你希望AR在未来会具有的一个特点，是其显示方式不会让你的脸挨上技术界百万富翁的拳头，其窍门也许是微型化。

Innovega[142]是一家开发AR隐形眼镜[143]的公司，但这种眼镜离可以包办所有工作的程度还差得远，而事实上，你必须在这种隐形眼镜上再戴上一副特殊的眼镜。从有利的一面来看，不同于谷歌眼镜，这副眼镜实际上看起来更像是一副普通的眼镜。

一般来说，传感器和计算系统正在变得更为便宜、更快、更小，这为很多的实验项目提供了沃土。

目前就职于坎特伯雷大学的马克·毕林赫斯特博士提出了一项名为“魔法书”的概念，其想法是用一本书上的图像和一台AR机器来增强体验。内布拉斯加大学的一个研究小组创造一本名为《民族植物学学习用书》（Ethnobotany Study Book）的“魔法书”，上面有当地植物的小黑白图画。如果你从一台AR机器中来看其中一张图画，你便会看到一株和这张图画相对应的虚拟植物从这页书上冒了出来[144]。

当科罗拉多大学的乔纳森·文图拉博士还是加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的一名博士生时，他创造出了一款增强现实的应用程序。这是一款在户外运行的应用程序，它允许你把像太空船和树木这样的东西添加到你视觉中的校园中。文图拉博士说：“我搭建了一套系统。在这套系统中，我会绘制出——比方说——带有很多影像的校园，并从根本上为这个校园创造出一个3D模型。接下来，我只要掏出一台iPad举着，它便会拍下一张周围环境的照片，并将之与3D模型进行匹配，然后告诉我所处的位置。”

我们认为“像太空船和树木这样的东西”这个词组的意思就是“太空船”，但文图拉教授比我们更为务实一点，他指出这样的应用程序对景观建筑设计师来说可以成为非常有用的工具，他们可以用其对一个环境进行虚拟的景观美化，并在实际动工前将之展示给客户看。

格拉茨技术大学的格哈德·沙尔博士创造出了一套AR系统，城市工人能在这套系统中获得城市基础设施的“X射线版本”，比如说，他们可以看到街道下面，看见地下的电力和管道系统。这样的系统具有很多潜在的用途，不仅可用于维护，还可用于救灾。

一名救灾人员应该能用虚拟投射来更快地对破坏进行评估，比方说，一个用于判定一座建筑物是否受到了严重损坏的衡量标准是“层间位移”（interstory drift），换言之，在从帝国大厦到比萨斜塔的倾斜量级上，我们的处境有多糟糕？要弄清一座建筑物的倾斜度实际上是有些困难的，特别是在一场地震过后——设备不足而且测量每座建筑物的时间有限。一套由董苏洋[145]博士提出的AR系统可以把建筑物的理论外观投射到建筑物的实际外观上，这使检查人员能做出快速而准确的判断。

不少研究小组都曾研究过的一个主意是“虚拟镜界面”（virtual mirror interface）。你儿时多半有这样的恐惧——当你往镜子中看时，另一个人便会出现在镜子里。要是我们能把这变成现实会怎么样？作为一种相对简单的AR版本——因为只要经由镜子投射，而且只需知晓你房子的布局——这个主意在20世纪90年代便出现了，它不单在整体上显得很巧妙，而且可以让你拥有一个“住在”镜子里的虚拟帮手或宠物，所以镜子充当着一种通向增强现实的窗户。就我们个人而言，我们觉得这个主意有点吓人，无论你身处何处，当你夜里去洗手间经过你的镜子时，猛地发现镜子里有一个人正坐在你的沙发上，你不可能会认为“这没什么”。

平心而论，这些帮手很可能会是非常可爱的，至少一直到它们在2027年机器人暴动中背叛我们之前。

费舍尔实验室（还记得上文中的女士和鬼吗？）正在探索如何将AR应用于讲故事，比方说，AR如何能被用于制作你能行走其间的电影呢？或者说，AR如何能被用于重现历史人物和地点呢？想象一下走在《地下铁路》[146]（The Underground Railroad）的外景拍摄地，听虚拟演员诉说他们被囚禁和逃亡的故事，或者想象一下造访贝洛森林之战[147]的现场，目睹1918年攻势[148]，抑或想象一下参观罗马斗兽场，看一名角斗士在尼禄[149]不施怜悯的时候脸部的扭曲。

费舍尔博士还在举办有史以来最棒的儿童生日派对，这其中有哈利·波特式的AR分院帽、从后院的石头上掠过的小仙女以及落在孩子们手中的仙尘。她指出尽管儿童的想象力很可能无须增强。“其实我并不认为孩子们需要增强现实来再次找回孩提时代。但我们可以实现这些令人惊叹又叫人欢喜的AR应用方式。在小的层面上，我个人认为AR可以让我们每个人的生活更加美好。”

少数人曾尝试将增强现实用于治疗。我们最喜欢的实验性心理治疗是由克里斯蒂娜·博泰拉博士所进行的，她想出了可以使用AR来治疗恐惧症的主意。想一想，克服一种非理性恐惧最好的方式之一是反复地暴露在这种恐惧当中，但这存在一些问题。当让一个害怕蟑螂的人反复进入一个装满蟑螂的箱里时，他或许会决定去找一个新的精神病医生，或者像科学家所说的那样，这会有一个“高损耗率”。博泰拉博士想知道是否可以制订出一项妥协方案——仅仅是把一大群爬虫投射到实验对象眼中。在我们读过的研究报告中，这项实验只有六名参与者，但他们所有人的恐惧症似乎都在这段经历后得到了缓解，而且这种疗效一直得到了维持，当然，他们也许是为了让博泰拉博士停止治疗才这么说的。

最后，我们为DAQRI公司的智能头盔感到特别激动。DAQRI公司的创新者发表了一篇很有趣的评论——安全帽可以通过改装来纳入AR，而且不用从根本上对安全帽做出任何改进。传感器和计算机是内嵌在安全帽中的，而AR影像是显示在眼罩上的。也许谷歌眼镜应该向DAQRI公司寻求启示，因为如果你戴着一个连接着计算机的安全帽，你看上去并不会像是一个讨厌鬼。此外，要是Meetup的执行总裁试图朝你脸上挥上一拳，好吧，你便有了一些保护。

这些智能头盔具有提高我们工作效率的潜力，而且可能会挽救更多人的生命。我们和DAQRI的盖亚·邓普西进行了谈话，她告诉我们不久前DAQRI、波音和爱荷华州立大学共同完成的一项研究，对AR培训与传统培训进行了对比。“我们比较了用于一项复杂装配任务的纸质指南与增强现实指南。这项装配任务是让初次受训者完成包含50道工序的飞机翼尖装配。在第一次尝试中，使用了增强现实指南的群体减少了30%的工作用时和94%的错误率。在第二次尝试中，他们把错误率降到了0，这个幅度是巨大的。”我和凯莉强烈地希望任何一道涉及飞机装配的工序都不存在差错。

令人担忧之处

可能你已经有了这样的想法——给每个人装备持续处于工作状态并同中央服务器保持通信的传感器阵列，也许会引发一些隐私问题。

我们读过有关一款名为Recognizr[150]的软件的资料。这款软件能探测人的面部特征，把人脸转换成3D模型，然后对这些人脸进行识别。Recognizr目前是选择性加入的[151]。很多这类软件[152]的目的在于把社交媒体带到现实生活之中，这里有一些很好的潜力。想象一下你去上班，你同事头顶上的一小块显示区域会为你提供一些信息，例如今天是否是他们的生日，或者他们是不是刚旅行归来，但缺点在于社交媒体所有常见的隐私问题同样会进入现实生活之中。如果很多人都有面部跟踪软件——无论数据有多么分散——一个坏蛋便可以重建你一天的行程，甚至能准确地猜测出你的情绪状态。

这会变得更糟糕。记着，终极AR机器不仅会跟踪并储存视觉数据，而且会对所有东西进行3D扫描，会闻，会听。现代商业大多都依赖于能访问大量数据的公司，这也正是为何亚马逊和谷歌在你还没想到的时候就能告诉你你想要什么的原因所在。我们会如何看待这样的一个世界——一个热感摄像头会探测到你的体温有点高而且在冒汗，然后弹出一条诸如星巴克的新浆果花冰之类的广告？或者说，也许一台面部扫描仪会注意到你大半天都愁眉不展，然后建议你“向你的医生询问左洛复[153]”？

即使是社交媒体好的品质，当它们被移植到现实生活之中时，同样会带来稀奇古怪的结果。使用AR，你的老板会“知道”今天是你的生日，或者你的丈夫刚离你而去，抑或你最喜欢的电视节目是什么。他知道一切，因为他戴着一副不易察觉的AR眼镜，这副眼镜会把你的在线档案的数据投射到你的头顶上，这是一个令人担忧的问题，原因有两个：其一，这在某种意义上重新定义了“知道”的意思。我们都已习惯了某某人记得你的生日，因为脸书告诉他了，但要是不只是生日的话会怎么样呢？一个人对你泛泛的了解被表露了出来，而且被投射了出来，这样的一个世界会有令人反感的地方。其二，如果你没有AR眼镜，那你和有AR眼镜的人之间便会有一种极大的信息不对称。

因为信息不对称在战争（尤其是现代战争）中是一个很严重的问题，所以一个主意是把这种软件提供给维和士兵。想象一下，如果一名士兵的任务是维持一座村庄的治安，他可以识别人脸并把统计数据显示在眼镜上的话，他便能记得每个村民的姓名，知道每个村民的需要，更不必说村民的宗教信仰、政治立场和社交关系了，这会或多或少地唤起这名士兵的共鸣吗？此外，不管这对这名士兵会产生怎样的影响，这些村民又会有怎样的感受呢？

我们在研究中反复遇到的一个主题是“削弱现实”（diminished reality）的概念，其想法在于我们有时会想要更少的真实感觉输入。在某种意义上，全浸式VR正是做这个用的。AR在更大程度上是一种混合，所以理论上，我们应该能在全面现实和全面虚拟间进行调节。这种东西无疑具有一些好的用途，比如说，患有焦虑症或由精神创伤所引发的疾病的人会希望选择性地减弱某些类型的感觉经验，但削弱现实在艰难抉择的环境下也许会显现出一丝不祥的迹象，比如说，你可以在上班的路上把流浪汉给屏蔽掉吗？或者说，一名士兵可以在一片作战区域中把敌方战士的面部表情给屏蔽掉吗？

AR的使用者必须能访问大量有关现实世界的数据，这对极为先进的AR系统来说是尤为重要的。在这些系统中，各种各样的修改都是对客观世界所做的。一个简单的例子，在一项AR体验中，所有的松鼠都在持续不断地射杀它们眼前的蜜蜂，而这需要不只一台能识别松鼠并跟踪它们运动的计算机。要使这种假象完美无缺的话，体验者应该偶尔会看到——比如说——从一棵树或一排栅栏后被火给熏出来的蜜蜂，而这需要非常优质的传感器或遍布各处的摄像头才可以实现，换言之，要在AR世界中获得一种更具沉浸感的体验，我们需要更多现实的数据。如果AR流行起来了，这或许便会导致消费者放弃更多的隐私。此外，不管消费者会有怎样的感觉，大公司和政府会掌握比以往更多的数据。

伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的阿兰·克雷格博士指出了另一个令人担忧之处：谁来管理投射内容和地点？假设你有一家商店，而某人在一套非常流行的增强现实系统中，往你商店的外墙上涂写上“这家店的店主是个傻子和无赖”。在这种情况下，你有权把这个涂鸦从增强世界中给“移除”吗？毕竟它没有触碰到你的任何东西。

事实上，在我们快写完这本书的时候，克雷格博士的担忧成真了。在《精灵宝可梦GO》中，一座“精灵站”（PokeStop）（玩家可以在这个地方获得免费的游戏道具）出现在了一家大屠杀博物馆里，而这家博物馆只好请求玩者停止在这个纪念大屠杀受害者的博物馆里玩这款游戏。

没过多久，人们真的在奥斯维辛找起了精灵。起初我们怀疑这是否是一个只涉及大屠杀纪念馆的很小的疏忽，可后来我们在《电讯报》上看到了一篇名为“广岛对原子弹爆炸纪念公园中精灵宝可梦的愤怒”的文章，所以……至少游戏运营商是无差别对待的。

克雷格博士指出AR能被黑客入侵，所以如果《精灵宝可梦GO》修复了杰尼龟亵渎死者神圣性的问题，但坏蛋们还是可以惹乱子，甚至是制造危险。要是你戴着AR眼镜在开车，然后一名黑客往你的AR眼镜里发送了一只猛向你冲来的虚拟翼手龙，导致你反射性地急打方向盘的话会怎么样？这会是令人惊叹的，但你也很可能会死于非命。如果AR是随处可见的，那黑客就可以入侵你对现实的感知。此外，你周围人和群体的感知亦将如此。

最后，有朝一日我们会忘记什么是虚拟的，什么又是真实的吗？克雷格博士说，电影目前就是真实影像与计算机生成影像的混合物，而且往往混合得非常好，以至于我们无法区分现实和虚幻。AR可以变得这么好吗？以至于我们有一天走在外面，全然不知在我们所处的环境当中，哪些景致是真实世界的一部分，哪些又只是投射的影像。这重要吗？

这将如何改变世界

当然，最为流行的观点是，AR会使娱乐活动发生翻天覆地的变化。能把魔术带到现实中，这为艺术家提供了一张崭新的“画布”。理论上，具有不断增长的复杂性的无限新世界可能会与现实世界融为一体，但很难知道一项新技术会如何塑造艺术的未来，特别是当AR成为一种更为严肃的媒介时。

其中令人激动的可能是教育的提升。AR技术允许人们与概念实体进行互动，这在主题难以被形象化的领域中或许会是特别有用的。物理中的立体概念往往会令学生十分困惑，但如果他们能把这些概念形象化，或者是触碰它们，那他们或许会更快地掌握物理知识。想象一下，原子间的相互作用在一堂化学课上是以一种虚拟物体的形式呈现在你面前的。

克雷格博士同伊利诺伊大学的兽医学院共同创造出了一头原物大小的玻璃纤维牛。如果你通过一款手机应用程序来看这头牛，那你便会看到这头牛的内脏分布，这对兽医学的学生来说将是一件令人惊叹的工具，这可以让他们把内脏的位置以立体的形式给形象化。

纵观历史，人类逐渐将工作负担从大脑里卸了出去。写作让我们无须去记住所有的事情，归档系统让我们不必记住信息的位置，现代搜索系统意味着研究一项主题的很多工作都被简化了，而成功的AR或许意味着一系列的心理活动能被转嫁给机器。

比方说，当你需要修理自己的打印机时，你很可能会找一份在线指南，然后根据这份指南来逐步排除问题，直到弄明白问题出在哪儿，而一套AR系统或许会在你进行修理的时候简单地向你展示分步说明。通过这种方式，你会更快也更成功地完成这项任务，而相似的方法或许可被用于烹饪或制造。

这似乎并不重要，但这可能代表了很多领域中效率的激增，比如说，工人们可以被更快地培训出来，而且可以避免更多工作时的危险。可以想象的是，一顶AR头盔甚至可以让一名专家更好地来进行他的工作，比如说，一顶AR头盔或许会提醒建筑工人注意不易察觉的危险的结构变化，而这往往是容易被忽略的。

AR也许还会在医学中被普及。对医科学生来说，完整解剖实验室（Complete Anatomy Lab）即将推出的埃斯珀计划（Project Esper）这样的解剖学手机应用程序可能会是一件有用的工具。此外，AR还有更多严肃的用途。一家名为Illusio[154]的公司开发出了一款使虚拟胸部增强成为可能的应用程序，它可以让对胸部手术感兴趣的女性看到自己胸部的影像。这种虚拟胸部可以按不同的衡量标准——诸如挺拔度和乳沟宽度——来调整。也许他们应该考虑出售一种家用版本。

言归正传，AR有一种切实的医疗功用。如果你需要做整容手术，和医生共享视野或许便会帮你避免很多问题。

其他的手机应用程序甚至可以被用于主动手术。如果一名外科医生可以在手术中把你的核磁共振扫描图投射在你的身体上，那他也许就能把切口切得更小、更精准。外科医生也许还能在一个人遭受毁容事故后，把这个人原来的外貌投射在他脸上，从而进行更为精准的面部重构手术。

在战争时期，或者在贫穷国家的农村地区，也许会出现需要立刻进行专业手术，可附近的外科医生却从未专门接受过相应培训的紧急状况，而AR在这种情况下也许能帮得上忙。使用AR应用程序（目前正在被开发），专业的外科医生能在手术过程中进行远程指导，甚至能在手术医生的视野中进行绘制，虽然手术病人很可能会更希望专业医生在手术室里，但在时间有限的时候，也许可以让专科医生为手术医生画一个大箭头，然后说：“切这里！”

一般来说，AR或许将能让我们快速地习得以往只有通过大量练习才能掌握的技能，这可以显著地提高效率，而且也许会在犯错便会出现危险的工作中挽救生命。

最重要的是，AR将给予我们机会去按我们的想象来重建这个世界。随着人类从稀树草原上迁移到摩天大楼中，我们抛弃了很多虚妄但令人安慰的神话和幻想，但使用正确的技术，我们能使龙翔九天，或者让小精灵在花园中起舞。我们能漫步在虚幻的世界里，那里有我们逝去的亲人。我们能探索我们个性的特点，甚至还能在某种意义上让人起死回生。

所以别太恨谷歌眼镜了，好吗？

话题关注——鼻周期

当扎克在阅读增强现实的相关资料时，他注意到了一件事情。我们有两只眼睛和两只耳朵，它们能够帮我们确定四周东西的位置。两只彼此稍稍间隔开来的眼睛允许你从两个略微不同的角度来看东西，而你的大脑会合并这两份视觉资料，然后用一种更立体的影像把这个世界呈现给你，这会帮助你弄清你面前的一个物体离你有多远。此外，两只耳朵会帮你弄清一个声音是从何处而来的。如果一个声音在你的右耳中比在你的左耳中听起来更响，那这个声音很可能就是在你右侧的某个地方产生的，但你的脸上有另一种成对的东西——鼻孔。我们想知道的是，比起两只鼻孔，一只鼻孔能帮你找出一股气味是从何处来的吗？

作为优秀的研究者，我们先去推特寻找了答案，可推特表示我们大错特错了。我们当时非常想知道正确答案，无论我们对错与否。

长话短说，我们的这个想法基本上是错误的，但就某些动物而言，这个想法并算不上错。事实证明有少量的动物——例如狗——能从每只鼻孔中采集不同的空气样本，也许还能通过对比样本来弄清一股气味是从何处来的。此外，凯莉读过的一篇论文提出蛇身上有某种通过气味传导的深度知觉。蛇会伸出它分叉的舌头来把化学物质收集在它的唾液里，然后把舌头伸向它口腔上方的凹陷处，这时唾液会被吸入名为犁鼻器（vomeronasal organ）的小的球状物中，而唾液中的化学物质会在其中被处理。

很多动物都有这种器官，诸如老鼠、狗和山羊，但只有蛇和蜥蜴有分叉的舌头。这篇论文的作者——库尔特·施温克博士（他的姓氏是一个用于描述用一条分叉的舌头来抽样气味的很棒的动词）——证明了分叉的舌尖允许其拥有者同时探测一条气味轨迹上的两个点，并通过对比来确定这条气味轨迹的移动方向。蛇可能同样可以用它们的舌头对空气中的两个点取样，从而推断出一股气味是从哪个方向传来的，不过这尚未得到证实。

你很可能没有注意到自己的一种无意识行为。在你想弄清一股很好闻的气味是从何处来的时候，你会把头冲着一个地方嗅，然后再冲着另一个地方嗅。你之所以会这么做，是因为你没有一条分叉的舌头，因此不能“施温克”。

在我们寻找人体中是否存在“气味深度知觉”的徒劳尝试中，我们偶然发现了令人惊叹的有关鼻周期的文献。你在直觉上是知道鼻周期的，但很可能从未仔细地思考过——在任何时候，你绝大多数的呼吸都是通过一只“活动中的”鼻孔来进行的。你的鼻孔每天都会交替地处于活动状态中，通常隔2～8小时轮换一次，那为何我们会有两只鼻孔，而不是一只巨大的鼻孔呢？

让我们来谈一谈你身体中的“黏膜纤毛自动扶梯”（mucociliary escalator），没错，你的身体里有一台由纤毛（想象一下细小的胡须是什么样的）所构成的自动扶梯，其主要用途是把黏液运送到你的嘴里（所以你才可以把唾液咽下去或吐出来[155]），这会让你的鼻子保持清洁，以供你呼吸和闻气味，而且会让你的下呼吸道保持无菌状态。

然而如果你在绝大多数的时间里只用一只鼻孔来呼吸，你体内的自动扶梯最终便会干透，而它一旦变干，就不能非常良好地工作了，而且敏感的鼻组织也可能会受到损伤。有解决方法吗？有，交替使用你的鼻孔[156]。

无论何时，你的一只鼻孔对允许空气进入所做的准备总会比另一只要好，这是由你的“鼻静脉窦”（nasal venous sinusoids）所实现的，其会在一个名为“鼻周期”的过程中充血。我们用“充血”这个术语是经过反复考虑的，因为有一篇论文[157]把鼻静脉窦称为“一种海绵组织，类似于勃起组织”[158]。循环使用你的鼻孔意味着它们中总有一个会从怀特博士所说的“空调或房屋清洁职责”中得到休息。

在我们读过的相关文献中，至少有一名作者提出，作为一种抵抗疾病的防御手段，鼻周期是正向调节的。本质上，你“鼻子中的勃起组织”始终在加班加点地制造液体，以使你免受环境中更糟糕的东西的侵害。

我们对鼻子的这种趣事进行了广泛的研究，但让我们最为欣喜的发现是，存在大量有关单边强制性鼻孔呼吸（UFNB[159]）的认知影响的文献。据怀特博士所说：“把这想成是强制鼻循环，如此一来，气流便会在所选的一侧处于支配地位，这会对下丘脑产生影响，而下丘脑控制着很多其他的身体和神经系统。”

在很多已进行过的实验中，本科生在考试中被强迫使用某只鼻孔呼吸。有显然说得过去的证据显示，正用于呼吸的那只鼻孔也许会影响你在智力测试和情绪测试中的表现，而且有不少论文同样发现，哪只鼻孔目前正处于活动状态中，会和出现幻觉以及精神分裂发作期之间有关联。

虽然我们对此有一点怀疑，但当我们想象那些天真的年轻本科生是如何被对待时，我们深信不疑。

第7章　合成生命机理

有点像《弗兰肯斯坦》，除了那个在整本书中都在为医学和工业做贡献的怪物

长久以来，人类一直在对生命机理修修改改，乐此不疲。

我们通过基因来更改生命机理的历史至少已经有10000年了，这其中包括了我们的食物。如果你想一想我们灵长类的表亲，那你便会发现它们的食物往往是多籽的，而且富含纤维，可我们最喜欢的食物却是诸如蛋糕、啤酒和啤酒蛋糕[160]之类的东西——省事的卡路里“运输工具”。

我们已经很擅长于更改生命机理了。我们一度把一种名为甘蓝的单一物种转变成了你儿时厌恶的各种蔬菜——抱子甘蓝、花椰菜、西蓝花、卷心菜、羽衣甘蓝、球茎甘蓝和羽衣甘蓝叶[161]。没错，它们全是同一种属，逐代被缓慢地修改成了1000种味道尚可的品种，而每一种都比上一种更适合搭配奶酪来食用。

我们对动物也做了同样的事情。还记得我们是何时把高贵的狼——森林和冻原的精灵——转变成了瑟瑟发抖的“大老鼠”，眼巴巴地等着附近满头金发的社会名流给它们带去研磨好了的食物和粉红色的毛衣的吗？就人类对大自然的统治而言，没有比这更好的表达方式了。

这些转变之所以会发生，是因为我们对周围生命的繁殖加以了控制，因为我们想让它们具有更多我们喜欢的性质和更少我们反感的性质，而这些物种的DNA[162]（脱氧核糖核酸）就这样被我们在不知不觉中给改变了，不过我们的祖先对DNA的改变是极其缓慢的，他们要历经很多代人才能实现小的改变，而且总是在对已存在的性状修修改改。

每当对DNA有更好的了解时，我们便会试图去操控它，比方说原子园艺，其基本想法是使用一种放射性物质来培育花园。在这种情况下，植物会以更快的速度产生突变，而这会让我们有更大的机会去发现某种非常酷的东西。要说明一下，受到辐射的植物并不会产生具有放射性的后代。放射线只是一种改变植物基因的便捷方法，可能会导致植物把突变基因遗传给它们的幼苗。

这么说也许听着古怪，但“诱变育种”（mutation breeding）领域（稍委婉一些的说法）确实创造出了很多你最喜爱的食物，例如当今的“宝石红”葡萄和“金色诺言”大麦（如果你喝过爱尔兰啤酒或威士忌，你很可能就喝过这种大麦酒）。

然而这种方法还是太呆板了，我们不仅要改变一大堆的DNA，还只能指望碰巧会出现一个明显是有用的突变体。要是我们可以采用一种崭新的方法，而不是挑选好的性状，或者随机修改一种有机体的遗传密码会怎么样？要是我们可以精确地改变基因，同时确切地知道将出现的结果会怎么样？毫无疑问，我们可以制造出一种更好的葡萄，还可以让生命超越当前的极限，可以让细菌成为小的医疗化学制品工厂，可以让微生物去我们难以探索的区域获取读数，甚至可以在几十年内改变人类的DNA。

我们将完成从自然生命机理到合成生命机理的跨越。

要弄清这一切会如何发生，那你就得对DNA有一些基本了解。

DNA

在所有的多细胞有机体（例如蘑菇和人）中，每个细胞内部都有一个名为细胞核的独特部分，而细胞核里又有一种名为DNA的非常长的分子，你可以把它们看作是一种以螺旋形盘绕起来[163]的特别长的绳梯，也就是著名的“双螺旋”。

这架梯子的“横档”是由两个小分子（分别来自于这架梯子的一侧）所构成的，而这两个小分子会彼此交融，像手上戴着手套[164]，好吧，也许我们应该说像手上戴着手套或脚上穿着鞋子，因为存在两种配对方式。这些小分子名为碱基，分为四种通常被缩写为T、A、C和G的功能类型。T碱基永远只和A碱基配对（手上戴着手套），而C碱基永远只跟G碱基配对（脚上穿着鞋子）。

如果你横向扯断这架螺旋形的梯子——相当于把手和脚分别从手套和鞋子里猛抽了出来——那你便会看到两长串碱基。如果你按顺序从头到尾地来读它们，那便会像是“AAGCTAACTACACGTTACTG”，只是会比这长得多，就像在人体中会比这长上1亿5000万倍。

这些字母会把你身体为做所有事情所需的信息都译成编码，换言之，绝大多数在你体内发生的事情都是由蛋白质完成的。人们通常会把蛋白质看作是在你吃一口鸡肉的时候一同被咽进肚子里的东西，但“蛋白质”这个词指的是一大类分子，它们在你体内充当着几乎包办了所有任务的小型机器，而DNA则相当于一座收藏了蛋白质制造指南的图书馆[165]。

现在想象一下，一架螺旋形的DNA梯子旋了开来，同时每个横档从中间断了开来，如此一来，这架完整的梯子便对半分开了。在这种情况下，一种名为RNA[166]（核糖核酸）的新分子会形成于其中半架梯子的横档断裂面上，使这半架梯子重新变完整。RNA是一种镜像分子，对应着为它们提供形成表面的DNA，所以如果对应的DNA片段表达的是“AGCT”，那RNA便会形成“TCGA”[167]，或者说，手成了手套，鞋子成了脚，反之亦然。

作为遗传信息的载体，这一段新的RNA（被称为信使RNA）在形成之后会离开细胞核，去往细胞中的其他地方，直到遇到一个名为核糖体的结构。核糖体会“读取”这段RNA中以三字母词族为形式的编码，例如“AAA”“GCT”或“CAT”，然后在内部把这些三字母“单词”逐一转化成一种供氨基酸——细胞用于制造蛋白质的分子——使用的黏点。

另一种RNA（被称为转移RNA）则会把氨基酸带往核糖体，然后把它们固定在适当的黏点上。在被固定后，每个氨基酸都会同相邻的氨基酸发生化学键合，形成一条长链，然后折叠成复杂的形状，而这些形状能让蛋白质移动，推动化学反应，以及变各种各样其他所需的戏法，如此一来，你才能继续做着像吃薯片或冲着新闻大喊大叫这样的事情。

好吧，这有一点复杂，让我们来做一个类比。

把DNA看作是一座图书馆，这其中收藏了各种东西的制造指南。在这个类比中，如果你随意翻开其中的一本书，那你便会发现上面写了一大堆莫名其妙的单词，比如说“TNIOJ，EVLAV， POTS，SNEL，EBUT，SNEL，EBUT，TRATS，EVLAV，GNIR， SNEL……”，而且诸如此类的东西写满了成千上万本书，但如果你用一块弹性橡皮泥[168]（Silly Putty）来制作一份镜像拷贝，你便会在这块弹性橡皮泥上看到“LENS，RING，VALVE，START，TUBE， LENS，STOP，VALVE，JOINT”[169]，而这些单词似乎有某种含义。注意，这里面有一个存在逻辑含义的片断：“START，TUBE， LENS，TUBE，LENS，STOP。”[170]当这些东西按这个顺序被装配在一起时，它们便成了一架望远镜，所以可以说，这是望远镜的制造编码。

然而望远镜是乏味的，让我们来换一种很酷的东西，比如说扎克最近的创造计划之一——世界上第一片一次性单片眼镜。凯莉认为这项计划很愚蠢，但她错了[171]。

在这座图书馆里的某本书上，写了一次性单片眼镜的制造编码，其镜像拷贝读作“START, RING, LENS, CHAIN, WRAPPER, STOP”[172]，所以你可以用弹性橡皮泥来制作一份拷贝，然后把它带出图书馆。

为何不直接在图书馆里制作一次性单片眼镜呢？原因有很多，但最关键的一个是在图书馆设一个制造车间可能会意外损坏馆藏书籍。如果你弄坏了这份“如何制作一片一次性单片眼镜”的拷贝，你仍然可以回到图书馆，用弹性橡皮泥再制作一份，可如果你弄坏了书上所写的一次性单片眼镜的制造编码，那制造一次性单片眼镜就不可能了，而错误的拷贝只会让你制造出完全没用的东西来，或者甚至是非常糟糕的东西，比如说“START, RING, GASOLINE, LENS, CHAIN, FIRE, STOP”[173]。此外，如果你想同时制造很多片一次性单片眼镜，那你就得制作很多份拷贝，并将之分别送往多家工厂，因为图书馆的空间毕竟是有限的，你无法在其中建设大量的制造车间。

总之，拷贝一旦离开图书馆，就得被送往装配点，亦被称为核糖体。装配人员会给弹性橡皮泥上的每个单词涂上胶水。接下来，零件递送员（转移RNA）会带来零件，并将之分别黏在对应的参考词上。如果一切顺利，你便会得到一片一次性单片眼镜，或者（如果制作了很多份拷贝）一大堆的一次性单片眼镜，同时你可以选择把弹性橡皮泥给丢了，或者再次用于制造一次性单片眼镜。

正是如此，DNA展开，RNA副本被制作出来，离开细胞核，去往核糖体，最后蛋白质在核糖体中被装配起来。

DNA大致就是这样工作的，但实际过程可能会比这更为复杂，如果涉及了诸如反馈环路和合并编码词族之类的事情。

“等一下！”你说，“人们谈起DNA时总是会提到基因。”这怎么说呢？好吧，事实证明，科学家难以从概念上确切地说明一个“基因”是什么，或者说，至少难以给出完美的定义，但这并不一定是一个至关重要的问题。你平时会抱怨经济吧？肯定会。好吧，你能给经济下个定义吗？一种思考单个基因的方式是把它当成一个似乎是做一件特定事情的DNA词族，无论我们知不知道这件特定的事情是什么。每个人都有一部分DNA会通过上面这个过程来决定这个人的血型。当然，不同的人有不同的血型，但这反映了他们的血型基因具有不同编码的事实。B型血和A型血的人都有一种“血型基因”，但基因中的编码略有不同。

即便如此，可就绝大多数你或许会在一个有机体中辨认出来的特征而言，没有哪种特征是对应着单个基因的。事实上，单基因性状是非常罕见的[174]。即使是像头发颜色和眼睛颜色这样简单的性状，也都是很多不同基因的产物。

为何非得是这样的呢？好吧，记住，这整套系统不是由某个人设计的，它是几十亿年进化的产物。如果这套系统是由人类制造的，那每个性状可能就都是由一个特定的DNA词族制造的，如同一台计算机的每个部件都是一个独立的模块一样，但我们对进化历史的认识是停滞不前的。

比方说，假如有一种名为“天才”的基因，它的宿主比其他人喜欢上佩戴一次性单片眼镜的可能性要高出15%，但这并不能保证这种罕见、珍贵和文明的性状绝对会出现在这些人身上。在同其他基因结合后，“天才”也许会把这种可能性增加到几近100%，但如果其他基因全都抵制“天才”，那这个不幸的人也许便会完全丧失对得体的视觉装置的品味。这只是一个非常简单的例子，性状和基因的关系有时比这要更为复杂，比如说，如果你有A基因和B基因，但没有C基因，你便会受到一种影响，可如果你有A基因和C基因，但没有B基因和D基因，你便会受到另一种影响。

一个特定的基因一般只会讲一个故事的一小部分。

就我们的目的而言，我们想让你意识到的重要问题，是生命机理从根本上来说有点像是一间杂乱的阁楼。如果你挪动了这边的一样东西，或许便会导致那边发生一次垮塌，这意味着如果你想繁育——比如说——有巨型牛角的牛，那长久以来最简单的办法便是找来一头有大牛角的公牛和一头母牛，不过这头母牛的父亲也得有大牛角，再给它们放一点能营造气氛的音乐，然后就顺其自然吧[175]。

这种方法足够有效，特别是在你的工作不是做……让我们称之为牧场管理员的情况下，但对想成为疯狂科学家的人来说，DNA的复杂性（更不必说它的微小性）限制了我们能改变生命机理的速度和幅度。人类的历史是很短暂的，只有很少的物种被我们改变过，用以专门制造我们喜欢的东西。我们设法控制了会将糖转换成酒的酵母，但为何没有一种会将糖转换成——比如说——喷气燃料的酵母呢？它们都是化学物质，对吧？而DNA里又恰好有一组组表达制造某种化学物质的词族，这是不是意味着我们可以通过替换这些编码词族来制造不同的化学物质呢？

合成生命机理的希望是什么？如果我们能创造出新的DNA片段，并把它们插入一个有机体中我们想插入的位置上，那我们便能创造出从未存在过的生命机理，像是可以把癌细胞转变成正常细胞的分子机器，能消灭自身种群的害虫有机体，或者甚至是等待我们发出指令的通用有机体，而这就是定制生命。

我们的现状如何？

我们目前所知的合成生命机理始于20世纪70年代，其早期方法复杂且低效，然而如今生活中很多被我们认为是理所当然的事物都是源于那个时代的。要是没有转基因大肠埃希杆菌（亦被称为大肠杆菌）和转基因酵母，人型胰岛素（很可能[176]是很多人想要的类型）是不可能被大批量地生产出来的。在这之前，我们使用的是从牛和猪的胰腺中获取的动物胰岛素，但这要宰杀很多动物，而且有些人会对牛和猪的胰岛素分子过敏。

用大肠杆菌来制造人型胰岛素被证明是一个相对简单的过程，而且相关的技术问题在20世纪70年代后期便被攻克了，但通过这种方法来制造其他药物已被证明是非常困难的。

抗击疾病

人类已设法消灭或控制了一些疾病，可其他的疾病已被证实是很难被治愈的，例如疟疾。世界卫生组织估计2015年出现了2.14亿起疟疾病例，造成了43.8万例死亡。比起20年前，这其实是一个很大的进步了，但我们还有很长的路要走。一种特别有效的疟疾疗法是使用一种名为青蒿素的化学制品。

青蒿素是一种从中国黄花蒿植物中被提炼出来的化合物。使用基于青蒿素的药物是我们治疗疟疾的最佳方法之一，但正如每个中国黄花蒿爱好者都知道的，种植足够数量的黄花蒿既昂贵又费时，这是很不利于治疗疟疾的，因为绝大多数的疟疾病人都居住在经济贫困的撒哈拉以南的非洲。此外，中国黄花蒿的价格还很不稳定，比方说，其价格在2003年为每磅135美元，2005年猛涨到了495美元，虽然2006年回落到90美元，可2011年又变成了405美元。当价格下跌时，农民会停止种植这种植物，这会造成短缺，而短缺又会使价格上扬，可谁都不愿看到抗疟疾药物总是出现短缺。我们无法摆脱这个循环的部分原因是这种植物的生长周期太长了，所以找到一种快速而可靠的方式来供应青蒿素，应该会把均价给降下来，或者至少会让价格和药物供应保持得更为稳定。

为了设计出一种简单的有机体来制造这种药物，阿米瑞斯公司（Amyris）的克里斯·巴顿博士和加利福尼亚大学伯克利分校的杰伊·基斯林博士曾将研究重心放在了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae[177]）（亦被称为啤酒酿造者的酵母）上。作为人类友好的朋友，这种小的真菌可以把糖转化成酒。

其挑战在于制造青蒿素并不是一件轻而易举的事。如果你认为“青蒿素”念起来很拗口，那就想一想它的化学名称——（3R，5aS，6R，8aS，9R，12S，12aR）—八氢—3，6，9—三甲基—3，12—桥氧—12H—吡喃[4，3—j]—1，2—苯并二塞—10（3H）—酮。

想获得一些青蒿素，就必须生成一些会按正确顺序发生化学反应的化学物质。为了让酿酒酵母生成合适的化学物质来按合适的顺序发生合适的化学反应，巴顿博士和基斯林博士的研究小组用了10年的时间来改变酿酒酵母的DNA，最终制造出了一种会吐出青蒿素酸的转基因啤酒酵母，而青蒿素酸很容易被转化为青蒿素。

这种方法很有效，但基于这种方法制造出来的药物很难在市场上获得竞争力。当这项新技术进入市场时，正值青蒿素处在一个特别低的价位上，所以这种昂贵的转基因酵母在老方法面前完全没有价格优势。我们不完全确定这里的失败者是谁，但这是一次对技术变革既关乎科学上的聪明才智，又关乎市场现实的很好的教训。

况且，疟疾在一些地区已开始对基于青蒿素的药物产生了耐药性，进化帮了倒忙。那要是我们可以利用合成生命机理，在一开始便阻止人们患上疟疾会怎么样？

携带疟疾并将之传播给人的蚊子往往会对杀虫剂产生抗药性。蚊子繁殖得很快，这意味着每一代蚊子都会有很多机会来繁育突变体，而这些突变体能使人类最好的武器失效。一种能让我们赢下这场竞赛的早期办法是这样的：

母蚊子往往只会交配一次。要是我们可以欺骗它们去与一种不育的公蚊子交配会怎么样？这应该意味着产生更少的可爱的蚊子宝宝[178]，而这又意味着更少的疟疾传播。制造不育的公蚊子的策略是让公蚊子暴露在辐射下。这确实会使公蚊子绝育，但是，好吧……事实证明，当你让一个男人暴露在大剂量的辐射下，也许会增加他独自入眠的机会。

后来，直接改变蚊子的基因变成了可能，之后科学家往蚊子的遗传密码中加入了一个额外的基因。带有这个基因的蚊子需要一种名为四环素的抗生素才能存活。科学家可以在它们出生的时候给它们四环素，然后让它们离开去交配，而它们繁殖的后代同样需要四环素才能存活，可这些蚊子并没有一名会用抗生素为它们“洗礼”的科学家，所以它们在能够繁殖下一代蚊子之前便会死去。

好吧，虽然这种办法在短期内便能见效，但其成本非常高昂。当一个能使蚊子后代死亡的基因被引入一个蚊子种群中时，这个基因并不会存续太久，这个种群中的蚊子在数代之后便会重整旗鼓，这意味着如果想让蚊子的种群数量不断下降，就必须反复地向其中引入基因被精确改造过的蚊子，除非有一种基因驱动器（gene drive），其工作方式是这样的：

当情到深处时，一对恋人会关上灯，然后结合他们的DNA。如果诸事顺利，他们便会有爱情的结晶。现在假设存在一种鼻毛颜色基因[179]。这个新妈妈会遗传给孩子一个黑色鼻毛基因，而这个新爸爸会遗传给孩子一个橙色鼻毛基因。在这之后，这个孩子后代的鼻毛颜色同样会受到这两个基因的影响。

然而现在想象一下，这个橙色鼻毛基因并不是一种普通的基因，除了为橙色鼻毛编码外，这个基因还会摧毁这个新妈妈的鼻毛基因。当这发生时，DNA会以复制橙色鼻毛基因的方式来修复被摧毁了的基因，所以这个孩子这时就只有橙色鼻毛基因，而没有黑色鼻毛基因了。

这会发生什么呢？好吧，这个孩子肯定会有橙色鼻毛，但之后……会发生一件更为不祥的“橙色”事情，这就是他所有的弟弟妹妹都会有橙色鼻毛。此外，他的孩子和他弟弟妹妹的孩子同样会有！这是真的，尽管橙色鼻毛会（令人费解地）让这个孩子的外表没那么迷人。他或许不会有太多的孩子，但这些孩子无一例外都会有这个“自私”的基因。

因此，基因驱动器意味着合成生命机理能被强加于整个野生种群。哈佛大学的乔治·彻奇博士和其他人已成功地把疟疾免疫力的多重基因驱动器植入了蚊子体内。通过这种方式，我们有可能可以一劳永逸地让蚊子免疫疟疾，而不必按季度释放转基因蚊子。即使疟疾免疫力会让蚊子的繁殖概率降低，但这种基因应该会在蚊子种群中呈几何级数扩散。

彻奇博士说，他们的目标是彻底根除疟疾，但为了消灭整个物种（即使这个物种是一种害虫）而在野外释放一种带有转基因DNA的有机体，一定会引发一些科学上的愤怒。美国国家科学院的一个评审小组认为这项技术具有良好前景，但在准予把这些蚊子释放到野生环境中之前，他们希望看到更多的相关研究。

医疗诊断和治疗

当你的狗跑回家时，它无法告诉你它在泥浆里打了滚，还吃了松鼠，可不知为何，你就是知道，可能因为这只狗的身体在气味和外表上记录下了它这一天的行程。一些科学家怀疑细菌是否也是如此。这将是很有用的，你可以把细菌送上一趟穿过你消化道的魔法之旅。它们可以制作一本这趟旅程的剪贴簿，然后在……出现的时候将之交给你的医疗服务提供者。这样的描绘并不是最讨人喜欢的，但这或许比目前在你体内放置一个摄像头的方法更好。

哈佛医学院的帕梅拉·席尔瓦博士和实验室的同事想出了一个主意：我们能否创造出一种可以把信息先捕获进一个细菌的DNA中，然后再恢复这些信息的合成机制？简而言之，我们可不可以让细菌“观测”它们所处的环境，然后通过自身的某种改变来告诉我们它们看见了什么？而答案是肯定的。

其想法是这样的：两个带有相同起始DNA的同类细胞可以从它们的环境中取得差异，比方说，DNA中也许存在着某种会改变DNA编码方式的分子，或者某种会导致特定的基因表达较高或较低的化学反馈环路。此外，在某些情况下，一个细胞也许会把它所取得的变化遗传给后代。

如果这些变化会持续地以一种能被我们破译的形式而存在着，那它们便可以告诉我们这个细菌细胞在旅途中“看到”了什么，可问题是细菌并不是为这种用途而设计的，这有点像刚刚说过的狗——如果它跑到了邻居家里，突然开发出了智力，接着偷了钱杀了邻居，玩起了网络扑克，可没一会儿就在一招搞砸了的偷鸡[180]（bluff）上把钱给输光了，为此发了疯并丧失了智力，然后穿过一大片淤泥跑回了家，好吧……你只会看到地毯上有泥浆。

你可以轻易地给一条狗绑上一个摄像头，可你怎么给细菌绑呢？细菌太小了，而且太阳不会照到它去的任何地方。

DNA中有一种化学环路[181]，DNA在其中会制造出一个分子，而这个分子会告诉DNA再制造一次。这有点像你制作一块指示牌，上面写着“当你读到这块指示牌时，制作一个复制品，然后读它”。这种环路一旦被触发，指示牌就会永远地被制作下去。

理论上，这种化学环路应该能像记忆一样工作。为继续指示牌的类比，让我们假设你有一个心理程序，而这个程序会这样运行：“当你的裤子滑落时，制作一块上面写着‘当你读到这块指示牌时，制作一个复制品，然后读它’的指示牌。”如果我们在之后看到你在制作不计其数的指示牌，我们便可以推断你的裤子很可能已经滑落了，而且你不必再读指示牌了。

DNA会以一种类似的方式来工作：环路一旦被打开，就会循环往复。此外，这种主动环路会在细胞系中代代相传，其存在时间至少足以让我们从中恢复有用的信息。

席尔瓦博士的实验室已实现了这个过程。他们创造出了一种可以被注入细菌DNA中的合成DNA环路，这种环路会在细菌处于某些条件下的时候被触发。因为这种环路是人工合成出来的，所以我们可以决定这种环路会制造出哪种化学物质，这意味着我们能选择一种——比方说——在某些类型的光下会发光的可被轻易探测到的化学物质。

这或许会是有用的：癌细胞往往会经历反复的缺氧，因为它们的生长速度太快了，以至于它们无法得到充足的血液供给。事实证明，反复的缺氧会在癌细胞中产生一种可被探测到的化学信号，所以席尔瓦博士的主意是把可编程的记忆细胞植入一个人体内，然后通过检查来观测这些细胞是否探测到了低氧区域。如果探测到了，那它们很可能就发现了实体肿瘤。

这种方法尚处于研究阶段，但其临床应用价值可能将是惊人的。这种制造细胞大小的可编程传感器的普遍方法一旦被实现，通过编程细胞来探测各种各样的事物的大门便会向研究者敞开。

当你把这种方法同席尔瓦博士其他的研究结合起来看时，事情便会变得十分有趣，比方说，席尔瓦博士和同事在2016年发表了一篇题为《一种会破膜来释放囊封货物的可调节蛋白质活塞》[182]的论文，换言之，通过编程细胞，我们不仅能等着听取问题，还能提供治疗。

这种方法可能会具有多重用途，从递送癌症药物到治疗肠激惹综合征[183]，而且是定向的。现在当你肠道发炎时，你会口服阿司匹林，将这种化学物质在你全身释放，可你的身体只是局部发炎。理论上，我们可以创造出一种只有在探测到炎症的化学特征的时候才会释放阿司匹林的细菌物种。正如席尔瓦博士的研究所表明的，如果这种办法可以被普及，各种各样的药物可能就都可以被正确地递送到相关的目标上，使药效最大化，同时使副作用最小化。

来自于非人类生物的器官

如果将上面的方法按比例放大一些，那通过合成与修改大型动物来制造我们喜欢的东西也许便会成为可能。我们在第9章中将谈论从零开始快速制造完整器官的挑战，但我们已经知道如何利用动物的身体来制造器官了，所以当你下次看到一头猪时，也许你联想到的应该是一台用于打印肾脏的3D打印机，而不是一盘培根。

事实证明，虽然猪的器官和人的器官在尺寸上是接近的，但跨物种器官移植——其名称为“异种器官移植”（xenotransplantation）透着不祥的感觉——在有效性[184]上一直不太成功，而且目前绝大多数的相关研究所侧重的都是非人类动物间的器官移植，例如，把猪的器官移植到狒狒身上。我们仍然未能想出如何避免让受体动物的免疫系统杀死供体器官的办法，不过还是取得了一些进展。如果供体动物的器官在受体动物的免疫系统“看来”更像是本体的器官，跨物种器官移植便会变得容易许多。

正如我们能通过修改酵母的DNA来制造疟疾药物，同样我们应该能“人化”猪的器官。你的身体之所以知道你刚得到了一头猪的心脏，而不是一个人的心脏，其部分原因在于猪的心脏既含有又会制造出很多相似于人类版本的细胞，但其差异足以被免疫系统认定是异质的，比如我们先前提到过的猪版本的胰岛素。通过修改猪的遗传特征，我们应该能让猪的器官在分子状态上非常近似于人的器官。

一些科学家在不久前宣布，他们使用这种方法和用于减轻免疫反应的药物让一头猪的心脏在一只狒狒体内存活超过了两年[185]。有些人也许会对把猪的器官植入人的体内感到不适，但如果他们急需一颗肾脏，他们就不会有这种感觉了。

一件令人更为担忧的事情是，人类会意外地患上来自于猪身上的全新疾病。eGenesis公司的杨璐菡博士和实验室的同事正致力于应对这种潜在的可能。这里的问题在于猪的DNA中含有名为PERVs[186]的“猪内源性逆转录病毒”，PERVs会释放能感染人的微粒，因此杨璐菡博士研发了一项用于从猪的DNA剪掉PERVs的技术，其名为CRISPR-Cas9（下面很快会讨论），虽然这并不能消除一切风险，但起码能消除最可怕的其中之一。

燃料

电池很可能是目前最好的化学家。

——帕梅拉·席尔瓦博士

2009年，哈佛大学的丹·诺切拉博士发现了一种相对廉价的催化剂。这种催化剂只需一点能量便能把水分离为稳定的氢和氧，这可能是一项重要发现，因为当我们把水分离为氢和氧时，我们就有了一种极佳的蓄能形式。当你把这两种元素聚集在一块，同时施加一些能量时，它们便会重新化合为水，而你则会得到一场大爆炸。从根本上来说，氢燃料电池变的就是这种戏法，只是没有爆炸的部分。

其想法是用热量来分离水，然后在需要能量的时候通过聚合氢和氧来制造廉价和清洁的燃料电池，这其实是发电站如何制造能量的一种简易和可控的版本。席尔瓦博士说：“光合作用是最令人惊叹的自然现象之一，其过程是为了收集阳光，并将之转换为进行制造所需的能量。这是地球上的生命之基……光合作用中关键的化学反应之一被称为水分解反应。”

然而对诺切拉博士来说，事情发展并未按计划进行。这种方法很有效，但氢燃料电池从未作为一种能量贮存方式而流行起来，而且传统的老式太阳能电池在价格上的骤降让事情变得更糟了，他只好把这个主意暂时搁置了起来。利用水分解有着很大的潜力，不过我们从中获取能量的方式是缺乏效率的，于是席尔瓦博士萌生了另一个主意。

她的实验室推出了一种可以使氢、氧和二氧化碳发生化合，然后转化出异丙醇——一种能从水中被分离出来的燃料——的转基因细菌，并基于这种细菌设计出了一套向其中投入一种金属催化剂、水、细菌和二氧化碳便会制造出一种能够驱动暖炉的化学物质的系统[187]。

如果你想一想，便会发现这有点疯狂。只要把正确的材料和生命机理放在水中，并使之得到一些光和热量，它们便会形成燃料。此外，因为这在模仿生命，从空气中提取二氧化碳，所以这种燃料是更为环保的。

席尔瓦博士告诉我们：“我们的贡献是……让这个过程同水藻——很可能是最好的光合作用系统——一样高效。实际上，我们现在已经击败水藻了。我记得我们在最早的论文中说我们会战胜植物，而我们现在已经战胜水藻了。”

他们目前正在验证这个过程能否以低廉的价格来完成，还有能否按比例被放大。

另一个研究小组正在研究如何把柳枝稷转化为喷气燃料。如果你从没听说过柳枝稷——它是一种遍布北美的高大的绿色植物，即使是在贫瘠的土壤里，这种高抗性植物也可以在短时间内生长得非常茂密。

也许你不记得高中所学的植物学了——作为植物的主要结构成分之一，纤维素是一种非常长的糖分子链，所以你可能正在想：“那为何树的味道尝起来并不好？我总是会舔各种各样的植物，可它们的味道几乎从来都不是甜的啊！”

首先，别再舔了。其次，纤维素链很难分解成美味的糖分子。除非你用经过特殊研制的酶将之分解为糖分子，否则你无法消化它们，而这便解释了为何牛具有复杂的消化系统——它们能把极难被消化的草令人不可思议地转换为牛肉。

然而，在一头牛的体内来从事物质转换工作绝不是一个好的选择，所以安卓拉·穆克帕德亚博士在联合生物能研究所（Joint Bioenergy Institute）领导的研究小组造出了一种能把可再生植物资源（例如柳枝稷）转换成D—柠檬烯的细菌。这种细菌能把预处理过的柳枝稷中的纤维素分解为很小的糖，然后再把这些糖变成D—柠檬烯。

他们希望把这个过程推进到细菌会直接吐出喷气燃料的阶段，但在一个罐子里达到转换出D—柠檬烯的阶段，就已经省去了制造生物喷气燃料通常所需的很多步骤。此外，因为这种转换的碳源是空气中的二氧化碳（这也是柳枝稷合成纤维素的碳源），所以从理论上来说，这可以让我们在不往大气中增加二氧化碳的情况下得到喷气燃料。

这样的生物燃料对降低我们对石油产品的依赖有着巨大的潜力，但其成本至今仍是一个很大的挑战。石油价格在不断地走低，所以我们离把杂草转化为喷气燃料也许还尚需一段时日。

环境监测

席尔瓦博士能给予细胞记录并报告它们在人体中经历了什么的能力，那我们可以在开放的环境中这样做吗？

乔夫·西尔伯格博士和卡丽·马塞洛博士是莱斯大学的一对教授夫妇，丈夫是一名合成生物学家，而妻子是一名地质学家，但不知怎么的，他们设法跨越了学科的间隔，寻觅到了爱情。

马塞洛博士的研究对象是生物碳。生物碳是植物物质在缺氧的情况下经过高温炙烤而产生的，可以锁住最终未回到大气中的碳，而且常常会被添加到土壤中，用来促进植物的生长。我们不大清楚为何生物碳会有助于植物的生长，但也许是因为它们会改变土壤中微生物的构成。马塞洛博士曾想要一种可以向她报告微生物在有生物碳和没有生物碳的土壤中会有怎样的存活状态的细菌，所以她要求西尔伯格教授为她制造一种合成微生物，作为情人节的礼物，没错，这是真的。

西尔伯格教授因此创造出了一种会释放土壤中不常见气体的细菌，所以我们只要将这种合成微生物置于土壤中，然后监测气体的排放，便能“偷听”微生物的行为，而不用把它们磨碎，再加以分析了。

我们中绝大多数的人都不会觉得含有气体的土壤微生物有多么浪漫，但这项技术的使用范围可以被扩展到环境污染上。一些研究小组已创造出了在有砷和水存在的情况下会发光的转基因细菌。砷越多，这种细菌就越亮，像是一盏以毒药为燃料的夜灯。

一项类似的技术有可能被用于发现和监测有毒的环境，因为先进的合成生命机理已经能让我们为细菌编写远比“如果探测到毒素，那就发光”要复杂的程序了。

这个领域中的一个主要障碍是剧毒环境对细菌来说同样是有害的，所以当细菌没有发光时，这并不一定是因为细菌没有探测到砷，也可能是所有的细菌都死了。科学家正致力于解决这个问题，一个主意是使用已经适应了有毒环境的高抗性有机体，而另一个主意是创造更为复杂的信号机制，类似于“红灯意味着有毒，绿灯意味着无毒，完全没灯意味着我的天啊！逃命去吧！”。

如果人们决定了他们不会在乎满世界乱跑的合成细菌，你便可以持续地监控几乎任何一个地方的环境状态了。如果一个特定区域的土壤开始发出绿光，那我们便会知道那里有砷，而蓝光可能意味着存在有毒剂量的水银，黄光可能表示有铅。总之，如果你遇到了一座神秘的小海湾，海水泛着五彩的光，那就别喝那里的水。

普及合成生命机理

以上这些事情都非常的棒，但也很难实现。自20世纪70年代起，已经出现了各种各样直接修改遗传特征的办法，但这些办法既困难又昂贵，还耗时，但在过去的若干年里，一种新出现的方法有望改变一切。

一个由詹妮弗·杜德娜博士在加利福尼亚大学伯克利分校（和霍华德·休斯医学研究所）所领导的研究小组，发现了一种制造分子剪刀的办法，这要归因于细菌免疫系统工作方式的一种古怪特性。存在于细菌体内的这套系统名为CRISPR-Cas9，这个缩略词[188]是“聚合规律性间隔短复发性重复”的简称，跟保鲜储藏格的发音是一样的[189]。

自然出现的细菌没有人类一样的记忆储存，它们看不见、听不见，也不会思考，但能击败它们之前遇到过的病毒。不知怎么的，细菌会“记住”并攻击病毒。

其工作方式是这样的：当一个病毒感染了一个细菌时，病毒会把它的遗传物质碎片注入细菌的细胞壁内。为了制造更多的病毒颗粒，这些遗传物质碎片会试图取代细菌的运行机制，但细菌能用一种名为Cas的蛋白质予以反击。如果反击成功了，那Cas便会把病毒的部分遗传物质填入细菌DNA中一个特殊的区域里，而这就为细菌提供了一种记住病毒的办法。

从此以后，当这个细菌碰见了相同的病毒时，它便会根据储存的编码“辨认”出这种病毒，然后在辨认出来的地方切除这种病毒的蛋白质，不过细菌并不是出于一种罪有应得的感觉在辨认出来的地方进行切除的——而是在有病毒进攻的时候，把它们切碎是一种相当好的防御方式，这对人类来说则是一件便利的工具——Cas好比是定向分子剪刀，永远只会在某个基因位置上剪。

此外，因为一个健康的细胞在它的DNA被剪断后，会尝试以把两个末端连起来的方式来自行修复，所以在这种修复发生前，我们可以向这个缺口中放入合适的新分子，等待DNA自行弥合断口，然后嘭的一声！你成功地把一段新编码插入了一个细胞的DNA中，一个活细胞的DNA中。

张峰博士所在麻省理工学院的实验室团队和乔治·彻奇博士的实验室团队找到了将CRISPR-Cas9用于老鼠和人类的方法，所以自2013年起，我们就已经能在各种各样的有机体的细胞中随意地剪切并插接DNA了。我们该怎么做？扮演上帝吗？用科学的大炮去围攻古老的大自然之谷吗？如果有人真这么做了，别介意。

当然，正如伊甸园的故事所说的，当你在某些已经存在的有机体中扮演上帝时，它们不会总是规规矩矩的。在我们能从零开始制造出全部的有机体之前，我们不得不瞎琢磨由大自然所制造的生物体内的DNA。

最简单的有机体

J.克雷格·文特尔博士同由弗朗西斯·柯林斯博士所领导的美国国立卫生研究院，曾进行过一场著名的人类基因组破解竞赛。你可以感受一下文特尔博士的个性——他曾根据“我们该担心什么”的写作提示写了一篇文章，这篇文章的开头是这样的：“作为一名科学家、乐观主义者、无神论者和男人中的男人，我没什么可担心的。”

瞧，如果我们需要一个人来扮演上帝，他便是我们要找的那种人。除了时时刻刻无所畏惧地把男人中的男人做到极致外，文特尔博士的研究团队正致力于创造尽可能简单的有机体。

他们的主意是，如果有一个极为简单的有机体，那要推断出当它的DNA被改变时将发生什么，应该会是一件相对容易的事情，这相当于一张用于创造新基因的空白画布，因此科学家可以通过这种方式来更快地弄清他们对基因的改变会有怎样的结果。

他们是从一种名为生殖支原体（mycoplasma genitalium）的有机体着手的，如此命名的原因在于这种有机体是在人的生殖道和尿道中被发现的。除了便于定位，这种有机体还有一个极短的基因组。为了弄清有哪些基因是这种有机体存活所必需的，他们对这种有机体的基因逐一进行了剪切。有时失去一个基因会使这种有机体死亡，但有时不会。在进行了大量的工作，并且（令人遗憾地）把研究对象换成了一种名字没那么有趣，但和之前的有机体具有亲缘关系的物种[190]后，他们得到了一种只有473个基因[191]的有机体。相比之下，人类大约有20000个基因。文特尔的研究小组将这种新的有机体命名为实验室支原体（Mycoplasma laboratorium）。

文特尔博士是一个无神论者，但他将这种有机体的最新版本命名为Syn3.0，以免真触怒了一位神。为了亲眼看看Syn能为他们做什么[192]，投资者已开始报名参观了。

生物黑客和标准部件

对我们中那些并不会为一个天才创造了一种专利生命形式感到很激动的人来说，还有一种通向合成生命机理的草根途径。

一项名为国际基因工程机器[193]（iGEM）的竞赛每年都会举办。这项竞赛会让学生（包括高中生！）相互对决，看谁能创造出最令人激动的基因工程有机体。2015年，在众多的参赛项目中，参赛队伍创造了一种可以探测重金属污染和迷奸药，并且能搭配iPhone来工作的生物传感器，一种会通过分泌化学物质来调节水的冰点的有机体，一种用于检测癌症是否已发生转移的廉价而快速的方法，一种可量化海洛因纯度的生物传感器。

参赛队伍还将创造的部件全都纳入了一份“标准生物部件注册表[194]”中。这份注册表可免费获取[195]，而且即使是没有参加过国际基因工程机器竞赛的人，也可以向其中增补条目，所以这就像是开源的生物乐高积木。如果你有设备（在生物黑客领域正变得越来越容易获得），那你就可以订购这些部件，用于研究合成生命机理，所以你的邻居可能会成为下一个解决人类能源危机，或者治愈一种疾病，抑或用生物性发光物质在你的身上写上“踢我”的人。如果你住在麻省理工学院附近，这些事情很可能就已经在你的身边发生了，也许用不了多久，这就将成为每个人都会拥有的经历。

令人担忧之处

瞎琢磨“生命的语言”可能会出什么问题呢？互联网的一项早期准则是“信息需要变得自由”，这听起来挺不错的，但如果信息是“如何从零开始制造天花”，那就要出问题了。

合成生命机理最终会让人类拥有定制有机体的能力，而且随着技术成本的下降，或许有朝一日，你可以在自己的书桌上合成我们已不再会为之接种疫苗的病毒。

想一想天花病毒，自1980年起，我们就不再接种天花疫苗了，因为天花已经基本消失了[196]。可能有5亿人在20世纪死于这种疾病，而且绝大多数活着的人对它都没有免疫力。如果合成生命机理变得容易，有什么能阻止一个胡作非为的生物学家（或者只是一个怒气冲冲的极客）让天花再度肆虐呢？

更可怕的是，一种像天花一样的疾病可以通过变异来更快地传播，而且会变得更致命。一名生物黑客理论上可以设计出会规避所有已知疗法的疾病。我们知道某些疾病会影响人的行为，比如说，流感疫苗明显会让人变得更为外向，这可能是这种疾病有益的一面吧，某人可能会使用一种不易察觉的病原体来改变社会群体的行为。

现在定制DNA的公司都会留意客户提交的订单，但随着DNA合成器变得越来越便宜，定制DNA可能会成为那种你在家就能完成的事情吗？最好的希望也许是创造疾病的能力会同抗击这些疾病的能力一同到来，通过某种方式来预防会比一场把人体当作战场的军备竞赛更好。另外一点点毫无作用的安慰是，生物恐怖主义是罕见的，这很可能是因为它是难以控制的。按照定义，恐怖主义是服务于恐怖分子的政治目标的，若创造一种或许会感染并杀死自己同胞的生命形式，他们并不能从中受益。

生态学家担心合成生命机理或许会因为意外而发生肆意蔓延。用它们来进行工业化学物质的大规模生产可能会是很恐怖的。一罐会快速地产生喷气燃料的细菌不会有什么问题，但要是这种细菌摆脱了束缚，然后在一条河里开始起作用，会发生什么呢？虽然这些细菌被设计成不会在野外很好地工作，但细菌能相互交换基因，而且能快速地进化，所以科学家目前正致力于阻止合成细菌进行基因交换，但就安全性而言，没有哪种办法是万无一失的。

那我们明确要在野外释放的人造有机体呢？例如先前说过的带有基因驱动器的蚊子。西尔伯格博士对向野外释放合成有机体的发展速度持有一些保留意见，“我想看到人们同生态学家就分子基因物质进行更多的交流，以确保我们能像考虑潜在的效益一样充分地分析潜在的环境影响。在生态学的一个领域中，人们在不断地思考澳大利亚多年以来经历了哪些人为的怪事——那些没有从一个生态系统的视角来认真地考虑‘这意味着什么’所导致的灾祸。”比方说，澳大利亚曾经从美国引进了一种蟾蜍，用以防治一种危害甘蔗的原生甲虫，可这种蟾蜍在被引进后开始了近乎疯狂的繁殖，然后席卷了整个澳大利亚大陆。这些蟾蜍会产生一种杀死捕食者的毒素，当这种蟾蜍在澳大利亚扩散时，它们杀死了当地的捕食者（和一些不幸的宠物）。

当我们考虑把合成有机体引入我们自己的身体时，问题就变得更关乎个人了。即使合成有机体是经过了缜密设计才被制造出来的，可或许还是存在一种突变会让它们变得危险，正如席尔瓦博士所指出的，存在于我们体内的非合成细菌已经有变成危险突变体的可能性了。

我们将在下一章中讨论如何用CRISPR-Cas9来修补人类的遗传缺陷。我们中绝大多数的人都能接受使用合成生命机理技术来治愈成年人的疾病，但某些科学家同样提议使用CRISPR-Cas9来治愈人类胚胎的疾病，改变会遗传给子孙后代的基因。

有些人认为其效益大于风险，可发展到什么程度才是个头呢？如果我们能修改人类胚胎，有什么能阻止我们定制婴儿[197]（designer babies）呢？调节头发、眼睛和皮肤的颜色，甚至是智商，或许在一两代人之后便会成为一个选择，一个不是每个人都有的选择。在一个存在着富人和穷人的世界里，一个群体也许能生育超级小孩，而另一个群体却不得不接受可被轻易修复的遗传缺陷。

在我们写这本书的时候，英国的科学家得到了修改人类胚胎的授权，但美国的科学家没有。CRISPR-Cas9曾在中国被用于修改人类胚胎，其结果是极其糟糕的，出了很多的问题，这其中包括突然出现的突变体。记住，我们尚不明白我们在干什么。即使一个“设计人类”被成功地创造了出来，可我们并不知道它的基因对它的子孙后代会有怎样的影响。

这将如何改变世界

这是最令人惊讶的时代。你不再有由单调乏味的实验所带来的负担，你只是被想象力给束缚了。

——乔治·彻奇博士

合成生物学家想普及他们的知识，并使之更容易被理解。在一代人的时间里，我们从对DNA的结构感到疑惑，发展到了用其自身的机制对其进行重新编程。在更遥远的未来，这可能会带来一些令人激动的结果，例如，把记忆储存在DNA中。

这可能吗？好吧，计算机里的存储只不过是0和1的排列，而DNA也只不过是字母A、C、T、G的排列。在某种意义上，DNA像是一种超紧凑版的磁带存储器磁条。通过用正确的编码来合成DNA，我们可以在一个比一滴水还小的空间里存储高达100亿千兆字节（1010GB）的数据，这相当于5000万份《指环王》系列电影的拷贝容量。此外，DNA是一种极其稳定的分子，具有500年左右的半衰期，这意味着DNA中有一半的信息会在500年内发生降解。

我们尚未在实验室以外的地方合成过DNA，因为编写DNA的定制字符串是非常昂贵的，编写一个字母的成本现在差不多是10美分。作为参考，人类基因组大概有30亿个字母。科学家希望人们对DNA合成的需求会把成本降低。彻奇博士提出了一项人类基因组计划的后续计划。在这项计划中，我们会以合成出完整的人类基因组的方式来降低DNA合成的相关费用。

在未来，我们或许会把合成有机体带到宇宙中去。现在你已经很清楚了，要把东西带入太空，其成本非常昂贵。如果我们拥有了能用于制造，同时能对垃圾进行回收利用的细菌，我们便能更好地利用我们可以获得的资源，这对我们在其他的行星和卫星上建立定居点的梦想来说是尤为重要的。通过设计，合成细菌可以同任何一种环境一起来制造我们所需的任何资源。此外，由于合成细菌能够自行复制，所以我们只需带上很少的量。

人们常说的转基因生物（GMS[198]）在大众话语中得到了一个不太好的名声——“科学怪食（Frankenfood[199]）”。我们的看法是，如果一种科学怪食能为贫困群体提供更多的卡路里和维生素，我们就应该称之为科学的一场胜利。即使你不想让生物工程师的双手触碰你的番茄，可你或许会感激转基因生物能让我们获得更好的药物和清洁燃料。

随着我们知识的增长，合成生命机理和纳米技术间的界限将逐渐变得模糊起来。我们正在追求越来越小的机器，而生命机理已用了40亿年的时间来学习如何制造它们。

科学家不久前创造出了一种新的DNA。你知道，DNA通常具有四个化学字母——A、C、T和G，而这种新的DNA多了两个新字母——X和Y，这是从未曾存在过的，如果这种DNA是我们在另一颗行星上找到的，那这项发现必定会是令人大为震惊的，可事实恰恰相反，这是我们在实验室里创造出来的，而且随之而来的是各种各样的可能。

正常的DNA能制造20个氨基酸，即生命分子机器的构筑基元，而这种DNA能制造172个氨基酸。此外，这种DNA可能可以制造出很多从未在大自然中被制造过的蛋白质。

这就是合成生命机理的希望——不仅改变我们已知的生命，而且创造我们想象中的生命。

话题关注——物种复活

每年都会有200～2000个物种走向灭绝，这其中有很多是由我们的过错所造成的。作为一个类比，你可以把人性想象成一对巨型的上下颚，这对上下颚吞食着一切美好的事物，并排泄着我们称之为文明的俗丽的奇观。平心而论，文明创造了墨西哥玉米片，所以我们都明白……以物易物的道理。

我们可以停止毁灭栖息地，停止引进具有侵略性的物质，当然，我们至今从未这样做过。

生态系统是非常复杂的，所以毁灭一个物种，即使是一个对其群落似乎只有很小影响的物种，也可能会导致其他物种的灭绝。这种间接的灭绝可能会造成进一步的灭绝，并以此恶性循环，但要是我们能通过复活不久前消失了的物种来阻止这种灭绝的连锁反应会怎么样？保护各种环境的完整性是研究如何复活灭绝物种的科学家的目标之一，不过这关乎的并不是骑恐龙和吃猛犸肉汉堡，而是生态系统。

要复活早已灭绝的物种远没有《侏罗纪公园》演的那么容易。想要有复活这些物种的一线希望，就必须得有它们的基因组。人类至今只知道DNA会携带遗传特征为几百年的时间，所以指望穴居野人会为我们把猛犸的DNA保存在具有良好气候控制的集装箱里并不现实，但大自然却意外地在地球各处保存下了远古DNA。

DNA经受风吹雨打的时间越长，降解的就越多。科学家现在认为DNA在经历了大约100万年的降解之后是无法被恢复的。这个事实几乎排除了复活那些最令人惊叹的动物的可能性，不过还是留下了很多的可能：乳齿象、渡渡鸟、剑齿虎，甚至是人类的近亲，例如血统纯正的尼安德特人。

为了弄清如何能得到一头宠物猛犸，我们和加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的贝丝·夏皮罗博士进行了交谈，你知道，这是为了生态系统或诸如此类的事情。

首先，我们要找到尽可能多的猛犸基因组，可这并不是一项容易的任务。即使我们能从一头被完好地保存在俄罗斯冻原中的猛犸体内取得一份状况良好的DNA样本，但这份样本中可能只有一小部分是属于这头猛犸的，而其余的则是栖息于土壤中的微生物的，这里的原因可能是科学家在搬运这头猛犸尸体的时候不够小心，或者生活在冰河时期的穴居人心里暗想：“去你的未来基因学家。”然后往这头猛犸的尸体上吐起了口水。

因此，我们必须通过过滤数据来寻找少量确实属于这头猛犸的DNA，然后尽力弄清这些DNA序列在这头猛犸基因组中的实际位置。如果我们既耐心又幸运，那我们可能便会组合出一个较为完整的猛犸基因组，但绝不会是完整的猛犸基因组，因为有些片段必然[200]已不复存在了，而存在的片段也会是非常零散的，以至于得用一张备忘单才能弄清如何把它们拼合起来。

在这之后，我们可以用亚洲象的基因组来与之对比。亚洲象和猛犸之间有着紧密的亲缘关系，所以你可以用亚洲象的基因组来对猛犸的基因组进行适当的拼接，虽然这很可能会造成1%左右的差异，但这可是大量的DNA修补工作，远不是我们用当前的技术能轻易做到的，因此短期内复活猛犸也许比预想的要难。

然而，现在假设我们已经得到了猛犸的DNA。好吧，DNA并不会自发地变成一只发育完全的猛犸，否则会满大街都是，我们得把猛犸的DNA植入一个大象卵里，然后让一头母亚洲象怀上一头毛绒绒的猛犸宝宝，但这进一步增大了复活猛犸的难度，因为存在着遗传特征、饮食和激素等的差异，一头现代大象和一头猛犸的子宫条件也许存在着极大的差异。

此外，这头猛犸一出生就需要一头现代大象的微生物。夏皮罗博士说：“它出生后会吃一点点大象的大便，因为大象会以这种方式来建立肠道内用于分解食物的微生物群落，然后它的体内便有了大象的微生物组。”早已死去的生物，欢迎重回地球！唯一的猛犸代表，欢迎归来！来，吃些大便。

瞧，我们就这样得到了一头猛犸，尽管它具有一些大象的特征。如果目标是100%地重现消失了的猛犸，那我们很可能就要功亏一篑了，但如果目标是创造一只曾在一套生态系统中扮演过一个重要角色的动物，那一头像大象一样的猛犸也许还挺不错的。

正如夏皮罗博士告诉我们的：“一次生态复位真的可以恢复那些因灭绝而消失的生态相互作用，而这既可以重振生态系统，又可以拯救濒临灭绝的物种，在我看来，这便是这种方法的强大之处。我们没有能适应寒冷环境的大象，但我们可以用合成生命机理来创造。通过这种方式，我们可以恢复一个生态系统中已不复存在的要素，以及曾经生长在西伯利亚的茂密草原，为像高鼻羚羊、野马和野牛这样的动物创造栖息地。”

假设我们的技术有一天会先进到能克隆一头猛犸的程度，那这头猛犸将栖息于何处呢？猛犸曾栖息于西伯利亚，但西伯利亚人会张开双臂欢迎猛犸的归来吗？可能不会。大灰狼曾在1995年被再度引进到了黄石国家公园，但附近的牧场主并未因此感到激动，他们曾为了保护牛而射杀了狼，但由于有法律的存在，他们因此惹上了麻烦，受到了起诉。

然而，事实证明已经有一些西伯利亚的栖息地正在等待猛犸的归来了。谢尔盖·济莫夫教授正在等候着它们，而且已经预留好了一片猛犸有朝一日将再次游荡的土地。此外，很可能是出于对旅游业的考虑，他已经把这片土地命名为了更新世公园[201]（Pleistocene Park）。

此刻你也许在想：“没办法复活恐龙吗？”我们在和一名专家打电话的时候就此问了她。

“我们可以用一台计算机来重建所有现存鸟类的祖先——鸟翼类恐龙——的基因组序列，本质上，这重建的就是一只恐龙，但它不会是一只霸王龙或一只腕龙，抑或一只迅猛龙，因为我们没有任何来自这些恐龙的DNA，但它会是和恐龙同时存活过的物种，而且是所有现存鸟类的祖先。我们可以用合成生命机理来把现代鸟类的基因组片段逐渐置换为这种用计算机推断出来的祖先鸟的基因组片段。”

好吧，我们小时候并没有梦想过骑上用计算机推断出来的鸟类的祖先，但……差不了多少吧。

第三部分
你，在咫尺之遥的未来

第8章　精准医疗

尤其是你身体的一切毛病——一种统计方法

在19世纪以前，医疗条件是很糟糕的。麻醉靠的是喝一两杯威士忌，而治疗是由未得到实验认可的传统疗法所构成的，例如放血疗法和刺猬的油脂[202]。在现代世界，我们依赖于执业医生和科学研究者之间的紧密合作。研究者会通过试验来观察各种疗法，而医生在决定要为病人做什么的时候会对病人的身体迹象做出权衡。

好医生就像是检查我们身体的夏洛克·福尔摩斯。一个人有没有生病，他的身体始终会隐藏有关他体内状态的线索。在这些线索中，有一些是相当明确的，比如说，如果一个人的头上破了一个很大的洞，那医生就能有十足的把握来断定是什么让这个人感到疼痛。

然而有些情况很难被确切地说明，比方说，绝大多数患有单核细胞增多症的病人只有在经历多次误诊后才有了正确的诊断[203]，但这真不是医生的错，因为单核细胞增多症是一种慢性病毒性疾病，其症状是疲劳、头疼和咽喉痛这样的常见问题。这种疾病有点像是一次持续的轻微宿醉，这使之很难区别于人类基本生活方式，但如果医生最先检查的是病人血液中各种细胞的数量，那他们或许就能诊断出病人患的是单核细胞增多症，而不是感冒。

长久以来医生所说的“症状”或“体征”，现在计算机的研究者更多称为“生物标记”。从广义上讲，生物标记泛指任何能把一个人的体内状态——通常是这个人体内是否出了什么问题——告诉我们的东西。最为常见的生物标记是传统的症状和我们身体的化学信号，但有些研究者认为这个术语的涵盖范围可延伸到行为模式上，例如，我们会浏览什么网站，或者我们会在网上发布什么图片，所以可以说，如果一个人有一个名为“我做得怎么样？”的计算机模型，那生物标记便是这个人或许会输入这个模型来找寻答案的东西。

正如科学同医疗实践的结合产生了现代医学，医疗科学同分子分析、数据科学以及机器学习的结合也许会产生一种新的范例，而这种范例将被称为精准医疗。在未来，我们也许会得到从成千上万个生物标记中做出的快速而正确的医疗诊断，然后接受专门为我们制定的治疗，这意味着我们会活得更久、更健康，而且在检测系统会变得既廉价又易用的前提下，一个人几乎不用花太多时间来怀疑他右侧屁股上长的那个肿块是不是癌症。此外，如果疾病的诊断和治疗会成为关乎计算能力的问题，那医疗保健的成本可能会被降低（在我们这代人的生命中至少一次）。

人的一滴血里含有数量多到惊人的信息——也许是与潜在的心衰有关联的化学生物标记；也许是来自于一颗未被发现的实体肿瘤的遗传密码；也许会告诉我们你的压力大到了连你自己都没意识到的激素生物标记。

更深入地了解这些不易察觉的生物标记，不仅将带来更好的诊断，而且会让人想出新奇的疗法。如果一个人患有癌症，那我们便能对癌症特有的某些基因突变体进行定位，然后以此来选择最佳疗法，或者从“货架”上选取一种或许会奏效的疗法，纵然这种疗法并不是为这个人患有的疾病而设计的。使用最新的方法，我们或许能创造出一项通用技术来应对任何由基因突变所引发的疾病。

随着人体多样性和复杂性的相关数据的增多，还有数据分析能力的提高，我们的计算机正不断地接近于做出一份完美的诊断并挑选出最合适的治疗方法的那一天。这个梦想也许看似遥不可及——至少这个梦想在某些方面上离实现是很遥远的——但记住，人体的复杂性是有限的[204]，而每一次进步都会让我们离终点更近一些。

我们的现状如何？

为了感受这个领域在过去50年里是如何变革的，凯莉和MD安德森癌症中心的约翰·门德尔松博士进行了面对面的交谈。

让我们想象一下，你有一个值得信赖的同事，他告诉你门德尔松博士是讨论精准医疗的最佳人选，所以你没有对他的背景做一番调查。但你很快还是会知道门德尔松博士的地位有多么显赫，因为当你抵达了MD安德森癌症中心时，你会得知他的办公室在约翰·门德尔松教师中心大楼里。这时，你会惊慌失措地在谷歌上搜索“约翰·门德尔松”，然后发现他其实是MD安德森癌症中心的前任主席。

你会深吸一口气，同时察觉到腋窝里全是汗，然后毅然地敲响了他办公室的门。

然而凯莉很幸运，门德尔松博士是一个友好而好客的人。在聊了一会儿凯莉的研究后，他给了凯莉30分钟的时间来提问，而这30分钟很可能本应被花在拯救世界上，抱歉。

当门德尔松博士出生时，科学家并不知道我们的遗传物质是由DNA所构成的。当他在读医学院时，教材上对蛋白质是如何被制造的描述是完全错误的。当他成为一名年轻的研究者时，从一项实验中获得的数据——用现代标准来衡量——是简陋的。

“如果你要为一个人类基因组定序，你便会得到50亿条数据。在我刚开始从事我的研究的时候，研究结果可以逐一被打印在纸上，但你不能把50亿条信息都给打印出来，然后用脑力来分析这些信息。如今在MD安德森癌症中心，我们每年要为成千上万位病人的癌症DNA定序，以查明他们的恶性肿瘤是由哪种基因畸变所引发的。”

随着医疗正变得越来越个性化，每个人的身体都在成为数据的源泉，仅仅通过梳理数据来寻找模式，就有可能发现诊断乃至治疗方法，但我们只有在不断地从很多人身上收集数据，并在找到储存和分析这些数据的办法之后，才能从精准医疗中受益，而这将需要很多由计算机科学家和统计学家所做出的创新。

美国国立卫生研究院在不久前启动了精准医疗倡议队列研究计划[205]。这项计划将从一百多万名参与者身上收集健康和环境信息，这其中包括有关他们“-omes”[206]的数据。

在这一章中，我们将告诉你一大堆的“-ome”。“-ome”的一个快速定义是这样的——当一名科学家把“-ome”添加到一个单词末尾时，这个单词的意思变成了“像是所有的……”，所以一名遗传学家研究的是特定的基因，而一名基因组学家（genomist）研究的是所有的基因[207]。

这么说也许会让人有一种基因组学家要更为聪明一些的感觉，但实际上，这有点像心理学家和社会学家的区别[208]。使用“-ome”只不过是一种目前流行的命名惯例。

美国国立卫生研究院将获取这些参与者的基因组、微生物组和其他信息，然后会长期跟踪它们在这些参与者健康状况中的变化。医生可以通对这些数据进行梳理来寻找疾病、遗传特征和环境因素之间的关联，而这将创造出一个巨大的数据集。

遗憾的是，大量的数据并不会跳起来告诉我们正在发生什么事，这是辉瑞公司[209]的桑迪普·梅农博士时常担忧的一个问题。“我们现在收到的数据量几乎是呈指数级增长的，然而……掌握了适当分析技能的可用之人少之又少。坦率地说——人才供不应求。”

梅农博士是一位杰出的生物统计学家，同时是辉瑞公司生物统计研究和咨询中心的副主席和负责人，可甚至连他都觉得“要跟上不断发展的最新技术，以在数据洪流中找到正确的行进方向是富于挑战的”。

让梅农博士担忧的是，现在有很多分析员完全不知道该如何处理他们的数据。他认为很多人现在正在犯的错误减慢了这个领域的发展速度，而且潜在地伤害了病人。

尽管对所有这些信息进行整理的难度很大，但很多相关的研究正在取得进展。精准医疗领域的涵盖面太广了，所以我们决定给出一些让你大致了解精准医疗有哪些用途的实例。

遗传性疾病

基因解读技术的快速发展，意味着为人类基因组定序的成本会变得相对廉价一些——从数千万美元降到数千美元，但能诊断不等于能治愈。

遗传性疾病很难被治愈。和我们经常从媒体中听到的恰恰相反，我们不能真的用编辑一份文档的方式来“编辑一个人的DNA”。我们体内的每一个细胞几乎都含有DNA链。要改变一个人的基因组，就必须改变这个人所有的细胞，或者至少是所有和这个人所患疾病相关的细胞。

比方说，囊性纤维化是一种遗传性疾病，它会让内脏产生很多黏液，而肺里的黏液会增大肺部感染的风险，还会使呼吸变得困难。

另一个问题是胰腺中的黏液。这些黏液会让营养更难以被吸收。被诊断出患上了囊性纤维化曾意味着一个人不大可能活到30岁，但技术的发展已让囊性纤维化病人活到了四五十岁，不过这些发展全都是治疗黏液问题的方法，而不是从基因层面上根治这种疾病的方法。

治愈这种疾病的困难之一是囊性纤维化不止一种。黏液积聚的情况可以是由任何数量的基因突变体所导致的。

为应对囊性纤维化的一种基因变异体，一种名为依伐卡托（ivacaftor）的药物在不久前被研发了出来。这种药物所针对的特定突变被发现只存在于5%的囊性纤维化病人的体内。在常规医疗中，这没什么了不起的，但在一项精准医疗范例中，这意味着我们终于拥有了一种针对各种可能的突变体的疗法。所以当一个人出生时，我们会识别出这个人所患的遗传疾病，而且会确切地知道要使用什么疗法，这意味着这个人不仅能得到正确的治疗，而且能免于接受可能会令人不快的错误治疗。

然而这仍然只是进一步地缓解了这种疾病，要是我们可以轻易地修复所有正常细胞中损坏了的编码会怎么样？

在上一章中，我们讨论了一项名为CRISPR-Cas9的新的基因编辑技术。这项技术也许能让科学家真正地修复病人体内引发了囊性纤维化的突变体。也许你已经把CRISPR的用途给忘了。简而言之，我们现在已经能精准地剪切并替换细胞中DNA的各个部分了，理论上，这应该意味着我们能剪切并修复一个活人体内引发了囊性纤维化的突变体。

CRISPR在实验室里已被成功地植入了一块块的肠道组织中，你看，医学实验室的工作是多么的有趣，但想出如何将这项技术真正地应用于病人，仍然是一个巨大的障碍，而且科学家担心在尝试修复突变体的过程中，基因组的其他部分或许会被意外损坏。谁都不希望在同时编辑10000亿个细胞的时候犯太多令人尴尬的错误。

然而CRISPR有一个很酷的地方——它是一种治愈遗传性疾病的通用工具。这种定向基因编辑法应该对任何一种由一个或多个基因突变体所引发的疾病都有效。如果CRISPR最终成为一颗可解决基因问题的银子弹[210]，那我们便可以把它射向亨廷顿氏舞蹈病、镰状细胞贫血、老年痴呆症以及诸如此类的疾病了。

癌症的诊断、治疗和监测

诊断

癌细胞很难被杀死，这与秘密机器人在2027年的机器人暴动中很难被杀死的原因是一样的——它们看起来和我们没有什么差别。

癌细胞是发生了病变的细胞，它们本应起到某种有用的身体功能，但碰巧携带了或得到了一组古怪的突变体。这些突变体会使之不断地自行复制，而不是起到该起的作用。就一颗实体肿瘤来说，这实质上是一大堆发生了病变的细胞在人的体内生长、繁殖。

人的体内始终都在产生突变细胞，这其中包括癌细胞。一般来说，人的免疫系统会辨认出这些细胞，然后杀死它们，可问题在于偶尔会出现一个非常罕见的细胞，这个细胞的繁殖会失控，而且会规避免疫系统，这要么是通过不被免疫系统发现来实现的，要么是通过说服免疫细胞不要杀死它来实现的。

因此，在一个人被诊断为患有癌症的时候，这个人的身体里确实存在着非常危险的细胞，而这时，医疗便会介入这个人免疫系统失效的地方，但癌症一般是很难被发现的。

从历史的角度来看，白血病是最容易被发现的癌症之一，因为它是血源性的，而且会留下暴露它存在的白细胞增多[211]的迹象。实体肿瘤——尤其是小的实体肿瘤——可能是悄无声息地出现的，这便是为何医生会让病人定期做乳房检查的原因所在，因为即使是硬质肿瘤，当它们隐藏在一个柔软的身体部位里时，可能同样是不易察觉的。

早期诊断的目的不只是为了及时地治疗癌症。很多最致命的癌症之所以具有很高的恶性度，不是因为它们具有十分快的扩散速度，而是因为在扩散已来不及被抑制之前，它们的症状不易察觉。

美国国家癌症研究所表示，如果一个人的肺癌在早期被发现了，那这个人存活5年的概率便有55%，但绝大多数的肺癌都不会在早期被诊断出来。超过一半的肺癌在癌细胞转移前都不会被诊断出来[212]，而这时存活5年的比率就只有5%左右了。

因此，人们都希望癌症能尽早被发现[213]。此外，事实证明白血病并不是唯一一种会在血液里留下一种生物标记的癌症。所有种类的癌症都可以通过寻找名为微RNA（microRNA）的小分子被发现。

在上一章中，我们介绍了DNA大致是如何创造蛋白质的，但我们提到了实际过程可能是更为复杂的，而其中的一层复杂性便是由微RNA所引起的。

我们尚未完全弄清微RNA的作用，但它扮演的一个重要角色似乎是所谓的基因表达（gene expression）。想象一下，你有一个基因，而它指定的遗传密码是一只大红色的鼻子，不过这并不是一种很好的说明方式，所以让我们说得更明确一些：你的DNA将一种会自动跑到你的鼻尖，然后泛出红光的蛋白质译成了编码。你的鼻子会有多红，取决于这些蛋白质被制造出来的数量，而微RNA在这里可以进行调节。假设我们想象中的红鼻子蛋白质的基因通常是以“重复制造十次”结尾的，那这“十次”便可以被微RNA调高或调低，这要么会给你一个苍白、乏味的鼻子，要么会给你一个红润、充满生气的鼻子。

好吧，这很棒，但这又怎么样呢？这些小的微RNA分子可以在我们的血液中被找到，而特定的微RNA片段或它们的浓度变化，不仅能告诉我们你也许患有什么癌症，而且能告诉我们这些癌症正处于什么阶段。

比方说，一项研究发现有四种特定的微RNA浓度能有效地预测一名癌症病人是可能存活较长的时间（平均超过四年），还是较短的时间（一般在九个月左右）。这样的信息能帮助病人和医生来决定应对癌症的激进度，而且能帮助病人来决定如何度过他们最后的人生。

理论上，通过弄清一个人的血液里有哪些微RNA，我们可以获得一种关于这个人所患疾病的读数。我们体内被新制造出来的蛋白质几乎会反映出在我们身体中发生的一切事情，所以这可能会是一个有关我们有哪些身体机能发生了严重失常的极好的信息源。

但要弄清一个人的身体出了什么问题并不容易。当你下次想翻阅相关资料时，考虑一下miRBase（www.mirbase.org），即微RNA数据库。在我们写这本书的时候，这个数据库正在跟踪大约2000个微RNA分子。

另一种有趣的分子名为循环肿瘤DNA（ctDNA[214]）。这种DNA是一项非常新的发现，而且对癌症诊断来说，这项发现可能有重大的意义。简而言之，当一个人的体内存在不同类型的实体肿瘤时，它们少量的DNA可能会进入这个人的血液。

这对癌症病人来说并不是一件大事，但对医生来说却是非常有用的，原因有两个：其一，这会让实体肿瘤无处遁形。其二，这意味着对一种未知癌症的基因分析可以在不进行侵入性手术的情况下来进行。

一项最近的研究显示，通过血液中的循环肿瘤DNA，一期肺癌发现率已经有50%，而二期的发现率则达到了100%，这时的癌细胞已经从肺部转移到了淋巴结里，但还未转移到其他的器官中，但在过去，这种癌症往往在发展到了三期或四期的时候才被发现，可这时5年的存活概率就非常低了。

然而，即使你能发现循环肿瘤DNA和微RNA癌症特征，要完全弄清你的疾病仍然是很困难的。

我们倾向于从癌症的发现位置来谈癌症——肝癌、骨癌、脑癌——但这并不是描述癌症最好的方式。两种不同的乳腺癌也许起源于完全不同的突变体，但其中一种也许是致命的，而另一种却是完全可控的。

让事情变得更为复杂的是，癌症一旦存在就不会停止突变。随着癌细胞持续的突变，一种适者生存的情况会出现在癌症病人的体内，其结果可能是肿瘤不仅会变得很危险，而且会具有基因上的多样性。

癌症遗传特征的多样性可能会使治疗变得极为困难，即使有一种会使肿瘤缩小的药物，可这种药物也许只会减少某一类的癌细胞，所以它杀死的也许只是某种易受这种药物影响的特定癌细胞，而在这之后，癌症会变本加厉地卷土重来。

更糟糕的是，如果癌症病人接受了化疗或放疗，那它们在这个过程中也许便进一步地创造出了突变体。此外，更不必说这些疗法往往是很糟糕的，其部分原因在于它们所针对的不单单是癌细胞，比如说，传统的化疗所针对的是分裂速度太快的细胞，但某些正常的细胞——例如胃黏膜细胞——原本就分裂很快，这好比通过干掉每个有黑色长胡子的人来减少整座城市的罪恶性，当然，这除掉的主要会是恶棍，但还会杀掉一个嬉皮士，可他不仅友善，而且是城里最好的咖啡师，这值得吗？也许吧，但不会是一次令人愉快的经历。

为了击败癌症，我们希望尽早地弄清正确的疗法，以避免让癌症有时间进一步地突变，这也许意味着我们每年都要通过血液检查来提早发现癌症，并查明癌症携带的突变体，这将是非常重要的，因为这意味着我们有时间来选择正确的治疗方式。选择了错误的治疗方式不仅会很痛苦，而且会很危险。我们会想知道所有相关的突变体，这样一来，我们便能制作出正确的药物鸡尾酒[215]来治疗它们。

治疗

癌细胞非常危险的原因之一是它们会避开你的免疫系统，这有点像不受约束且没有道德意识，但能模仿人类的杀手机器人，要是我们可以训练能辨认出这些生物的“警察”会怎么样？就像一个总是说“遵命，人类”而且职业是说客的人——也许我们就应该把他盯紧一些。

要是我们能教我们自己的免疫系统如何来辨认并杀死鬼鬼祟祟的癌细胞，会怎么样？

办法是这样的：首先从一名病人身上抽一点血，然后看看这些血里有没有名为T细胞的免疫细胞。我们感兴趣的T细胞是那种会对名为抗原的细胞表层结构进行辨认的，这样的一个T细胞会根据一个细胞携带的抗原类型来决定这个细胞是否应该死去。

如果我们知道了一个人的癌细胞有什么抗原，我们便能教这个人的T细胞如何来辨认它们。

什么是T细胞？哈佛大学医学院和马萨诸塞州综合医院的玛塞拉·莫斯博士解释说：“当提到免疫疗法时，有两样会让T细胞变得很特别的东西……它们可以杀死其他的细胞……以及……它们有记忆。它们是非常长命的细胞。此外，它们一旦见过某样东西，在第二次见到时便会很快地认出这样东西，然后更快地杀死这样东西。”

曾经有一项特别成功的基因改造项目，教会了T细胞如果去追击一种名为CD19的分子。这种分子可以在一种名为B细胞的白细胞表面被找到，而白血病和淋巴癌往往会通过过度地制造白细胞来杀死你。

这种方法存在一个问题，T细胞往往会以杀死所有的B细胞而告终，这其中包括健康的B细胞。B细胞同样是免疫系统的一部分，所以杀死所有的B细胞可能会造成免疫系统暂时性的损伤，但对抗击血癌来说，竭力避免感染通常是更可取的。

彻底杀死一种潜在的细胞难道不是治疗肿瘤的一个选择吗？那通过杀死所有的脑细胞来击败一个脑瘤，这难道是一场有意义的胜利吗？

莫斯博士想出了一种更为巧妙的方法——通过改变T细胞的基因结构来让T细胞攻击一种名为表皮生长因子受体Ⅲ型突变体的抗原，我们将以易于记住的首字母缩略词EGFRvⅢ[216]来指代它。正常的脑细胞没有EGFRvⅢ，但某些肿瘤细胞有，所以如果一个人“幸运”长了一颗带有这种特别受体的肿瘤，那他就可以通过为T细胞编程来使之发现并杀死这种特别受体。

莫斯博士的研究尚处于一个早期阶段，但免疫疗法在未来有望被证明是一种可精准地攻击多种实体肿瘤的办法。

监测

如果治疗起作用了，癌症便会缓解，但癌症病人在余生中还是会受到医疗监测。癌症处于“被治愈”的状态是一种非常好的癌症风险指标，而精准医疗技术能提供更好的癌症监测办法。

比方说，如果一个人的癌症正处于缓解期，这个人或许还是要留意他体内的循环肿瘤DNA，以确保癌症没有在不知不觉中复发，而且这些循环肿瘤DNA或许仍需要进一步的调查，以防止出现新的突变体或某种突变体的数量增多。如果循环肿瘤DNA特征突然显示出了存在某种恶性度更高的癌症，那也许就得改变治疗方法了。

这项新技术发展得很快，而且我们现在已经能在粪便、尿液和其他体液中找到循环肿瘤DNA了。也许我们很快便能更好地监测癌症了，而且是通过捣弄人的粪便，而不是人的身体。

代谢物组

医疗中的一件难事是如何知道一名病人对一种药物会有怎样的反应。也许对某个人有效的药物而在另一个人身上的效果却是差强人意的，这种情况有时可通过“代谢物组”（metabolome）来解释。代谢物组是一个人所有的代谢物，即人体运作机制所需的所有基本分子，例如糖和维生素。代谢物组不是一套简单的系统——人类代谢物组数据库（Human Metabolome Database）（www.hmdb.ca）目前正在对42000种不同的代谢物进行跟踪，也就是42000种小分子，而且这甚至还没算上确保你能继续把吉士汉堡转化为获得更多吉士汉堡所需的能量与肌肉的蛋白质以及其他的“大”分子。

事实证明，人体会发生大量的代谢变化，这也许解释了为何咖啡会让你彻夜不眠，可你的朋友却能在喝完一杯双份浓缩咖啡后呼呼大睡起来，因为你们的身体是以不同的方式来处理咖啡中的化学物质的，而这些差别能把你们的体内状态告诉我们，比方说，我们大约在70年前就已经知道可以通过检查葡萄糖水平来判断一个人是否患有糖尿病了，如果一个人不能很好地代谢葡萄糖，我们便会发现这个人的葡萄糖水平要高于正常值，但通过对42000种浮动的代谢物进行跟踪，我们或许能获得更多有关人们的代谢能力究竟存在多大差异的信息。

比方说，对某些有自杀倾向的抑郁症病人来说，任何药物治疗都是无效的。这可能是因为他们的代谢组中有东西在阻碍或影响药物的吸收。在一项精准医疗范例中，我们或许能预先查明病人不能正常代谢的东西是什么。

代谢信息也许还可以改善人体的营养摄取。哪些毒物对一个人有影响，可对另一个人却没有？在特定的毒物是美味的情况下，这是尤为重要的，比方说，低胆固醇血症（hypocholesterolemia）病人的血液中会因某种原因而不会有太多的胆固醇，这也许意味着他们可以吃更多美味的高胆固醇食物，可我们却被告知要对这些食物忌口。也许还存在着允许人们过量地吸烟、喝酒或像是……嚼玻璃[217]的类似基因。反过来看，一次精准的监测也许会告诉一个病人他应该对某些食物忌口，或者尽量少进行某些活动，即使这些食物和活动通常被认识是有益健康的，所以也许你妈妈让你吃西蓝花就是大错特错的[218]。

了解代谢物组对危重病人来说也许是尤为重要的。任何具有潜在副作用的药物最好都应按尽可能小的有效剂量来开，如果一名病人有一组不同寻常的代谢物组，那一个小剂量的效果也许便会表现得像一个大剂量一样，或者一个大剂量也许便会完全没有效果。如果医生要为一名病人选择药物，了解这名病人会如何代谢药物，也许便能让医生直接解决他的病根，从而避免让他接受痛苦的治疗。

其他会试图杀死你的东西

在上面这几个小节中，我们所讨论的大多都是癌症和遗传疾病，因为它们是最难被治愈的疾病，而且我们才刚开始取得一些重大的胜利，但精准医疗技术应该能被应用于几乎任何疾病。

比方说，精神压力和高血压可能会引发一种名为心脏肥大的疾病，即危险的心肌增厚，这会增加一个人疲劳、头疼和猝死的风险。考虑到心肌是由蛋白质构成的，心脏肥大同样具有一种微RNA特征的事实也就没什么好惊讶的了。事实上，各种类型的心脏肥大都具有微RNA特征。着眼于血液中的微RNA能让我们通过一种非侵入性的方式来查明一个人患上了哪种心脏肥大。

换言之，我们或许能预测一个人的心脏是否会衰竭。考虑到心脏病是全世界的头号杀手，谁会对委婉一点的预先警告感到反感呢？

对正在接受有风险性治疗的病人来说，对血源化学物质进行全面监测的能力也许同样是有益的，比如说，一名有心脏病史的病人现在需要接受一次化疗来治疗癌症，可这会增大这名病人发生心衰的风险，而且等到这名病人真犯了心脏病的时候，也许就为时已晚了。

通过分析微RNA，我们几乎可以实时地监测化疗对心肌的影响，然后做出相应的选择。

此外，最新研究表明中风也具有一种微RNA特征，而且有一些微RNA特征能告诉我们一个人的大脑在中风后恢复到了什么程度。

分子生物标记还能告诉我们一个人是否患上了其他的疾病，例如老年痴呆症、克罗恩氏病，甚至是哪种流感。事实上，如果你在谷歌学术上搜索“微RNA基因图谱”，你便会发现大量的新论文，这些论文表明人体中存在着各种疾病的微RNA特征，从前列腺癌的到抑郁症的，而且我们能根据这些微RNA特征来判断这些疾病发展到了什么程度。

除了分子状况和临床状况，一些研究者还想知道行为状况。大致说来，他们想得到的那种数据是一个令人毛骨悚然的跟踪狂会了解到的——一个人在看什么电视节目，或者在浏览什么网站。这些信息也许会为我们提供一个人是否会患上某类疾病的相关信息，比方说，哈佛大学的安德鲁·里斯博士和佛蒙特大学的克里斯托弗·丹弗斯博士发现，他们可以根据一个人在Instagram上发布的照片的色彩和亮度来判断这个人是否患有抑郁症。患有抑郁症的Instagram用户更倾向于发布偏蓝色和灰色的照片，而且比起由没有抑郁症的用户所发布的照片，这些照片的亮度通常更暗。将这种大范围的信息与大量不易察觉的生物标记相结合，也许能让精神疾病得到更好的分类和治疗。

这种活动监测（如果得以在大规模群体中实施）也许会发现与精神失常相关的活动模式。也许你认为自己患有焦虑症，因为你总是坐立不安，但这实际上可能是你总是在脸书上看你的朋友过得怎么样。

对社交媒体强迫症的诊断，比诊断出一段特定的遗传密码的小幅增长要容易一些，可一般人谁会把这些情况告诉医生呢？也许各种各样的个人和群体行为都具有未被发现的临床意义。随着可穿戴计算变得越来越流行，我们也许能把自己更全面（也更真实）的情况提供给你的医生。想象一下光辉的未来，当你去看牙医，然后与医生友好地攀谈了起来，直到一台可穿戴计算机道出了你根本没怎么用牙线的实情。

没错，这存在一些隐私问题，但也许有一天，医生能通过准确地掌握你的个人情况——从你在读什么书和你的日常运动量到你尿液中少量的分子——来发现你的健康问题，并预测你也许会遇到的健康问题。

令人担忧之处

精准医疗的一个主要问题是成本，而且这个问题将长期存在下去。依伐卡托——我们之前提到过的一种治疗囊性纤维化的药物——在美国只会被几千人使用，因为这种药物很可能不会形成规模经济，而结果便是使用这种药物的年花费将在30万美元左右[219]。除非我们能普及廉价的药物制剂方法，否则一种只有少数人才买得起的药物是很难变得廉价的。

另一个叫人担忧的问题是，以上这些数据会对人们的心理造成怎样的影响。假设你有一个性格古怪、患有疑病症的叔叔，他身体数据的价值现在堪比一部百科全书，而且有证据表明他患有的疑病症有74项衡量标准。想象一下，你和他令人尴尬的感恩节闲聊完全是为了获得数据。

再次是隐私问题。我们为此同莱斯大学的希尔斯廷·马修斯博士和丹尼尔·瓦格纳博士进行了交谈。他们正在尝试把道德观教授给二十来岁的年轻人，这显示出了他们的幽默感。

马修斯博士说：“为了让精准医疗起作用，同时变得非常有用，你必须把自己的遗传特征和自己的经历联系在一起，这意味着你一生中发生过的所有事情，无论是受过的伤、生活过的环境，还是因遗传背景而发生过的事情……这一旦发生，匿名性就不复存在了。”

因而猎头公司或保险销售公司现在能查出你的背景，或者你是否可能会患上一种精神疾病或一种慢性衰竭的疾病。即使这些团体无法获得你的健康信息，可他们还是能通过分析你的社交媒体形象来把有关你心理健康的碎片信息联系起来。那个能从Instagram用户的照片选择中看出抑郁症的研究小组，同样能通过分析推特上的帖子来发现抑郁症和创伤后应激障碍（PTSD[220]），其推测的临床结果比正式的诊断报道早了几个月。此外，你在公共场合的行为也许同样会透露出你的私人健康信息。

诸如人寿保险和健康保险之类的概念之所以是可行的，是因为提前预测谁会在何时患病或死亡是很困难的。可能你并不会经常思考这个问题，但保险真的是一件数学工具。如果有1000对夫妻买了人寿保险，那这些夫妻中可能有人死于意外。那些在年轻时丧偶的人得到的保险金将比他们投保的钱要多，而那些年老的夫妻能得到的保险金则会比他们投保的钱要少，但他们能长厢厮守，这弥补了经济上的损失，所以这本质上是幸运的夫妻资助了不幸的夫妻。

随着医疗证变得越来越个性化，这套系统将变得越来越行不通。也许有朝一日保险公司将对投保人的基因类型做出调查，比起那些具有有利基因类型的人，那些具有不利基因类型的人要付更多钱才能投保。幸运的人会变得更幸运，而不幸的人会变得更不幸。

为了降低这种风险，美国国会通过了2008年遗传信息非歧视法案，认定这种歧视是违法的。雇主不能因为雇员有一种会产生某种健康问题的遗传易感性而解雇他们，而保险公司也不能因为这个原因拒绝为投保人提供保险，但我们终将要直面于生活在一个医学知识高度发达的社会里意味着什么的问题。“这关系到的不是保护数据，”瓦格纳博士说，“而是保护人们的数据含义不受泄露。”比如说，如果你具有一种会产生攻击行为的遗传易感性，你是否应该被禁止从事某些工作呢？你身边的人对此又是否应该有知情权呢？

然而，美国政府并没有将所有类型的基因歧视都认定是非法的。以一款曾发布在GitHub[221]上名为基因访问控制（Genetic Access Control）的手机应用程序为例。这款应用程序可以访问23andMe[222]（一家为基因组定序的私人公司）的基因组数据，而且可以用这些数据来限制用户的互联网访问，其开发者建议相对无害地来使用这款应用程序，这其中包括创造“安全空间”，例如只能被女性访问的网站，但不难想象这样的一款应用程序会如何被恶意使用。想象一个只有某种肤色的人才能访问的网站，或者一个只有没有遗传缺陷的人才能访问的网站。此外，较为善意的使用同样会造成一些问题，因为身份是由基因和文化共同构成的。有些从传统视角看上去是女性的人携带了一对XY染色体[223]，如果一个团体是从基因层面上排除非女性的，那他们就必须决定如何来处理这个问题。

23andMe公司很快就封锁了这款应用程序对他们数据的访问，但不难想象，这样的问题在未来会再次出现。

此外，每个人的基因信息都不是独一无二的。你从你妈妈那里得到了一半的基因组，并从你爸爸那里得到了另一半[224]，如果你公开你的基因组，你便会透漏你父母各一半的基因组。事实上，无论你何时透漏你的基因信息，这在某种程度上始终会危及你所有亲属的隐私。想象一下，你有一个在政府部门工作的孪生兄弟，同时你发现自己携带了一种患上精神分裂症的遗传风险。在这种情况下，你是有一种社会责任来透漏这个信息呢，还是有一种家庭义务来隐瞒这个信息呢？

精准医疗有大量潜在的益处，但也存在潜在的风险。我们必将迈入精准医疗的时代，所以我们理应好好地思考隐私在一个科技更为发达的社会里意味着什么。

有些人认为相比于在我们的生物数据中发现医学奥秘，隐私问题是没那么重要的。

由彻奇博士启动的个人基因组计划[225]旨在建立一个用于收集开放基因组数据的信息库。这项计划的参与者没有得到明确的匿名承诺，而事实上，该计划在网站上的文件明确地指出了当个人数据被纳入这个信息库后，对一个人来说，要弄清你是谁并不会是一件难事。

将个人基因组计划告诉我们的是斯蒂文·基廷博士，你也许还记得他的名字在上文出现过。

在研究机器人房屋建造卡车的过程中，基廷博士发现自己长了一个脑瘤，然后通过手术摘除了这颗肿瘤，并做了肿瘤基因组分析。出于各种政策原因，他发现要获取有关这颗肿瘤的医学和研究数据是很困难的，而自此之后，他便成了一名要求向医学界和病人本人公开医疗数据的拥护者。

基廷博士对个人基因组计划感到十分兴奋。“如果你想捐献你的基因组，那你就必须通过一项测试……以确保你了解你将承担的风险。我挺喜欢这种方法的，如果你现在把自己的数据分享了，我们真不知道10年后可能会发生什么。你必须把清单从头到尾看一遍，而且必须签字核准‘我了解一名罪犯可能会复制我的部分DNA，然后将之放在一个犯罪现场。我了解未来的一种病毒可能是为我定制的，只会感染我。我了解这个信息可能会被泄漏出去，然后以某种方式被返还到我的家人手上，并向他们展示一种他们不愿看到的情况’。你一旦签字核准，便可以递交了……每个人都要了解他们将承担的风险，这很重要，因为这些数据是他们自己的，而且这么做也是他们自己选择的。潜在的益处在我心里比那些疯狂的潜在问题要多得多，而且有人认为这必将成为医疗的未来，我觉得这种说法完全是合情合理的。”

这将如何改变世界

从短期来看，精准医疗技术将是非常昂贵的，但从长期来看，精准医疗的成本有可能可以通过多种方式被逐渐降低——在疾病恶化前查明它们，直接选用正确的疗法来治愈遗传性疾病，利用计算机相关产业的发展来提供更多更廉价的产品。

像脸书这样的公司是以为用户提供各种各样的服务来换取用户的数据的。考虑到医疗数据的价值，用户和生物技术公司之间也许会达成一份相似的协议。事实上，谷歌的母公司——字母表（Alphabet）公司——已经在为名为Baseline[226]的研究提供大量资金了，这项研究试图辨认出疾病相关的生物标记。我们不清楚他们的长期计划是什么，但如果其目标是以谷歌街景的方式来看我们的消化道，那我们随时可以把任何所需的数据提供给他们。

精准医疗最令人激动的影响之一将是临床试验方式。假设存在一种名为explodanol[227]的抗癌药，而且在临床试验中，六个病人中有五个癌症病人在使用了这种药物后被完全治愈了，而另一个却在服用这种药物的过程中突然爆炸了。这种结果或许会让试验者在下一次食品及药物管理局的会议上略显尴尬。

然而，假设试验者碰巧注意到了发生爆炸和没发生爆炸的病人之间存在一个区别——发生爆炸的病人全都有一组特定的微RNA标记，如此一来，试验者便可以重新采用这种被抛弃的药物来治愈绝大多数的癌症。当然，如果试验者想引爆1/6的癌症病人的脑袋，那他这时就应该把药物制成片剂来销售。

更进一步地说，通过获取基因组、微生物组、代谢物组和一大堆的“-omes”，我们或许能为临床试验进行非常明确的病人分类，这会是一场三条阵线上的胜利：其一，这意味着我们可以在规模更小的实验群体中来进行具有统计意义的药物试验。其二，这意味着药物不必在所有的试验对象或者绝大多数的病人身上起效后才能被视为是安全的。其三，这意味着出于安全问题而被搁置起来的老式药物可以被重新投入市场，以提供给特定类型的病人使用。

比方说，很少有人知道莱姆病[228]其实已经有一种疫苗了，但这种疫苗上市没多久就被撤了，因为一小部分接种者抱怨出现了类似关节炎的症状，一个有趣的事实是，自2016年起，你的狗——米腾斯——已经能接种莱姆病疫苗了，但你的儿子——米腾斯——不能。

尽管不大可能，但可以想象这一小部分对这种莱姆病疫苗有糟糕反应的接种者，全都有一组会引起不良反应的遗传特征。如果我们能把这些人予以筛除，绝大多数的人便能获得这种重要的疫苗。

事实上，情况很可能更为复杂。这一小部分的接种者也许全都是容易产生心理作用的人，考虑到因安全顾虑而没能成功进入市场的药物的数量，这种情况说不准真发生过。此外，对现有的药物进行更好的生物统计分析，可能会发现这些药物还能被用于治疗其他的疾病，这么做似乎有点愚蠢，但成效可能将是巨大的。目前，将一种新型药物投放市场的成本超过了25亿美元，而且绝大多数的新型药物最终并未进入市场。

我们读过有关这个话题的一本书，是以讨论“替代医学”的治疗方法为开篇的，当时这引起了我们的怀疑与不满，但作者很快就转到了像“遗传药理学中CYP2C19[229]的应用”和“荧光原位杂交[230]”（fluorescence in situ hybridization）这样不同寻常但让人欣喜的话题上。他在转换话题前提出了一个有趣的论点——就那些老式治疗在疗效上的不足而言，他们有一个共同点，那就是他们会特意为病人制定疗法。

塔罗牌的一个问题是它并不灵验，“你有什么问题？”肯定比“你这样的人有什么问题？”更具感染力。一个提供魔法治疗的人愿意说：“我知道你的问题，我可以治好它。”然而在基于证据的现代医学中，我们不可能总是知道问题出在哪里，即使我们知道，也许还是徒劳的，而精准医疗也许会为我们提供一种在科学时代实现魔法时代的梦想的途径。

第9章　生物打印

当你能轻易地打印一颗新肝脏时，为何要在七杯龙舌兰前踌躇呢？

想象一下，某天你一觉醒来，感到疲惫不堪，还犯恶心，然后冲到卫生间吐了起来。吐完后，你看着镜子，注意到自己的眼睛和皮肤都变黄了。你给儿子打了个电话，他赶忙驱车把你送到了医院。几小时后，医生表情严肃地走了进来。

你需要一颗新肝脏。

“好吧，”你心里想，“找一颗新肝脏能有多难呢？我认识那么多人，谁还没一颗肝脏呢？”你看着护士——不行……太小了。你看着医生——不行……太老了。你看着儿子，眼中熠熠生辉，可他摇起了头。

“爸，谁叫你总是不来看我的少年棒球联合会比赛的呢！”

因此你陷入了困境。你被列入了总人数目前已超过12.2万人的器官移植名单[231]。不过你很“幸运”，只有15000人在排队等候一颗新肝脏。

基于你所在的地方、健康、年龄和其他因素，你可能会在这份候补名单上待上数月到几年不等。肝脏往往会被交给状况最糟糕的人，这意味着你也许得等到你的病情恶化后才会被赋予优先权。此外，靠酗酒来更快地得到一颗肝脏是不被允许的[232]。

被列入器官移植名单并不意味着你会及时获得一颗肝脏。每年都会有8000人在等待器官的过程中死去。

然而，如果你是一个比较富裕的美国人，你无疑就有一个更好的选择。你可以成为一名“医疗游客”，去其他国家付钱给一个陌生人，让他把自己的一部分肝脏“捐赠”给你。

你或许会对肝脏的来源有所顾虑，比如说，如果你去某些发展中国家，你得到的肝脏也许便会是一个被处死的犯人的。当然，也许你根本不会在乎。

即使你能接受器官买卖的主意，而且知道器官是自愿捐献的，可你也许还会对“自愿”的定义有所顾虑。有证据表明，在这样的体系中最常见的捐献者都是指望偿还债务的穷人。这些人获得的酬劳往往比承诺的要少，而且会因丧失工作时间或手术对健康所造成的影响变得更为贫穷。

因此，你回去找你的家人和朋友，恳求他们分给你一小部分肝脏。肝脏有一种十分惊人的再生能力，所以你并不需要一颗完整的肝脏。“好嘛，”你对他们说，“就一点点肝脏。”

在由衷地为你错过了一场重要的少年棒球联合会比赛表示了懊悔后，你说服了儿子为你捐献肝脏，可这时你发现你俩配型失败了——所以你收回了歉意，因为你有正当的理由不去看那次少年棒球联合会比赛。

如果你能坚持等到一位亡故的器官捐献者，你还得期盼在余生中得到昂贵的抗免疫药物，因为这个器官不是你与生俱来的，你的身体也许会认为它是外来的，然后驱使免疫系统来攻击它。抗免疫药物也许能让这颗肝脏留在你体内，但这些药物抑制你的免疫反应会使你处于被感染的风险当中。

自此以后，你每年都得为科学纳税了。为何一个穿着实验室工作服的人不能为你研发一颗全新的肝脏呢？你听说3D打印机现在什么都能打印，那它能为你打印一颗健康的肝脏吗？你上亚马逊买了一本有关生物打印的书，然后翻到了序言：

只有时间知道我们的细胞打印机是否真的会变成器官打印机……以实现组织工程学已为之努力了200年的目标——创造肉味果冻以外的东西！

——布拉德利·林盖森（编）《细胞和器官打印》[233]

黏糊糊的东西？

好吧，比黏糊糊的东西要好。事实上，研究者已经能打印出可被使用的组织了，而且很多研究者正致力于将这个领域向完整的器官推动。

用实际存在的细胞来创造人造器官的早期尝试大致是这么做的——使用一些相对坚硬的物质来创造一个支架，然后在这个支架上喷上适当的细胞，再给这些细胞一些“快餐”吃，最后看着一个器官生长出来，这有点像有史以来最吓人的番茄花园。

可是这种办法并不太成功，因为细胞的密度不足会导致器官的生长时间非常的长，而且支架物质至少在早期是有毒的。

事实证明，器官是极为复杂的。我们不能只是把一大堆肝脏细胞喷到皮氏培养皿中，然后指望生长出一个器官来，这就像我们不能通过往一只盘子上喷一大堆“牛排细胞”来制作出一块美味的牛排。器官的有些部分很软，有些很硬，有些是可拉伸的，有些是僵直的。

为了弄清为何在实验室里制作器官是如此的困难，我们得花1分钟的时间来谈谈“你”。你也许曾有过自己的身体是由一大堆的细胞和液体所构成的念头，这不算错，但少了一类物质。想一想，一个新形成的细胞，这个细胞需要能量来移动，还需要化学信号来告诉它该去什么地方。它一旦到了它该去的地方，就需要一种环境提示来弄清该做什么。此外，细胞需要一些会让它们保持在正确位置上的结构，不然早就有会流动的肉冻了。

我们的肝脏并不是一动不动地等着处理“欢乐时光”[234]（Happy Hour）的，它们始终都在工作，例如发送并接收化学信息，移除死细胞并补充新细胞。想制作一颗新肝脏，就得有正确的细胞，还得以正确的方式来处理这些细胞，这有点像一下子建造起一座工厂来，而不是先建造建筑物，然后引进机器，最后雇用员工。

我们就重建这种复杂性事务同莱斯大学的乔丹·米勒博士进行了交谈，他告诉我们：“虽然科学家可以在器皿中培养细胞，但人体惊人的结构有着密度相当大的紧凑形状，比方说，肺部用于气体和血液交换的表面积有一座网球场那么大，而这么大的面积完全被折叠进了我们的胸腔当中，所以如果我们不能重建至少一部分这种惊人的结构，那我们就根本无法从功能上来更换一个器官。”

此外，在你制作一个器官的过程中，时间是不会停止流逝的。如果一个组织得不到稳定的营养供给，它几小时后便会死去。非常薄的组织块可以通过扩散来吸收营养物（有点像一块海绵吸水的方式），但如果组织块在厚度上超过了一枚10美分硬币，这种办法便不起作用了，这最后只会让组织的外部保持存活，但内部却早已死了。如果你愿意，可以把这样的组织称为组织中的基思·理查兹[235]。

组织坏死给制作器官带来了更多的复杂性。在一个真实的人体器官中，这个问题是由脉管系统解决的，也就是靠血管来解决的。除了你熟悉的大静脉和大动脉，血管还包括从较大的血管末端分叉出来的细小的毛细血管。

遗憾的是，毛细血管是如此之小，以目前的器官打印技术是很难把它们在较大的血管上制造出来的。

更困难的是，器官打印出来真得是完美的。无论何时，如果你的心脏停搏超过2分钟，你便会死去。想象一下康卡斯特公司[236]（Comcast）发生断电的话会发生什么？整个互联网都会因此陷入瘫痪。更重要的是，谁会接受自己的新膀胱有1%的故障率呢？

因此，我们在试图制作新器官的过程中会受到诸多限制——我们得有能力来使用各种各样的细胞，并以不同的方式来处理它们。我们得搭建脉管系统，为制造中的器官提供营养物。我们得很快地完成所有工作，因为只有这样，细胞才不会在我们拼合器官的过程中相继死去。此外，我们还得确保整个过程是万无一失的。

某些研究者认为最好的办法是3D打印。

3D打印的方式有很多种，我们在之前的章节中已对其中一些做过了描述，但其基本思路是这样的：我们可以通过某些方式来把材料逐层地堆叠在一个表面上，最终得到一个3D物体。一般来说，这并没有传统的制作方法那么有效率，比方说，如果我们要制作塑料筷子，那更廉价、更快的方式便是把塑料注入一个筷子形状的模具，而不是逐层来制作筷子。

然而3D打印还是有一些优势的。就一个传统模具而言，当我们想要一双形状独特的筷子时，我们就得先制作一个昂贵的新模具，而一台3D打印机几乎能制作出任何形状的筷子。此外，考虑到3D打印是逐层来进行的，一种时髦的款式[237]和一种更为传统的款式要花的打印时间基本是一样的。

我们还可以使用3D打印来混合不同的材料。如果你见过简易的桌面3D打印机，你就知道它们通常一次只能打印一种颜色的塑料，但如果增加喷口的数量，那我们便能得到更多的颜色。工业3D打印机不仅可以增加颜色的数量，还可以增加材料的类型，所以它们能制作出由金属、塑料、树脂和其他材料所构成的独特的混合物，这几乎是不可能靠手工或使用传统方法制作出来的。

3D打印另一个很酷的地方在于可以制作不同寻常的结构，比如说，假设我们想制作一个内部是蜂巢结构的球，这是不可能以一个注塑模具来完成的，但以3D打印来完成是相对容易的。

对制造像人体构造这样极为复杂的结构来说，以上这些特性让3D打印成了一种潜在的最佳办法。理论上，一台3D打印机应该能快速地喷出用于制造功能正常的人体器官所需的合适的细胞、蛋白质、化学物质、处理剂和构件。

更好的是，一台3D打印机将能为每一位病人定制器官，这很有用，因为一个身高5英尺的女人不会想要一个身高7英尺的男人的心脏[238]，而且医疗场所的一台3D打印机可以使用从一名病人身上分离出来并被培养过的细胞来为这名病人打印器官，比方说，我们可以从某个病人身上分离出未成熟的干细胞，再以巧妙的方式来使它们自行复制，以构成一个特定器官的细胞，最后把这个器官移植到这名病人体内。这样的一个器官不会有通常源于器官移植的排斥问题。

你也许有这样一种印象——摆弄3D打印机的通常是非常有钱的怪人，他们会像着了魔一样地花大把的时间来打印《星球大战》的迷你模型，但这样的人“只”占了97%，还有一些人正致力于更具潜力的项目，而且他们中对复制生物结构感兴趣的人开创了一个名为生物打印的领域。

生物打印的方式是五花八门的，而最常见的两种是挤压和激光。

挤压的工作方式本质上和一支糖霜枪[239]（frosting gun）的是一样的，但挤压出来的是由细胞和化学物质所构成的生物墨水，还有一些提供支撑的黏性物质，所以这些东西可以从喷口中被和缓地挤压出来。

在打印生物墨水层的过程中，一个由计算机控制的机械臂会在合适的时间将喷口移动到合适的位置上，这是一个很好的方法，因为细胞有时是相对纤弱的，而挤压是相对和缓的，不过任何使用挤压法的技术都会产生流量控制和堵塞喷头问题。一名心脏接受者很可能不会想看到一名医疗技术人员一边叫喊着说：“我确实取消了那个打印命令啊，该死！”一边在拽一块卡在喷口中的组织。

另一个问题是打印速度。当细胞在打印过程中受到过大的挤压力时，它们很容易爆裂，这限制了可被施加于细胞的压力大小，继而也限制了打印速度，而缓慢地打印同样会造成问题，因为细胞不是永生的，而且它们在被挤压出来后也许会发生偏移。

不过我们可以试着在生物墨水中混入更少的细胞和更多提供支撑的黏性物质，但这只意味着打印材料会更接近于果冻，而不是——好吧——肉。

这么来想这个问题——你想把番茄高速地发射到你的邻居那，但你唯一的方法是从一根管子中把番茄给发射出去。为了保护这些番茄，你可以把它们悬置在一种胶状物中，但如果你用很快的速度把番茄发射出去，番茄在撞到你邻居家墙上的时候便会爆裂。事实上，要把番茄以这种速度发射出去，你必须增大管子中的压力，但这很可能会在发射前便把一些较为脆弱的番茄给压碎。

对生物墨水中的细胞来说，情况是一样的。就这样的系统而言，生物墨水中细胞的密度和生物墨水被挤压的速度之间存在一个平衡点。

那直接用激光怎么样？

激光诱导向前转移（LIFT[240]）和油火的原理有点像。你知道为何别人会说你不能往油火上泼水吧！

当你引发了一场油火时，从根本上来说，这是一滩油的表层燃烧了起来。当你把一杯水泼在油火上时，会发生两件事：第一，因为油比水的密度要低，燃烧的油会浮在水上面，所以火不会被扑灭。第二，水的沸点是212华氏度，而油的沸点在600华氏度左右，所以这几乎就像一个表层是燃烧着的油，而里面是水的气球在以极快的速度膨胀，其结果便是一场巨大的爆炸，同时燃烧的油粒子会向四面八方飞溅开来，烧毁你的房子，毁掉你周六的煎饼日。

激光诱导向前转移和这差不多，不过规模比这要小一些，而且具有很高的可控性。首先把生物墨水涂抹在一块透明金属板的正面上，然后把一道激光射向这块金属板的背面，这会使生物墨水中出现少量的气泡，而气泡会发生爆裂，因此少量的生物墨水点会被弹射出去，然后落在一块用于接受生物墨水的金属板上，这会在被涂抹的生物墨水中留下空隙。

以这种方式反复地发射激光，可以在那块用于接受生物墨水的金属板上“画”出由生物墨水点所构成的复杂图案。通过增加由这些点所构成的分层，可以制作出一个立体形状来，这和挤压的方法是殊途同归的，虽然这种方法看起来似乎并不太理想，但如果我们能使生物墨水点足够的小，也足够的多，它们看上去便会像是一块屏幕上的像素，换言之，这些生物墨水点便构成一个连续的整体。

回到番茄和胶状物的类比，这就像把中间悬置了番茄的胶状物悬挂在了一个平面上，然后通过从反面加热这个平面的方式来发射番茄，因为加热会使胶状物发生爆裂。只要这种发射方式不会使番茄爆裂，那想以多快的速度来发射它们都可以，或者至少可以跟往平面上补充胶状物的速度一样快。

这也许看起来像是一种过于复杂的方法，但这种方法有很多优点，比如说，不会出现喷口堵塞的情况，其结果是极为精准的，而且可以通过调节压力量来避免过多的细胞发生爆裂，因此激光移动越快，打印得也就越快。

既然你已经熟悉了生物墨水的使用方式，那我们就可以开始讨论生物墨水的构成了。想在绝大多数的系统中使用生物墨水来打印，那就得做出很多妥协。要弄清原因，那就想象一下你正尝试用3D打印机来制作黏糊糊的曲奇饼[241]。即使你有一台可以打印曲奇饼的3D打印机，你也不能只是把一些从商店买的曲奇饼面团放到里面就万事大吉了，因为面团或许会很散，所以你必须添加一种用于乳化的化学物质，而且太大块的东西或许会被卡住，所以你必须去掉巧克力豆、坚果和葡萄干。此外，面团或许还会不太均匀，这会让打印出来的曲奇饼很难看，所以你必须拼命地混合面团，如此一来，你便得到了能被完美地挤压出来的曲奇饼糊，但样子和味道都很糟糕。打印一块曲奇饼主要为的是获得一块美味的曲奇饼，但以上这些限制会使这个目标变得异常困难。

同样，往生物墨水中添加各种物质，以使之能被令人满意地打印出来，这种做法也许会降低它构成一个严格意义上的器官的能力。生物墨水很可能只有在处于凝胶状态的时候才能被很好地挤压出来，并为细胞提供缓冲，所以要添加褐藻酸盐（alginate），而且生物墨水不能挥发得太快，所以还要添加甘油（glycerol）。如果有人想用生物墨水制作出极为可爱的螺旋形图案，那他们或许便会添加红色的“酷爱”[242]（Kool-Aid）粉。

然而无论添加的是什么，问题在于这些东西在一颗真正的肝脏中是不存在的，所以添加物须是无毒的，而且它们得在起到它们该起的作用后，同时在不会影响结构的情况下离开器官。

一些研究小组已经想出一种在不使用这些生物墨水辅助物质，而是依靠细胞本身的能力来打印，完成后生成大量化合物，然而像褐藻酸盐这样的添加剂仍然是很常见的。

即使我们拥有了完美的生物墨水，可一种生物墨水是远远不够的。一种特定的器官也许有十几种或更多的细胞类型，而且考虑到所起的具体作用，每一种细胞类型还要进一步地细分。

我们还得以不同的比例来混合这些生物墨水，而处理方式也是不尽相同的，比如说，我们或许会想往生物墨水中添加一种特定的化学物质，然后用紫外线照射生物墨水，最后再加热一下生物墨水，或者以不同的顺序和强度来做所有这些事情。叫人更为头疼的是，当我们在一张湿的“画布”上打印器官时，生物墨水也许会和画布产生掺混。

这似乎还是不够，因为各个领域都存在的一个很大的问题是软件。3D打印始于20世纪80年代。最常见的3D文件类型是STL[243]文件，这种文件起初只是为处理立体物体的表面而设计的，但就一颗3D打印肝脏而言，里面不是中空的这很重要。虽然生物打印科学家已创造出了变通办法和新的文件类型，但目前仍然没有一套高效，而且是由多方共同议定的构架。在这套框架出现前，这个领域的发展将一直停滞于20世纪80年代。

2.苹果II是苹果公司在1978年发售的一款家用计算机，而杜兰乐队是20世纪80年代一支红遍欧美的英国乐队。——译者注

因此，生物打印将是十分困难的，但好消息是这似乎是一个可解决的问题。科学家目前已取得了一定的进展，而且随着计算机、3D打印机的进步，加上我们对器官更为深度的了解，我们正越来越接近于实现生物打印。

我们的现状如何？

我们目前最擅长打印的是约有1毫米厚的细胞块。这个厚度已经是极限了，因为我们尚未完善血管打印，这意味着细胞所有的输入和输出都是通过渗透来进行的，但事实证明，我们可以用一块薄细胞块来做一些令人惊讶的事情。

伽柏·弗盖克斯博士是Organovo[244]公司——一家为药物测试打印人体组织的公司——的科学奠基人。在进行人体试验前，将一种候选药物在人体细胞上进行测试的能力，不但可以挽救很多人的生命，而且能节省一大笔开支。正如弗盖克斯博士告诉我们的：“如果一种候选药物在一块——比如说——人类肝脏上测试失败了，那试验者在把这种候选药物派发给病人前就要三思了。”

这是一件十分重要的事情。每十种测试药物差不多只有一种能通过人体临床试验。如果我们在人体临床试验前就可以确定哪些药物会失败，我们便会挽救生命，减少痛苦，并为人体临床试验阶段省下数百万美元的费用。

培育薄的人体细胞块之所以重要还有另一个原因，那就是很多人体部位实际上就是非常薄的。

想象一下，你在不太遥远的未来走过一座露天薄块器官集市。那边是卡迪·王博士，她能为你制作一片新的角膜，而这边是乔纳森·布彻博士——别在意名字——他可以为你制作一些心脏瓣膜！继续往前走，加腾霍尔姆博士正在售卖你心仪已久的大块软骨。全都是唾手可得的东西，而且都很薄。

在这座集市的尽头，几个器官专家正试图为顾客提供厚的器官[245]。在我们能打印出厚的器官之前，我们必须先打印出血管来。米勒博士的实验室正致力于血管的逆向生物打印。米勒博士说：“我们会用胶状物把打印出来的糖给包裹起来，然后使糖溶解，并将之移除，以留出一连串连通的中空管，在这之后，我们会让血管细胞流入这些管子，而它们会黏在这些管子的管壁上。”

被我们称为“来自地狱范式的冰糖”（the rock-candy-from-hell paradigm）的东西是使用两种不同的方法制作出来的。第一种方法使用的是一种名为RepRap的开源3D打印机，他们对这台3D打印机做了一些改装，这其中包括为之装配一些从一台烤面包机中获得的零件。米勒博士的烤面包机在挽救生命，而我们的烤面包机却只能让面包变得更为松脆。这种3D打印机可以挤压出一种经过特殊设计的黏糖，而（对好奇的人来说）这种黏糖确实是可食用的。

他们使用的第二种方法被称为“糖烧结”（sugar sintering）。

“烧结”这个词通常是指一套工业流程，在这个过程中，工人会先铺设一层粉末状的金属，然后用热量（比如说来自于一道激光的热量）使之形成一个固体。如果这个过程能以非常精准的方式来完成，它便可作为一种3D打印法。我们用一道移动的激光在粉末中“画”出一个形状，然后铺上另一层粉末，再在上面画，这和挤压的办法很像，都是通过制作分层来获得一个预置的立体形状。

米勒博士使用的粉末是糖。糖在被激光击中的时候会发生黏合，而在足够的分层被制作出来之后，糖便成了精准的糖雕。

这种办法在打印血管支架的时候具有一些显著的优点。比起挤压，烧结通常能更为精准地制作立体物体。在米勒博士追求的复杂结构的过程中，精准性是至关重要的。

此外，基于挤压的3D打印法，为分层提供支撑的是下方的分层，这使之很难被用于打印带有悬垂部分的物体，如同，从下至上打印一座落地式大摆钟，钟摆较低的部分在与上面的部分连接起来之前，将不得不悬在半空之中。

然而在糖烧结法中，悬垂部分四周粉末状的糖可以在打印过程中为之提供支撑，而在打印完成后，只要吹几口气，这些粉末状的糖便会散去。

米勒博士和他的研究小组已经取得了一些很有前景的成果。到目前为止，他们已经打印出了一些较厚的血管，而且很酷的地方在于这些血管表现得似乎和真正的血管没什么两样，完全可以承受正常的血压。此外，他们已着手于独立培育毛细血管了，但只是刚刚起步，我们离能打印大量肝脏（以及肝脏上“美味多汁”的血管）的目标还很远，但这是迈向一个更美好的明天的重要一步，到时候我们的孩子每晚都可以喝12瓶啤酒，只要注意别伤害别人就行了。

与此同时，令人激动的事情正发生在更为简单的人体部位打印中，比方说，比起肝脏组织，软骨能被打印得更厚一点，因为古怪的毛细血管依赖于缓慢的渗透来获得营养物和排出废物。迈克尔·麦卡尔平博士在普林斯顿大学的研究小组打印出了一种“电子人耳朵”。这种耳朵的厚实部分是由软骨（使用的是牛犊的细胞）和硅所构成的，而一段盘绕起来的天线被集成在了这种耳朵里，以作为一种听力形式。

好吧，耳朵确实没有心脏或肺那么复杂，但这种办法为一种很重要的观点提供了佐证，即成功而不完美地复制出了天然器官，而事实上，器官复制也并不是最具雄心的目标。

弗盖克斯博士说：“好消息是我们不需要对人体结构进行复制。谁说我们的心脏是最好的血液输送机器？谁说肾脏是最好的有害物质过滤器？这些器官的结构是极为复杂的，但它们各自执行一种非常明确的功能，这是作为生物工程师的我们可以加以模仿的。人造器官不会是天然器官的完美复制品，这只是因为它们的制作方式和生命机理从早期的胚胎发育起与天然器官的方式是不同的，但它们会起到相同的作用，虽然不会比天然器官更好。”

令人担忧之处

找到技术存在的危险对我们来说是至关重要的，但坦率地说，要面对和人造器官有关的道德问题真的很困难。就器官打印现有的问题而言，它们可能会是所有生物技术共有问题的特定变体。

比如说，富人可能会有获得更多也更好的器官的特权，尤其是在最开始的时候，而实际上，医疗旅游的存在已经让这成为现实了，穷人的身体如今成了打印器官的机器。

专利法将如何运作则是另一个重要问题，但这并非是生物打印独有的问题。假设苹果公司的iLiver远比微软公司的X-Liver要好[246]，那苹果公司有权让其产品受专利保护的时间有多长呢？

干细胞各种各样的道德问题也许会因器官打印应运而生，但目前这似乎并没有成为一个主要的道德难题。绝大多数有关干细胞的道德担忧是与胚胎干细胞的使用相关的，但最可能被用于生物打印的干细胞是多能干细胞（pluripotent stem cell），这种干细胞和胚胎干细胞很像，但它们是从病人身上分离出来的。

生物打印也许将具有少量其特有的问题，但对我们来说，它们似乎并不严重，比方说，有一种担忧是打印器官也许会在打印过程中感染细菌。理论上，这些细菌可能会是原本绝不会在一开始便进入一颗肝脏的类型。尽管3D打印器官不大可能会把新型疾病带入人体，但这种可能还是存在的。正像无菌手术技术必须在手术过程中把细菌隔绝在体外一样，生物打印实验室的无菌打印技术也必须把细菌隔绝在打印器官之外。

生物打印还将引发一种社会性的担忧，经济学家将之称为“道德风险”，其想法在于，如果一个社会将人们置于他们可能会不守规矩的形势下，那人们很可能便会染上恶习。一个（不久前的）经典的例子是，一名银行家可以在他银行的经营状况恶化的情况下得到一次紧急财政援助，于是他乐于不断地向外发放贷款。

同样，如果一个人对自己的任何器官毫无顾忌，这个人或许便会开始做一些非常危险的事情，例如私生活混乱、吸毒和暴饮暴食，这在遥远的未来可能会成为一个问题，但这似乎并不会发生在我们身上。肝脏手术绝不是一件有趣的事情，而且费用也绝不低廉。此外，意识到自己要做一次肝脏移植手术的过程也绝不是令人愉快的。

简而言之，如果银行家必须打开他们的体腔来接受一次紧急财政援助，他们或许宁愿发放另一笔有风险的贷款。议员们，你们拿主意吧。

这将如何改变世界

在美国，差不多平均每小时就有一人因等不到器官而死亡，而且在他们等待器官的过程中往往会丧失行动能力。因此，生物打印器官不仅会使病人受益，社会也会因此节省大量的公共医疗开支，并减少工作时间上的损失。

打印器官还将减少我们对器官市场的依赖。在合法的器官市场是否是一个好主意的问题上[247]，我和凯莉是持怀疑态度的（尽管我们确信非法器官市场的存在是一种令人不安的局面）。合法的器官市场是一个很复杂的问题，这个问题往往要在挽救生命和对穷人造成伤害和剥削间做出权衡。生物打印可能会为我们免除道德难题，终结器官买卖形式，不过前提是，不会有只想要“野生”器官的器官精英主义者[248]。

在具备了3D生物打印技术后，等上3年才能接受一颗尸体器官的事实就将成为历史了，所有需要接受器官移植的人只需等待新器官被培育好，而且等待的时间没有快慢之分，无论一个人居于何处或健康状况如何。米勒博士告诉我们：“甚至提前为自己打印好替代器官，然后把它们冷冻保存起来都将成为可能。”

生物打印会使用某人自己的细胞，所以器官排斥和免疫抑制药物的终身使用问题应该都不存在。如果生物打印实现了，需要接受器官移植的人不仅会得到一颗新器官，而且在移植完成后，他们还会拥有更高质量的生活。

生物打印还将为医生提供更为真实的练习对象，这似乎更像是一种便利的条件，而不是一项重要的发展，但是——好吧——当你下次需要做手术时，你很可能会希望医生过去的练习对象是某种更真实的东西，而不是薯头先生[249]（Mr Potato Head）。

话题关注——器官匹配市场

大多数现代市场的运作方式都是很简单的——你看见你想要的东西，然后为它掏钱。金钱是很好的东西，因为它可以购买商品和劳动力。

但在某些情况下不能使用钱，例如寻找爱情或捐献器官，或者说至少不能只使用钱。这些情况被称为“匹配市场”（matching markets），而且它们的出现频率是相当高的。

想象一下，你去找你爱慕的人，单膝下跪，然后说：“这里是一份承包合同，承包价格是我终生收入的40%……你愿意嫁给我吗？”

不，你不能这样做，不过我们鼓励你去试试，而且我们发自内心地鼓励你把这次尝试给录下来。

别这么做，你只有找到正确的人选才行，所以才会有“匹配市场”这个术语，这便是为何相比于买一辆车或一个三明治，爱情既是一种奇妙的体验，又是一种撕心裂肺的痛苦的原因所在。想象一下，如果你每次想买一个6英寸的三明治，你就必须给扔奶酪的“和蔼”的女士写一首诗。

你明眸中的这一切，让你的爱恪守不渝。

可吐司不是面包，我只好溘然别去。[250]

从历史的角度来说，哪些市场是更靠金钱驱动的，而哪些又是更靠匹配驱动的，其决定因素是文化，不同的文化会以不同的方式来寻求这个问题的解决办法。斯坦福大学的埃尔文·罗斯博士（诺贝尔奖得主，《谁得到了什么，这又是为什么》[251]的作者）援引了“深恶痛绝”的概念来解释为何很多市场是由匹配所驱动的。

出于文化原因，可能还有生物性的原因，当钱开始起作用时，很多交易被认为是令人憎恶的。领养一个孩子是正常的，而购买一个孩子是古怪的。坠入爱河是正常的，而用钱来换取爱情（在现代历史中）是古怪的。其他问题则介于这两者之间——性交易在某些文化中是可被接受的，而在其他文化中却是令人反感的。在某些文化中，医疗保健是商品，而在另一些文化中却是一个公民的权益。

在绝大多数的文化中，用钱来换取一颗器官是可憎的，赠送一颗器官会让一个人变得伟大，而买卖一颗器官则是处于这两者之间的，但如果目的是让人们不再等待，买卖器官便是有益的。

罗斯博士正在研究匹配市场，而他最大的成就之一便是对器官交换市场的设计。

要弄清器官交换市场是如何运作的，那想象一下不存在金钱但有一个平台匹配想以物易物的人，那如何进行交易呢？假设你想用玉米来换牙齿矫正手术，而正好有一名想要玉米的牙医，你便可以准备好接受手术了。

如果这种情况不存在，一个选择便是让第三方参与进来，让我们叫她爱丽丝吧。你有爱丽丝想要的某样东西，而爱丽丝有牙医想要的某样东西。你把玉米给爱丽丝，而爱丽丝把手术手套给牙医，然后牙医给你做牙齿矫正手术。

这笔环形交易被称为一次“循环”。一次完成了的循环意味着每个人都给予了别人某样东西，同时也从别人那里得到了某样东西，换言之，假设每笔交易都是自发进行的，那就没人会吃亏。

在你的眼里，这可能是一种糟糕的设置，如同，当每次你想买某样东西时，你都得找到一次交易循环。无论你何时想要某样东西，你本质上都将依赖计算机的能力来发现一个不寻常的巧合，如果系统中有足够的参与者，并且计算机的性能足够强大，便将出现绰绰有余的“巧合”来进行任何你想进行的交易。

现在想象一下，假设你需要一颗肾脏，你一个兄弟愿意把他的一颗肾脏给你，但由于血型的差异，你俩配型失败了。与此同时，在其他地方有另一对兄弟也遇到同样的情况。在双重巧合下，两个需要肾脏的人都和彼此愿意捐献肾脏的兄弟配型成功了。

你们同意做一个交换。一个陌生人通常不会轻易地放弃一颗肾脏，但在这种情况下，一个陌生人之所以会这么做，是为了给他的一个兄弟换一颗肾脏，所以每个人都将得偿所愿。

这样的情况很少见，但在等待名单上有12万人的时候，可能会出现大量的巧合。

器官交换还可能出现一种问题：要是有人改变主意了会怎么样？假设爱丽丝和安迪想同芭比和比尔交换肾脏，但在爱丽丝得到了芭比的肾脏后，安迪不愿意放弃自己的肾脏了。

这在法律依据上是极为不利的。芭比和比尔可以起诉爱丽丝和安迪，要求他们赔偿金钱，但能要求从他们的身上割去足有一磅重的肉吗[252]？为避免这个问题，一种方法是同时交换，所有的器官捐赠者同时被麻醉，然后同时交换器官。

然而，这会引起一种逻辑上棘手的局面，尤其是对大循环来说。如果理想的交换包含五位捐献者，那就得让五个手术团队同时进行手术，才能协调器官在这个循环中的交换。

这样的事情不仅可能会发生，而且确实发生过。但如果能找到很高尚的人，那便有一种更好的局面了。

例如，有人愿意把肾脏给陌生人，原因只是出于感激。想象一下，高尚的萨莉会把一颗肾脏给爱丽丝，因为安迪许诺会把他的肾脏给芭比。

然而在萨莉把肾脏给了爱丽丝后，安迪最终自私地推诿了起来。

好吧，这不是一种很好的情形，但至少芭比和比尔的情况并没有因此变得更糟，比尔依然有两颗肾脏，所以它们可以加入另一次循环来为芭比换取一颗肾脏，而爱丽丝还是和一个贪婪地占有着两颗肾脏的无耻小人生活在一起，但至少她得到了一颗肾脏。

在实际情况中，失约多半是一个理论层面的问题。罗斯博士说，关系破裂的比例只有2%，而且“这2%不仅包括临阵退缩和改变主意的人，还有在约定的时间因故不能捐献一颗肾脏的人”。

很棒的是，当出现一个像萨莉这样高尚的人时，我们可以试着建立起一条超长的器官捐献链，这其中每对器官接受者都同意为另一对捐献一个其他器官。

理论上，这条捐献链可以不断地延长，直到某人诈取或出了什么问题，如此一来，一群人便能得到肾脏，而且他们无须同时动手术。那么，从一个无私的器官捐献者的角度来看，他不仅会捐献一颗肾脏，而且将开启一整条肾脏交换链！这条捐献链的平均长度是5对捐献者，但最长的记录是70对，所以一个高尚的萨莉可以改变很多人的命运。

然而这存在一些局限性。虽然人们需要不同类型的器官，可匹配市场交易的几乎全是肾脏，这是因为肾脏交换手术的风险是相对较低的。

比方说，肝脏移植手术比肾脏移植手术要危险得多。罗斯博士说，每100例肝脏移植就会有1例出现严重的问题，然而每5000例肾脏捐献才会有1例发生重度并发症，所以虽然肝脏交换是可行的，而且确实发生过，但肾脏交换是更为常见的。

有少数读者也许正寻思为何我们不直接建立一个器官买卖市场。不必怀疑，其余的读者正在心里怒视着你们，他们认为这种想法是可憎的。

然而器官买卖市场的概念已得到了深入的研究，而且在伊朗和其他几个国家是合法存在着的。我们在这里不想对此进行深入讨论，作为替代，基于罗斯博士的一些观点，我们将提出一项思想实验。

现在通过一次肾脏移植来使某个人摆脱透析，节省下来的医疗保健费用便大约是125万美元。这意味着在为一个人换一颗肾脏支付100万美元的情况下，医疗保健系统还会省下一大笔费用，而且这还没算上这个人在摆脱透析后将带来的社会效益。

此外，器官捐献者可获得特殊的待遇，例如当他们需要一颗新肾脏时，他们可以在等待名单上获得一个更优先的位置。罗斯博士甚至提议为这样的器官捐献者提供特殊的社会待遇，例如搭乘飞机时更好的座位，或佩戴一枚荣誉勋章的权利，如同当今对老兵的礼遇。

换言之，一个器官市场不一定是一个个噩梦交织起来的，它还可以是这样的一个系统：一个人可以得到很多的钱、社会的尊重以及捐献名单上一个优先位置，同时很多人生命能被挽救，而且每个人都能节省器官移植所需的开销。

现在你明白了，仅仅通过对市场稍加重组，这个系统似乎会变得没那么可憎。当我们思考市场时，一个始终都应被考虑的重要问题是一套新系统——无论有多丑恶——是比当前的系统更好，还是更糟。一个合法的器官买卖或许会给你一种荒谬的印象，但这比几千人死去时他们的名字还留在一份等待名单上更糟吗？

我们回答不了在这些市场中什么是对的，什么又是错的。从长期来看，我们希望合成器官会成为可能，同时变得廉价。从短期来看，社会将不得不尽量以最为公平和高效的方式来分配稀缺资源。

第10章　脑机接口

40亿年的进化后你还是记不住把钥匙搁哪了

我们的大脑还是挺不错的。

我的意思是至少我们的大脑用起来是省时省力的，我们可以往自己的大脑里放入任何自己喜欢的东西，例如意识、记忆、身份以及把几条弯弯曲曲的黑色线条视为一个令人信服的句子的能力。

然而如果我问：“你有多喜欢自己的大脑？”你的答案不会全都是正面的。就像是一对恩恩爱爱但总是牢骚满腹的夫妻，列出几十件希望对方立刻做出改变的事情。

也许你想变得更聪明一点，或者拥有更好的手眼协调性。更好的记性将是令人愉快的，而删除一些记忆或许也会是叫人高兴的。防止有任何糟糕的感觉怎么样？此外，当你无从下笔时，你可以信手拈来莎士比亚所有的作品吗？“对了！对了！”你兴奋地补充道，“可以让大脑记录下我的梦吗？它们真的很有趣！我保证！”

理论上，所有这些事情都可以实现。你知道你可以变得更为聪明，因为你知道有人比你更聪明，而且你知道你可以拥有更好的记性，因为有人的记性比你更好。人类大脑中的一切——从有关住宅的意境地图到观赏日落时的感受——都是客观地被嵌入其中的。一个人的大脑是一台实体机器，而这台机器在很多方面同一台计算机是很相似的，那我们能像为一台计算机编程一样来为一个人的大脑编程吗？

我们在这里应该谨慎些。把大脑和最新最酷的技术等同起来是一种历史趋势。大脑是一只钟表，大脑是一套水利系统，大脑是一台引擎以及诸如此类的类比。

然而有充分的理由可以把一个人的大脑视为一台计算机，或者说得更明确一些，认为一台计算机可以表现得像一个人的大脑一样是具备充分的理由的。一只钟表是一种精巧的机械装置，但不是一种万能的机器，它只有报时的功能，但一台计算机——即使是老旧的翻盖式手机中一块性能糟糕的芯片——能运行任何不超出其内存限制的应用程序。好吧，一台老式计算机或许得花10年的时间来处理一款新的应用程序，但并不是不能运行。如果“心智”在某种意义上是一款应用程序，我们应该就能在一台普通的计算机上来运行它。

你耳朵之间这个3磅重的黏糊糊的东西，是一台具有几十亿个细胞和几万亿个连接惊人的机器，但别忘了你桌上那台计算机的优点。一台普通计算机十分出色的特性之一是它易于被改变，特别是你可以用它来阅读、写作[253]，而且你还可以为它升级。科学家已经知道一种直接改变大脑的方式了。这种方式包含三个步骤：翻开一本书，坐下，然后读。

开玩笑而已。科学家正在研究直接改变和评估大脑的方式。这不仅会是令人惊叹的，而且将是很重要的。有些人不能很好地与他人交流或行走，因为他们的身体不能和大脑达成协作，有些人有一些他们宁可没有的思维模式，还有些人想不付出任何努力就能在顷刻间掌握知识，就像你不用做任何功课便能习得禅思，这难道不是很棒吗？

虽然一台计算机不能冥想，而且通常也没有一副身躯，但它确实有一个人的大脑所不具备的一些显著的优点。计算机是由人类为自己所设计的，所以我们了解驱动计算机的软硬件，这意味着改变计算机是相对简单的。如果你想让一台计算机学习加法，你不必花上一年的时间来让它练习2+2。当你为一台计算机装上了一个新处理器时，它会立刻变得更为“聪明”。

如果我们可以把这种功能赋予大脑，这难道不是很好吗？

事实上，我们已经可以做到了，不过是以一种原始的方式，而且各种各样的办法正在快速地被改进。新兴的脑机接口领域是一种极其复杂的科学与人类实际需求的奇怪结合，这其中的微电子装置和强大的算法将允许我们对大脑进行解读，允许瘫痪了的人恢复行动能力，允许老年人重拾记忆，而且可能会让健康的人具备前人未曾企及的能力。

此外，也许我们以后还能把多个大脑连接成一个巨大的超级大脑，这听起来有趣吗？

我们的现状如何？

大脑解读

解读大脑涉及弄清一个人在想什么，或者这个人在干什么，比方说，一个人脑海中浮现的语言是什么？他的感觉如何？他是否正考虑移动一下自己的脚？他是否确实在移动自己的脚？这些是脑机接口被研究得最深入的问题，其部分原因在于这些问题是非常容易的，这有点像我们非常擅长于观察一群蚂蚁在一座土丘里干什么（即解读它们的行为），但让蚂蚁做某件它们从未做过的事情——例如拼写出“你好”（即写下它们的行为）——对我们来说是十分困难的。

当我们试图同一个人的大脑进行互动时，我们所处的位置有些像是正在使用一台外星计算机的科学家，可我们并没有一根USB线缆。即使我们有一根USB线缆，可大脑上并没有接口。即使大脑上有一个接口，可我们并不太清楚信息是如何被编码的，不过我们知道大脑会发出一些信号，而且这些信号和心智活动是存在关联的。

有两种主要的大脑信号类型是我们所关心的——电信号和代谢信号。

电信号

我们的大脑中充满了一种名为神经元的细胞，因为这种细胞是首尾相连的，所以也常被叫作大脑中的电线。神经元之间的交流主要借助于电，它们能贮存微量的电荷，然后通过释放（亦被称为“发射”）这些电荷来向邻近的神经元传送一个电信号，而思维便是大量的神经元以某种模式发射电荷的结果，你的脑海中之所以会浮现出“我马上会看到一幅画着一块跳舞馅饼的图画”，是因为有一组特定的神经元正在发射电荷，而且是以一种特定的模式。

我们现在有各种各样能方便地测量电活动的新奇装置，我们会把这些装置对着人们的大脑，试图借助探测到的电噪声来弄清人们在想什么。

代谢信号

新陈代谢是绝大多数人都确信自己理解的术语之一，但如果必须给它下一个定义，很多人便会支支吾吾地说不太清楚。事实上，即使是在科学中，新陈代谢也是一个十分广义的术语，但总的来说，它指的是一种化学物质会以某种有益的方式发生改变，比方说，葡萄糖会被转化成酸腺苷三磷（ATP[254]），一种能为我们体内很多化学反应提供能量的化学物质。

新陈代谢过程会导致化学反应，它们会留下一种我们可以探测到的影响。如果几个人带着看上去很有趣的植物和某种栽培设备进入了一栋房子，然后两手空空地走了出来，那我们就可以推断他们正在地下室培植某种东西。同样，当我们在一个人的大脑中看到充氧血进入了一个脑部区域，然后脱氧血从中流了出来时，我们就可以猜测这个脑部区域正在做什么。

当然，即使我们从大脑中获得了明显的信号，可我们仍然无法彻底地解读它们。我可以翻开一本用西班牙文写的书，然后开始朗读，但这并不能让我成为一个会讲西班牙语的人[255]。如果我们想解读大脑（以及利用大脑信号），那我们就得想办法来翻译这些信号，而办法之一便是关联。

比方说，每当我们看到一个唯物主义跳舞馅饼[256]时，一组特定的神经元便会随着电信号发亮。

在这种情况下，可以假设这些神经元群组不仅和解决“存在性焦虑”有关，还同馅饼有关。从更为现实的角度来说，如果特定的神经元群组在我们一移动右臂的时候就会发亮，我们很可能就能探测到我们的大脑命令我们的右臂移动的电性特征，这对制造假体装置来说是特别有用的，而探测到更难以察觉的电性特性也是有可能的，例如我们是冷静还是焦虑，我们是快乐还是悲伤，我们是专注还是心不在焉。

现在让我们来探索一些我们已经掌握了的大脑解读方式吧。为了便于理解，我们将这一部分按深入程度由低到高做了编排。

非侵入性大脑电磁解读

大脑解读的传统办法是脑电图，或者说EEG[257]。总的来说，我们得戴上一个装满电极，而且往往涂有导电凝胶的光头头套，然后在我们的大脑发出电信号的时候，脑电图便会对其进行监测。

脑电图会探测到大量的神经元（比方说50000个以上）以某种方式一起表现为——比如说——抬起你的手臂，换言之，它们会形成某种重复的循环模式。一个数量巨大的神经元群组究竟为何会一起行动是不太清楚的，但这是大脑中一种十分常见的情况。当很多神经元一起行动时，便会出现一种强度足以让大脑外部被探测到的电信号，而且只需使用相对廉价的设备。

脑电图有很多优势，而最大的一个就是它无须进行手术或使用昂贵的设备。此外，与所有以电为探测对象的探测器一样，脑电图可以获得很好的“时间分辨率”。你的大脑在你想着某件事的时候发射出一个电信号，而脑电图便会探测到它，这一切在不到1秒钟的时间里就完成了。这一点对任何脑机接口来说都是很重要的，因为使用者会希望可以与计算机实时“对话”。

脑电图的主要缺点是你会得到很糟糕的“空间分辨率”，脑电图可以探测到电信号，没错，但我们一般很难借助脑电图来确切地判断出电信号是从何处而来的，原因是脑电图只能探测到颅骨表面的电信号。

想象一下，一个巨大的球体上布满了一百万只猫，而这个球体的边沿上遍布着声音探测器，同时没有外部噪声干扰。

当一只猫喵喵叫时，这个声音太微弱了，难以被探测到，但假设存在某种猫聚会，一群猫会同时开始喵喵叫，如此一来，声音探测器便会探测到这个声音，不过，因为声音不是瞬时传递的，所以有些探测器会先于其他的探测器接收到猫聚会的声音。

使用探测器阵列，与我们对这个球体内部的知识，再加上用计算机对信号进行一些处理，这些能让我们确切地推断出这场猫聚会是从何处开始的，但出错是难免的。首先，总会同时有多场猫聚会。其次，存在着持续的猫叫回声。再者，猫叫声在穿过这个巨大的球体及其边缘时会变得有点失真，所以我们只能说“这场猫聚会是在这一大片区域里开始的”，而不能说“这场猫聚会是在这里发生的”。同样，脑电图能（以一种比较直接的方式）告诉我们：“大脑的这一部分正处于活动状态中。”但即便是获取这样的数据，也牵涉到一些技术障碍。

首先，我们的脸和颅骨是令人恼火的。我们的脸会使用电信号来做像眨眼这样的事情，这很重要，但这并不是大脑解读所关注的，可这些额外的电信号会让我们无法获得不能受干扰的脑电图读数。此外，我们的头可能会出汗，或者我们的头皮也许会发生轻微的抽搐，这些同样可能会对电信号的采集造成干扰。

考虑到简便的特点，脑电图确实是一种不可或缺的脑机接口研究方式，其价格低廉，同时无须把大量的长金属锥插进我们的头部（下文将有更多有关这方面的内容），而且确实能相当好地探测到大脑信号。

脑电图的一种补充手段被称为脑磁图，或者说MEG[258]。大脑的电流会产生一个磁场。磁信号比电信号要微弱得多，但它的一个优点是可以在不失真的情况下穿透你的颅骨。

理论上，这应该意味着我们可以不使用更具侵入性的方法来获得很清晰的大脑信号，但目前所有脑磁图系统的体积都很庞大。此外，目前的脑磁图设计中存在一个限制因素，即这种装置必须和颅骨保持一定的距离，而这意味着脑磁图同样不具有很好的空间分辨率。

脑磁图真正的优势是，可以探测到一组和脑电图所探测到的神经元互为补充的神经元。神经科学家有时会把大脑塑造为一个圆柱体的样子，但这并不是十分准确的，因为大脑其实是凹凸不平的，而且是湿软的。

大脑的团块结构意味着有些区域更易于用脑电图来分析，而其他的区域则更适合用脑磁图来分析。就分析目的而言，最好是把它们结合起来使用，但就脑机接口而言，则不然。脑磁图需要一台我们在序言中已讨论过的高灵敏度装置，即超导量子干涉仪，或者说SQUID，而这便是为何你搜索“Meg the Squid”[259]时，你会得到有关大脑成像的信息，而不是一只卡通鱿鱼的原因所在。

超导量子干涉仪必须用昂贵的液态氦来冷却。此外，这种装置非常灵敏，以至于它所在的房间必须隔绝地球磁场。简而言之，我们在短期内没法随时随地都带着它。

非侵入性大脑代谢解读

如果你在医院被“卡”在了一根噪声环绕着的狭窄的管子里，那你若不是在一台磁共振成像机（MRI[260]）里，就是正在出生。磁共振成像是通过电磁来使人体不同部位发出“叮当响”的声音，然后通过所产生的信号来制作一幅人体黏稠物质图像。就典型的磁共振成像机系统而言，我们可以借助它们来探测组织中水浓度的差异，这很有用，因为比起健康的组织，肿瘤中的水分通常更少。

科学家最近创造出了一种特殊类型的磁共振成像，其被称为fMRI，虽然“f”指代的是“功能”，可听上去像是发明者想“羞辱”原来的磁共振成像。事实上，“功能”指的是你能如何来观察大脑的运作。功能磁共振成像利用了一个事实，即充氧血具有一种不同于脱氧血的磁性特征。比起处于静止状态的神经元，处于活动状态的神经元要消耗更多的氧气。通过寻找含氧量较高或较低的血液，我们可以弄清大脑的哪些区域最为活跃，这应该能让我们进行一些高分辨率的大脑解读。

这种机器很复杂，但其基本逻辑是很简单的：当你给我看一头母牛的图片时，我有一组特定的神经元的含氧量陡然升高了，那这些神经元很可能就是对这头母牛产生了反应，或者说，当你问我1993年我最喜欢哪支乐队时，我有一组特定的神经元的含氧量骤然降低了，那它们很可能是专门应对羞愧感的神经元。

功能磁共振成像的主要缺点是设备的体积过于庞大，而且价格也极为昂贵。和脑磁图一样，功能磁共振成像很适合用于研究，但如果我们希望普通人随时都可以使用它，我们就必须对其做出一些重大的技术改进。

作为替代方案，另一种名为“功能性近红外光谱”（fNIRS[261]）的代谢解读法显现出了一些很好的前景。

还记得你儿时是如何让手电筒的光亮穿过自己的手的吗？功能性近红外光谱和这有类似之处。

在穿过大脑的过程中，近红外光会被充氧血和脱氧血吸收，但吸收量略有不同，而未被吸收的近红外光则会被头部另一侧的一个探测器给捕捉到，之后，计算机会对这个近红外光做出一些复杂的计算，继而展示出大脑中有哪些区域正在获取氧气。

考虑到探测器和计算机正变得越来越小，也越来越便宜，功能性近红外光谱或许会成为一种极好的解读大脑的办法，而且相比于脑电图，这种方法也更为便捷，因为我们在使用功能性近红外光谱的时候无须往头上涂抹湿凝胶，也不用戴着连着电极的“浴帽”。

然而功能性近红外光谱存在一个很大的限制因素，那就是近红外光实际上只能穿透1英寸的距离，根本无法穿透大脑，所以我们只能沿着大脑边缘来发射近红外光。尽管如此，不严格地说，很多主动思维都发生在大脑外围部分，而像呼吸这样更为原始的功能则是由大脑内部区域所支配的。

最令人激动却也最不成熟的代谢解读技术是功能性磁共振波谱，或者说fMRS[262]。这项技术和功能性近红外光谱的工作原理本质上是相同的，但得益于信号处理技术的新近发展，我们已经能探测到更多类型的大脑信号了。

正如你想到的，大脑所做的不只是往返运送氧气那么简单。事实上，大脑中有几千种具有不同用途的化学物质，而到目前为止，功能性磁共振波谱已经能探测到这其中的一部分了，所以除了告诉我们事情正在大脑中的何处发生之外，功能性磁共振波谱还能为我们提供一些有关大脑中正在发生何事的线索，这应该能更为详尽地描述出我们两耳之间正在发生什么。

然而最先进的磁共振波谱设备同样有体积过大和价格昂贵的问题。

此外，有一个我们尚未提及的问题是所有的代谢解读设备所共有的。先前我们提到过脑电图可以获得很好的时间分辨率，但空间分辨率却很糟糕，换言之，我们可以很清楚地知道一个人何时在想某件事情，但很难弄清这种想法是在这个人大脑中的哪个位置出现的。

代谢解读探测器则恰恰相反，它们会详尽地告诉我们想法出现的位置，但只能大致地告诉我们想法出现的时间。

右边这张图画的是一个尼采主义[263]跳舞馅饼。当你读完图中的这句话时，一次和尼采主义馅饼有关的代谢过程便在你大脑中完成了，而相应的电过程则在你开始读这句话之前就发生了。代谢过程的完成时间通常为3～6秒，但最长可达到30秒。

这是很糟糕的，其原因有两个：第一，对研究者来说，时间上的分散会使数据混乱不堪。当一个代谢信号逐渐减弱时，会出现一个不同的代谢信号，这使两者很难被区分开来。

第二，对脑机接口的使用者来说，这是一种令人抓狂的大延迟。想象一下，你试图用一只机器人手臂把一瓶喷雾奶酪移动到自己的嘴边，除非你特别喜欢奶酪胡子，否则3～30秒的延迟将是一个很严重的问题。

好吧，以上这些都是解读大脑最常见的办法，但要是我们可以采用一种更为直接的方法会怎么样？

具有一定侵入性的大脑解读

坦率地说，只能对头层进行观察，并试着对大脑内部多汁的黏稠物质做猜测，这是令人恼火的。难道我们不能把一些东西直接放在大脑的表层上吗？

事实证明我们能！有一种方法名为脑皮层电图，或者说ECoG[264]。大致来说，在你的大脑皮层，而不是你的颅骨表层做脑电图——这种方法像是不会受到烦人的头发、皮肤、骨头和液体阻碍的脑电图。

你猜怎么着？这样得到的数据比通过脑电图得到的要好得多。事实上，脑皮层电图不仅已被用于预测手臂在立体空间的运动，而且已经能让瘫痪病人精准地控制计算机光标乃至机器人手臂了，但缺点是要把电极插入大脑。

通过把装置的大部分植入脑皮层下方来使脑皮层电图的可见度最小化，这在技术上是可行的。从头顶上伸出几根电线来——这在大街上也许不会让人大惊小怪的。

一般认为脑皮层电图只适用于患有严重疾病的病人，尽管神经科学家觉得这种技术适用于任何人，所以脑皮层电图实验通常是在被植入了电极——作为一种癫痫疗法——的病人身上完成的。我们曾在几本书中读到过一些病人的故事，他们同意在脑部手术的间隔中接受神经心理学试验。

尽管脑皮层电图也许会具有非常重要的治疗用途，可我们很可能不会用它来玩电子游戏或下载我们的梦，但很多脑机接口的研究者认为脑皮层电图也许终将具有这样的用途。脑皮层电图无疑是非常具有侵入性的，而且电极的植入过程仍然存在很大的风险，但一旦度过了危险阶段，它便会成为一种至少能被持续使用几十年的极佳数据源。正如脑皮层电图看上去那样古怪，它相当于一个介于神经元监测可能的中间点。

一边是脑电图——你问——那另一边呢？

极具侵入性的大脑解读

比起把一套电极植入大脑皮层，有几种选择是更具侵入性的。这些选择属于皮质内神经记录（intracortical neural recording）的范畴。“皮质内”是一种描述将东西插入大脑的很好的说法，而传统的插入办法被称为犹他阵列（Utah arrays）[265]。

“犹他”这个词也许会让你相信这是一种美好的东西，但犹他阵列实际上是一块布满了相对较硬的金属丝的正方形金属片，而每根金属丝的末端都有一个用于监听大脑电信号的电极。在被插入皮质以前，为了把由此产生的刺激降到最低限度，这些金属丝很可能会被涂上一种抗炎症涂层。

随着技术的进步，犹他阵列在不断地被完善。通过使针脚更为统一或增加针脚的数量，这种阵列正变得越来越好，而且看起来更像是计算机芯片，而不是脑针。

一种相似的新发展产物被称为密歇根阵列（Michigan arrays），其使用方法相当于把小叉子插进大脑，尽管这是更有用的。沿着这把“叉子”的尖齿分布着一系列的电极，它们和犹他阵列中针尖上的电极差不多。理论上，密歇根阵列的优点之一是，在制造过程中可以在不增加长金属锥的前提下加入更多的电极，所以随着技术的进步，我们将以更小的损伤来换取更多的数据。

通过这类大脑解读器获得的数据是特别好的，这些数据会告诉你什么电信号正出现在特定的神经元层级或少量的神经元群组中，但其主要缺点嘛，好吧，不是大脑会被刺穿，而是数据的质量会逐渐下降。

被植入脑部的探测器在信号质量上通常会快速地下降，因为——你或许猜到了——大脑并不喜欢被插入金属和硅。当硬件被植入大脑时，大脑会产生一种免疫反应，直到把外来物封入神经等效对象里，所以一大半的电极在一两年之后便会失效，这就像一台运行状态逐渐变得越来越糟糕的计算机，可主人还在学习如何使用它。

解决这个问题的一种尝试被称为“神经营养电极”。

想象一个微型玻璃交通锥，其宽度大约为0.05英寸，内部充满了神经营养化学物质，而这些化学物质又被嵌入了电极，所以当玻璃锥被植入你的大脑后，神经元会向其中的空隙内生长，而针脚这时便会探测到它们，这就像是一个小的秘密花园，但里面种的不是花花草草，而是脑针。

考虑到电极数量有限，比起犹他电极和密歇根电极，通过这种方式获得的信息量要少一些，而且这些信息全都是局部的，但这还是很不错的。此外，到目前为止，神经营养系统已经展示出了极佳的使用寿命，它可以在病人的大脑中持续工作长达4年之久，不过鉴于这种方法是相当新的，我们尚不清楚它是否是完善的侵入性办法。

所有这些脑内方法存在的一个严重问题是，除了最初由插入所造成的损伤以外，这些方法还会造成长期组织损伤，而这种损伤大致是这样造成的：想象一下你把一把细齿梳子插进一碗果冻中，然后随身带着这碗果冻。无论你有多小心，果冻受到的晃动绝对会使损伤逐渐变得更为严重。就真实的脑组织而言，它们不仅会受到损伤，而且会发炎。对一个患有严重疾病的病人来说，这也许是尚可接受的，但如果我们想得到某种科幻式的电子人大脑系统，这类做法便是徒劳的。

一种解决办法是使用柔韧的电极阵列，这样一来，“针脚”便能随着大脑移动了，可问题是如果针脚是可以扭动的，那我们就无法如愿地把它们放进果冻般的大脑中，所以我们需要一种在进入大脑的时候是硬的，但在暴露于大脑中潮湿环境的时候会软化的材料。此外，这种材料需要一种会把信息传回大脑表层的微型电极端。一些实验室已经研制出了这种东西，但它们尚未被用于人体研究。

在以上所有的大脑解读办法中，你也许已经注意到了一种整体趋势——存在一种数据质量和侵入性之间的权衡。脑电图是相对无痛的（起码不用在头上打一个洞），但其信噪比是相当糟糕的。侵入性的针脚阵列会为我们提供极佳的数据，但会造成少量的大脑损伤。脑皮层电图则介于这两者之间。简而言之，更大的侵入性意味着更好的数据。

这是一种很好的思考大脑解读器的方式，但存在着另一个需权衡之处，即信号的宽度和深度。大脑中的针脚会让我们获得有关极小一部分大脑的数据，而脑电图会让我们获得有关整个大脑的大体数据。这么来想：如果你是一个试图弄清地球上正在发生什么的外星人，那你是更想清楚地看到新泽西的几个街区，还是从空中俯瞰这颗行星呢？从脑机接口的视角来看，这个问题目前并没有一个明确的答案。

理想的脑机接口应该能让我们获得整个大脑较为细致的数据。事实上，一个相应的提议被称为“神经尘埃”，即遍布大脑的微型探测器。这项提议听上去是令人惊讶的，只要别让我们做第一个吃螃蟹的人就行了。

升级大脑

我们能升级大脑吗？我的意思是每个人的大脑都有一些严重的问题。还记得你高中时干的那件让你难堪的事情吗？记得吗？为何你可以记起那件事，却想不起热力学三大定律呢[266]？

好吧，我们现在还无法提高你的智商，或者让你有更好的记忆力，抑或提高你拒绝再喝一杯苹果马提尼的能力，但正如我们下面将讨论的，我们也许能减轻十分严重的大脑问题，进一步地增强大脑已具备了的优势。此外，我们也许（只是也许）还可以提高人们学习新技能的能力。

一项修复大脑问题的技术被称为深度大脑刺激（deep brainstimulation）。你可以把这项技术视为一种更具针对性的电休克疗法。在一套典型的深度脑刺激系统中，一个电极会通过手术被植入大脑，然后被连上一块放置在脑皮层下方的电池。

简而言之，深度大脑刺激就是把一根由电池所驱动的电极的杆子放在大脑中。当这块电极被激活时，它会向周边区域持续地传送少量的高频电流，那这有什么用呢？举一个例子，想一想一个即将犯癫痫病的人。癫痫通常会以一种像是风暴形成的方式从大脑的一小片区域开始，然后向外扩散。这种情况发生的原因尚不清楚，但通过为大脑提供少量的电流，这种深层大脑刺激器似乎有助于在癫痫完全发作前阻止这场风暴。

就一些治疗而言，对这种刺激法已相当完善了，我们使用这种办法已经有一段时间了。我们和佛罗里达大学的埃塞古尔·古恩杜兹博士进行了交谈，她使用深层大脑刺激器的经验是这样的：“当我开始使用深层大脑刺激器时，我的天呐，他们竟然让这些刚被植入了深层大脑刺激器的人回家了，但这实际上是得到认可了的。有趣的是，我们目前还不太清楚深层大脑刺激会如何改善这些疾病的症状。”

据我们所知，将电杆放在脑袋里的这种方法要经过反复的试验才会起作用。亲爱的读者，你对此的反应可能会是：“我的天啊，什么？反复的试验？”

好吧，把一块电极插进一个人的颅骨深处而言，反复的试验并不是最理想的实证方法，而且存在一个道德问题。

深层大脑刺激可不是你患上轻感冒所做的治疗，它通常只被用在患有严重疾病（例如几近无休止的癫痫或有自杀倾向的抑郁症），而且常规疗法不见效的人身上的。对这些病人来说，深层大脑刺激潜在的益处要大于潜在的风险。没有完美的人类大脑指南，所以我们只能边实践边学习，而且我们通常是在这些病人身上增进我们对大脑的了解的。

这种方法似乎可用于更为广泛的疾病，比方说，古恩杜兹博士正尝试使用深层大脑刺激来抑制妥瑞氏综合征病人的肌肉抽搐，还有治疗“步态冻结”（freezing of gait），即帕金森症病人在短时间内的行动力丧失。

这似乎有点让人费解，但这种做法现在确实是很常见的，而且确实有一些优点。这套简单的系统似乎具有很长的使用寿命，能在病人身上持续地工作几十年[267]。此外，我们越多使用这项技术，就越接近弄清它会生效的原因。

另一个优点——至少相比于药物和精神病治疗方法——是刺激几乎会在手术后立竿见影。对患有高危大脑疾病的人来说，这可不是一件小事，而且理论上，这还可以让我们更容易弄清这种做法是不是真的生效了。当提到自愿接受大脑休克时，你或许会产生兴趣。

一家名为NeuroPace[268]的公司创造出了一种使用和脑皮层电图相同的植入方法来在大脑中监测癫痫发作的装置，其被称为响应式神经刺激系统（RNS System[269]）。这种小到足以令你看不出一名病人在使用它的装置，会在癫痫的电流风暴开始的时候发射定向脉冲。

响应式神经刺激系统并不适用于所有人，而且它至少每5年就得通过脑部手术更换一次电池。此外，不同于较为简单的深层大脑刺激器，安检扫描可能会触发响应式神经刺激系统，所以突如其来的意外脑休克很可能会让机场安检变得更为糟糕。

其他的研究者正在测试一种侵入性更小的方法，其名为经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation）。这种方法有些像深层大脑刺激，只是它使用的是强磁场，而且（这点很好）无须在头上钻一个洞。到目前为止，这种方法已显示出了对疼痛的缓解作用，而且对抑郁症似乎也能起到一些作用。与深层大脑刺激一样，这种方法的效果并不太显著。科学家现在一般会先识别出一片和问题有关联的大脑区域，然后对其施加少量的磁场，到目前为止，这似乎会产生一些有益的结果，但研究尚未完成。

如果我们不只想解决问题，我们还想让健康的大脑变得更好，这很简单，锻炼、合理膳食、减压，还有更努力地学习。

哈哈，开玩笑而已。我们能用计算机来提高我们懒惰成性的大脑吗？答案是也许能。

我们联系到了华盛顿大学的埃里克·鲁萨特博士，他是一名神经外科医生和神经系统科学家。

他认为大脑增强技术将循着一条与整形手术相似的发展轨迹。

早期的整形手术大多是为了修复天生的容貌缺陷，或者由事故或战争所造成的容貌上的损伤。当普通大众开始接受这些办法时，整形手术的范围便从容貌修复被扩展到了容貌改善上。

鲁萨特博士认为：“想象一个小的植入物可以提高你的注意力水平，比如说，像是一根小针的东西被植入了你的颅骨后，你会有更集中的注意力和更快的反应时间……华尔街的某个交易员因此可以多赚1亿美元，因为他能在更好的效率里更好地操作交易。[270]”

对于那些对大脑顶针不太感兴趣的人来说，有研究显示，外部磁刺激也许同样会提高人们在某些认知和记忆任务中的表现。你可能听新闻说过，有人在大脑被施加了磁场或电场的情况下，他们的学习和认知能力得到了提升，这或许是真的，但有一篇综述论文表明其证据是自相矛盾的。

最新的研究显示，对和记忆力有关的大脑区域进行深层大脑刺激可以提升学习能力，且这些研究已经在因其他原因而被植入电极的病人身上得到了印证。

这种刺激提高了这些病人对简单的空间信息的记忆能力。让一块电极穿过脑袋，之后便能记住去汉堡王的路，这种得失多半是不值当的，但这些结果表明使用电流来提升学习能力的想法是有据可循的，而时间终会证明一切。

即使这是可能的，但还存在其他问题。有确切的证据表明服用安非他明[271]（amphetamine）可以提高学习效率，但医生目前很可能不会建议你服用这类药物，因为以副作用（例如血压增高、视力模糊和躁狂症状）来换取学习效率是不值当的。

以电磁刺激来加强大脑而言，我们并不知道这会有什么样的长期影响，所以在接下来的几周里，你很可能无法在沃尔玛超市买到一顶神经刺激头盔。

对人体硬件稍加“升级”的另一种方法是更为高效地使用大脑。你有没有感觉到自己有时似乎能更快地汲取信息，而在其他时候，信息就像从你的大脑中跳了出来一样？有时你会觉得特别有积极性，或者富有爱心，抑或格外勤奋。

问题是你有时并不知道自己正处于这些精神状态中，所以不管出于什么原因，你的大脑可能会在明天下午1～2点时处于最佳的学习状态，但你这个时段在玩电子游戏了，所以你不会注意到。

好吧，要是这些精神状态可以被探测到，然后让你注意到会怎么样？如果监测装置告诉你此时此刻有些事你可能会做得很好，那你便会知道何时适合写诗，何时适合填电子表格，何时适合读莎士比亚的作品，何时适合无所事事和看电视。

有一些不错的证据表明，如果探测到了特定的脑波，这也许便意味着大脑正处于一种更好的学习新东西的状态中，然而据我们所知，能证明人体中存在这类情况的证据是相当有限的。我们找到的最具说服力的研究显示，如果你在兔子出现正确的脑波时教它们一些东西，它们就可以更快地学会你所教的东西——比平时要快上2～4倍。

换言之，这些兔子似乎有一种最佳的学习状态，那人类是否也是这样的呢？到目前为止，我们并不知道答案。人类比兔子要复杂得多。此外，在这项实验中，兔子学习的内容只不过是一项极为简单的运动任务。

向大脑写入数据

首先，我们在短时间内并不能把莎士比亚的作品、微积分或某种功夫上传到你的大脑中。事实证明这类事情是极其困难的，这主要是因为记忆的工作方式和你想的并不一样。简而言之，当你经历某件事情时，一种模式会在神经元中被创造出来。当你回想这件事情时，这种模式便会——可以说——被重放出来。如果你的大脑是为具备上传功能而设计的，那所有的记忆就都会被存在大脑中一块特定的区域里，这最好是带有一个USB接口，但大自然并没有让大脑便于连接外设而进化颅骨。

其实，你已经能向大脑写入数据了，你这个懒鬼。事实上，你刚刚把“嘿，这本书叫我懒鬼”写入了你的大脑。听、闻、看、触——所有这些感官都是向大脑写入数据的途径。

好吧，这是就绝大多数人而言的。对有些人（以及很多上了年纪的人）来说，这些写入机制会发生故障。我们尚未精通大脑数据，但我们知道如何来修理一些老旧的“线路”，目前有两项主要技术至少能修复损坏了的视力和听力。

我们可以使用压眼闪光[272]（phosphene）来恢复视觉。压眼闪光是人们在没有光进入眼睛的情况下会感觉到的闪光，这一般发生在人们的眼球突然受压的时候，比如说，我会莫名其妙地很想跑到凯莉后面，然后（轻轻）按住她的眼睛大叫：“压眼闪光！压眼闪光！”想必她会很享受她眼前那突如其来的光的跃动吧。

事实证明，我们可以用电流来获取相同的效果，科学家已经想出了如何将一种装置植入一个盲人的眼窝里，而这种装置本质上会使用压眼闪光来创造一个像素阵列，这算不上是视力，但对盲人来说，可以大致感觉到一张脸的形状已经足够好了。在一个案例中，一个人甚至能在一个空的停车场里开车转悠。

听力同样可以通过一种名为人工耳蜗的装置来恢复。你也许听说过这种装置，而且认为它不过是某种很好的助听器。事实上，它是一种完全不同的助听器，其工作方式大致是这样的：首先，被放置在耳朵周围的小的麦克风会接收声音，并将之传输给一个被放置在表皮下的接收器，然后，这个接收器会尽量滤除不相关的声音（例如对话时背景中的音乐），同时把声音转换为电信号，最后，电信号会穿过颅骨而被传到内耳中。

丧失了听力的病人能通过这种手段听到一些声音，虽然这需要花不少时间来训练，但病人最终能相当好地听到声音。我们曾听过一段人工耳蜗的模拟声音，它听起来就像是一段很糟糕的用盒式录音带录下的声音，但这给我们留下的印象是非常深刻的。

大脑数据写入领域中还有一项能让你一瞬间学会功夫的有趣发明，称为海马假体（hippocampal prosthesis），一些研究小组正致力于用它来改善因记忆缺失而形成的疾病，例如老年痴呆症和痴呆。

当一段记忆被创造时，它会途经你大脑中一片名为海马的区域，并在其中从短期记忆转换成长期记忆。当这个过程被中断时，创造新的长期记忆便会变得非常困难，而这正是为何你的曾祖母依然清晰地记得她还是一个小姑娘时发生的事情，却完全忘了今天是她生日的原因所在。

使用这种装置的想法是，用它来拦截将成为长期记忆但会被神经退化给扰乱的大脑信号，然后对这些信号进行一些处理，最后将之输出到大脑中正确的地方。

这听起来不就是向大脑直接写入数据吗？但关键问题在于我们并不知道我们写入的是什么，拦截到的信号在被处理之后便交给神经。这个领域中的首席研究员——南加利福尼亚大学的西奥多·伯杰博士——将这个过程比作了在既不懂法语又不懂西班牙语的情况下把法语翻译成西班牙语。

如果我们能在不懂“神经语言”的情况下把记忆输入长期储存，这有可能就意味着我们可以从一个大脑中记录记忆，然后将之写入另一个大脑，但就目前而言，我们并不相信记忆的形成过程会有这么简单。

令人担忧之处

改造大脑很容易引起人们的担忧。

首先，大脑不是一台简单的机器，所以为它升级并不会是一件易事，有证据显示，因基因改造而获得了更强记忆力的老鼠更易于遭受慢性疼痛。任何对大脑工作方式的改造都可能会出现意外的不良后果。

不过，即使有明确的不良后果，可竞争也还是会驱使人们接受大脑改造。差不多有1/4杰出的学术研究者坦言使用过大脑增强药物。除了可能会对个人健康造成影响外，这种行为也许还会引起一种危险的社会行为。如果一个人使用安非他命来提高工作效率，其他人就无异于在同一个“作弊”的家伙竞争一个好的职位。

这个问题尚不严重的部分原因在于，我们尚未弄清现有的大脑改造药物是否会给使用者带来巨大的优势。一个晚上只睡2小时的人可能会比其他人有更高的生产力，但不至于高上10倍。如果新技术会造成更为巨大的脑力差异，那很多人便会或多或少地被迫成为新技术的使用者。

在脑机接口时代，处于危机之中的或许不只是高技术工人。想想看，你的雇主会得到某种获取你大脑数据的权力吗？如果你大脑中的植入物允许你被跟踪，你的公司可以在你工作时跟踪你的大脑数据吗？一个面向公众的公司有权力要求雇员保持良好的情绪，如果情绪可以在神经层面上被调整，这家公司有权使用雇员大脑中的植入物来改变雇员的情绪状态吗？

有人建议说，在雇员身上使用脑机接口的有益方式，是使用一种会探测到工作时分心，然后提供某种刺激的装置，这或许会提高工作场所的安全性，但若强制在雇员的大脑中植入电子集中器，不知大家会有怎样的感受。

脑机接口还会造成严重的隐私问题。如果你身体里装有医疗设备，这些设备可能就具有某种能与外部世界进行通信的无线方式，而这会引起黑客侵入的风险。就大脑植入物而言，黑客侵入可能意味着更高的风险，比如说，一名黑客或许能借助重要的植入物来远程杀死或折磨一个人，当然，还有更不易察觉的可能，一名黑客或许能通过访问一个深层大脑刺激器来控制一个人的心情乃至个性。

人们或许会问，一个人将有什么样的权限来使用脑机接口，比如说，如果一个人在参加学术评估测试（SAT）时有一种脑机接口能让他照着字典念，评估者有知情权吗？此外，如果一个人不断地让大脑接受植入，这真的没关系吗？

脑机接口的一个社会性不安因素是在非典型群体中会发生什么事情。盲人和聋哑人有各自的群体，而盲人还有他们自己的语言。如果神经植入物可以让他们重拾视力和听力，这或许就意味着长久以来具有独特思维方式的群体将走向终结（至少是瓦解）。事实上，很多聋哑人群体的成员已经因这个原因对人工耳蜗表示强烈不满了。

更可怕的是，若因历史原因而不受欢迎的行为可以被改造会怎么样？想想看，行为改造将在某个时间点上成为现实，可人类在哪个时期是存在行为上的瑕疵的呢？

同性恋已不再被视为一种病状了，但这种情况只存在于少数的文化中。1972年，罗伯特·希思博士在一个苦恼的同性恋者身上进行了实验，试图用脑电图和电流刺激来唤起这个人的异性性欲。通过改变大脑，我们也许会毁灭掉一些性格特征，但随后又会发现其实这些性格特征是极为宝贵的，而且在道德上是全然无害的。

这把我们带到了谈及脑机接口时最为广泛的关注点上——脑机接口会成为我们所知的人性的终结吗？如果我们从1万年前把一个健康的新生儿带到现在来，我们没有理由相信他会有任何不适应问题。自智人存在起，人类大脑的基本硬件就没有改变过。脑机接口的出现将让我们首次对大脑基本硬件做出修改，但这也必将成为我们最为狼狈的尝试。

一旦我们获得改造大脑的能力，便会出现一种奇怪的循环。我们可以通过改造大脑让自己变得更为聪明，这意味着我们可以制造更好的脑机接口，而更好的脑机接口又意味着我们可以变得更为聪明……我们所有人很快便会有完美理由来成为没有肉身的超级大脑，这将是一件令人失望的事情，因为到那时我们就再也体会不到观看《好汉两个半》的真正乐趣了。

这将如何改变世界

随着脑机接口变得更为可靠，它们会被应用于各个行业中。理想的脑机接口可以让人们变得更为聪明，更为专注，拥有更好的记忆力，甚至是更富有创造力。在思考这些可能的时候，我们不可能不联想到某种电子人的反乌托邦[273]，然而考虑到有机会能在一瞬间获得更强的记忆力，绝大多数人很可能都会选择接受。

在短期内，脑机接口绝大多数的用途将是修复大脑，而不是增强大脑，但修复大脑损坏了的部分需要我们了解它们，而了解又应该会自然而然地变得更强。

虽然可以预想到我们的思维在未来会被有心灵感应能力的计算机给探测到，但这些装置在短期内的主要用途将是治疗疾病，一个正开始腾飞的相关领域被称为神经装补学（neuroprosthetics）。

神经假体（neuroprosthetic）是一种会按指定路线把信号从大脑发送到假体的装置。目前有很多神经装补学研究的对象都是腿，原因很简单，因为腿比手臂要简单。神经假体被视为机械复原断肢的终极形式，因为神经假体完全可以做到真正肢体所做的事情。在一条非常先进的假腿中，机器会试着对一个人想做出的步态进行探测（行走、慢跑、奔跑、连蹦带跳地走），然后做出对应的移动，可它远没有一条有血有肉的腿那么自然，而且它无法做出一条真腿能做到的很多复杂的运动。

科学家已经想出了如何让这些假体中的一部分向大脑做出反馈。你认为不必看着自己的腿走动是理所当然的事情，这是因为你可以感觉到腿在空间中的位置，而且你可以感觉到腿部肌肉的紧绷状态，你还可以辨别何时弄伤了腿，可如果你的腿无法把信号传回大脑，这便是不可能的。理论上，一个神经假体应该能用脑机接口来提供某种形式的往返通信。

对于一些不想要一只机器人手臂的病人来说，他们也许能使用脑机接口来使瘫痪了的肢体移动。瘫痪常常是由某种形式的脊椎损伤所造成的，而脊椎是大脑向身体其他部位传送信号的主要通路，所以当脊椎受损时，大脑按路线向肢体发送的信号便会被切断。一个因脊椎损伤而无法移动手臂的人，仍可以向手臂发送信号，可问题是这些信号永远都不会抵达手臂。要是我们可以捕捉这些信号，然后直接发送给肢体会怎么样？

一项名为神经桥（Neurobridge）的技术在不久前的确做到了。一个犹他阵列被植入了一名病人的运动皮层，并以无线方式与他前臂上的一系列电流刺激器连接了起来[274]。经过耐心地练习，这名病人能再次移动他的手和手指了，虽然动作远谈不上完美，而且这只胳膊本身也无法向大脑提供反馈，但从长远来看，这些“桥梁”也许代表了一种治愈肢体瘫痪的疗法。

除了进入先进疗法的市场外，还有一类脑机接口已被用于更具娱乐性的软件。市面上已经可以买到各种各样的脑机接口游戏，尽管它们大多使用的是相对简单的技术。一款名为《用你的意志来扔卡车》（Throw Trucks with Your Mind）的游戏会让玩家在一个虚拟的竞技场中通过向对手扔各种物体来赢取胜利。这款游戏有什么与众不同的地方呢？为了获得能量来扔东西，玩家必须释放出一种与冷静相关的脑波，那这是否会推动治疗焦虑和注意力缺陷的全新疗法的出现呢？又是否会让人们在扔想象中的卡车的时候变得十分放松呢？时间会给出答案。

另一项提议是通过让计算机掌握人们的精神状态来改善交流，比如说，一个语音识别装置或许很难辨别“我要凯特！”和“我要蛋糕！”[275]但一种简单的脑机接口或许能辨别你究竟是恋爱了，还是饿了。

还有一些人可望实现神经网络连接。在一组实验中[276]，实验室动物的大脑被用一种脑机接口连接在了一起，其结果似乎真的是一种脑际连接。我们不知道这些实验鼠是不是真的共享了思维，但它们被连接起来的大脑好像真的能一起更有效地执行任务。在未来的某个时间点上，也许将人们的精神合为一体真会成为可能，无论是出于娱乐目的，还是出于商业目的[277]，不过对我们来说，这听上去似乎是一种令人胆寒的团体项目方式。

沃兹沃思研究中心（Wadsworth Center）的格尔文·沙尔克博士，设想了一个我们在其中能更为密切和详尽地交流经验的世界。事实上，他认为我们必须用这些名为手指的粗短肉棍敲击出我们的经验并进行分享是荒谬的。如果我们的大脑被连接了起来，那我们便能体验到更为个人化的事情，比方说，你可以把其他人加入你某一刻的经历中，这样一来，他们便能看到你当时所看到的，闻到你当时所闻到的，感受你当时所感受的了。

“比起计算机，这将更大幅度地变革社会，从根本上改变作为人的意义……我们将能与技术互动，与我们周围的人互动，而且完全不用思考互动的方式……这意味着我们的思维将很容易被聚集在一些云端服务器中，这将完全消除所有的交流障碍，而且会让社会带上几分超人的色彩，或者说会把所有不同的人归并在一起……我的意思是我真的想不出还有什么事情会比这对生命造成的影响更为深远，真的。”

我们不完全确定我们是不是想把大脑归并在一起，因为我们每个人都有很多更愿意留在自己心底的想法。实际上，沙尔克博士指出持续的连接可能会有一些缺点：“你和你的妻子坐在长沙发上，然后你想：‘我想跟她离婚。’突然间，她知道了你的想法，那可就不妙了。”

那可就真不妙了。

脑机接口具有一种古怪的特征——我们想要它们能单独提供给我们的东西，却惧怕它们会对人类社会做出某些事情。

在本书介绍的所有技术中，完美的脑机接口的影响很可能是最不可预测的。一座核聚变反应堆仍会是由人所操控的，而一台太空电梯也仍会是用于运送人类的，可如果我们的大脑被连接到了计算机上，而且这两者又可以相互修改，我们就不再是我们所知的人类了，这将会成为一个终点，也会成为一个起点。

话题关注——菲尔·肯尼迪博士

下面这一段来自于凯莉采访鲁萨特博士的简短文字记录。这次采访实际上是在Skype[278]上进行的，但为了营造出画面感，请想象一间黑漆漆的城堡房间，四面是冰冷的石墙，到处凌乱摆着奇怪的生物标本和皮质封面的大部头书，必要的话，还可以加上电闪雷鸣。

鲁萨特博士：技术不是问题，如果我有的话——实际上没那么多钱——我现在就可以制造出一种脑机接口来……真正的问题在于人们会不会为之提供资金，会不会发展它，食品及药物管理局会不会批准它。我认为在很多方面我们实际上比我们想的要更接近于实现这项技术，这中间有几分官僚主义在阻碍技术发展。

凯莉：这很叫人着迷啊。我从没意识到我们有这么接近于为健全的人提供神经假体。当你跟别人谈论装配神经假体时，你有没有得到……

鲁萨特博士：我想说——就当作一个参考吧——一个有趣的故事。菲尔·肯尼迪……他装了一种脑机接口，他是一名精神正常、身体健康的科学家，去年还是前年，他南下到伯利兹[279]给自己植入了一种脑机接口。

凯莉：是做什么用的？

鲁萨特博士：我想他这么做主要是出于科学原因吧，因为这样一来，他就可以研究自己的大脑了。总的来说，这种接口会记录下他言语皮层的信号，而且能让他对不同的事情加以控制，但他后来遇到了一个必须移除这个接口的问题，所以他拿掉了这个接口。他只不过是一个想拥有一个脑机接口的正常人。

什么是“正常的”在脑外科医生和普通读者眼中也许是不同的，但这可能就是天才的代价吧。值得一提的是，菲尔·肯尼迪博士正是神经营养电极（我们在上文中已做过讨论）的开创者。

事实证明，肯尼迪博士的故事比上面提到的要复杂一点。他的做法无疑是极端的，但他确实飞到了伯利兹去接受一种在美国不会被批准的手术，自己掏了25000美元把一个植入物放到了自己的运动皮层中，为的是让这个植入物能同一种脑机接口进行通信。

然而肯尼迪博士做出装上一个脑机接口的决定并不容易，他为的并不是能成为一种早期的电子人。事实上，他的主要研究目标是去帮助患有“闭锁综合征”（locked-in syndrome）的病人。患有这种疾病的人要么完全不能移动他们的身体，要么只能做出最低限度的动作，例如眨眼或发出咕噜声。如果你觉得这听上去有点耳熟，那你可能就听说过一本名为《潜水钟与蝴蝶》[280]的书。这本书是让—多米尼克·鲍比花了一年的时间以眨眼的方式让别人转述出来的[281]。

有相当数量的脑机接口研究，是侧重于寻找能让鲍比这样的瘫痪病人更为自由地交流的方式的。肯尼迪博士对神经营养电极的研究，曾让几个瘫痪病人获得了操控计算机的光标并以此来选取字母的能力，但当肯尼迪博士在这个领域中工作了快30年后，食品及药物管理局开始拒绝批准他进行更多的临床试验。

肯尼迪博士当时还在资金和实验对象上遇到了问题，他担心自己毕生的努力将付之东流，所以他自掏腰包让自己成了一名“病人”。他写下了遗嘱，并让他的公司为他提供了一种脑机接口，然后飞往伯利兹。

在接受了两次手术后，肯尼迪博士似乎成功了，虽然他在手术后短暂地丧失了说话的能力——这可能表明食品及药物管理局的做法是有道理的——但他后来声称当时并没有为此产生过任何焦虑，但他毕竟是这次手术的共同开创者之一，因此熟悉这种手术的副作用。

也许他真没为副作用担心过，因为不是谁都会花一笔巨款跑到一个医疗法规更为宽松的国家，单纯是为了让自己的大脑结构进行电子改造的。

他对自己进行了大量的研究。他会念单词或想单词，然后监测一组作为研究对象的少量神经元是否发射了信号。在大约一个月的研究后，他在美国通过手术把这套系统给取了出来。此外，这个故事最让人意想不到的转折是……他得到了保险理赔。

肯尼迪博士显然认为这么做是值得的。除了向他的奉献精神表示敬意外，我们还能说什么呢？不过我们真希望听一听他是如何同保险公司商议赔偿的。

结尾
长眠于墓地的一些项目

在写这本书之前，我们是读着科普书，抱怨着书中小错不断的技术宅——好比是在一场橄榄球赛中，坐在场边骂着粗话的烤干酪辣味玉米片的爱好者。当企鹅图书的人接受了我们的侃侃而谈时，那仿佛就像是有人把奶酪玉米片从我们紧握的双手中拽了出去，然后把真正的橄榄球运动员所穿的装备交给了我们[282]。

技术宅的骄傲要面临考验了。

我们尽了最大的努力来把资料和幽默合理地杂糅在一起，但我们最大的担忧是有人会说我们写的不准确，但考虑到我们试图汇总的资料的数量之多（必须被简缩和删减的资料数量更甚），这本书不可能是十全十美的。

如果你正好注意到了一个事实性错误，请让我们知道。最好的做法是，告诉你的朋友和家人你要出一趟远门，而且会失联一段时间，然后到我们家来，从楼梯上下到黑漆漆的地下室里。下面有好吃的，我们保证。

在一开始设想这本书的时候，我们的想法是对一大堆的新兴技术做一次简明扼要的概述——这有点像餐前小吃，只不过是为超级技术宅准备的——可我们逐渐发觉如果我们把自己局限在简短的章节上，我们就根本无法介绍任何一样新兴事物。坦率地说，如果你只想看一份有关本书中任何一个主题的简要概述，去看维基百科就可以了。我们想介绍更具深度和更为古怪的细节，更多当你和科学怪人交谈或者在阅读晦涩的文件时会遇到的古怪故事——这同样有点像餐前小吃，只不过是为胃口更大的超级技术宅准备的。

当我们扩充章节的长度时，先前绝大多数的主题都被删去了，还有一些被我们归并到了主题更为宽泛的章节中，但有几章是我们精心写的，而且也是我们十分满意的，可我们最终还是把它们全都给删掉了。

我们认为应该让它们摆脱云存储文件夹对它们的折磨，好在陷入无尽的黑暗前享受片刻的光明，也算是为本书做总结了。

在此为你带来——长眠于墓地的一些项目。

1号墓：天基太阳能

天基太阳能的基本想法是，把一个规模巨大的太阳能板阵列放在太空中，然后让这个太阳能电池阵列将能量传送回地球。

把太阳能板放在太空中其实有一些诱人的益处。太空里没有夜间，所以不必储存能量或在日落后切换到另一种能源上。我们可以把太阳能板移动到靠近太阳的地方，因为在那里可以获得更多的单位面积能量[283]，而这些太阳能板可以把能量传送回地球上的任何地方，只要那里有一台接收器。此外，这是环保的，除了将太阳能板送入太空所燃烧掉的几百万吨火箭燃料[284]。

那问题呢？好吧，首先，这会贵得离谱。一块较轻的屋顶太阳能板的质量大约是20磅。以目前的太空发射成本计算，每块太阳能板的发射费用差不多是20万美元。在我们拥有了一台太空电梯的设想中，虽然每磅货物的成本仅为250美元，但发射一块太阳能板还是得花5000美元，而且这还没算上制造能在太空中运转良好的太阳能板的成本[285]。现在在地球上制造一块太阳能板的价格大约是200美元，但这个价格正在快速地降低。

那为何还要介绍这个主意呢？在《太空太阳能的理由》[286]一书中，约翰·曼金斯博士认为，天基太阳能板在单位面积能量上或许会比地基太阳能板高上40倍左右，因为地面上有四季、昼夜循环和天气。

然而，这是一种略有不公的比较，因为太空有其自身特有的问题（例如太空岩石和辐射），但曼金斯博士只是试图以此来证明太空太阳能或许会产生很高的经济效益。好吧，对我们来说，问题是——假设天基太阳能板和地基太阳能板能获得的能量比是40:1，结合估算出来的成本——把太阳能板放入太空的经济效益是很难估计的。

即使曼金斯博士给出的最乐观的数值是正确的，我们也拥有了一台极为先进的太空电梯，以当前的价格，我们将为每块太阳能板付20倍的成本，以换取40倍的能效，这足够好了，但我们推测，当我们能建造一根62000英里的太空缆绳时，天基太阳能板的成本将下跌超过五成。

即使太空发射在未来会变得非常廉价，可在亚利桑那州制造40块太阳能板很可能永远都会比把一块太阳能板发射到太空中去便宜。

而且在亚利桑那州对太阳能板进行维护也更为容易。好吧，夏季的凤凰城[287]显然不比寒冷的虚空好多少，但就太阳能而言，那里有一些优点：亚利桑那州有可供呼吸的空气、强大的重力和世界上最大的牛头骨[288]，而且没有持续不断的高能辐射。当尘垢遮盖住了亚利桑那州的一块太阳能板时，我们可以用一把橡胶刮扫器，而不是一个太空机器人来解决这个问题。

就在太空中修理一个规模巨大的太阳能电池阵列而言，先进的机器人不仅会是有用的，而且将是必要的。另一个选择是训练一大群宇航员在点缀着星光的无尽黑暗中承受住那份严酷……这样他们就可以擦一整天的太阳能板了。

也许我们将凭借本书谈论到的某些技术发展来获得合适类型的机器人，但哪怕我们拥有了一个自主型机器人集群，我们也将更愿意让它们在亚利桑那州——世界上最大的石化树之乡[289]——修理太阳能板。

太阳能电池还有一个优点，那就是它们（在非常遥远的未来）对太空运输来说会是很重要的，其想法在于从靠近太阳的太阳能板中收集能量，然后把能量传输给已经处于太空中的载具。从长远来看，这或许确实会成为现实，因为太阳代表了大量的免费能量，当我们能发射搭载着机器人的巨型结构体时，我们会有更好的选择。

为了写这本书，我们浏览了很多标新立异的技术，这其中有一些毫无疑问是不会实现的，或者至少不会以最令人激动的形式实现。太空太阳能对我们来说似乎并不可取，哪怕它处于最理想的条件下。在我们的能量需求变得更为巨大，而且我们决定只使用可再生能源的情况下，我们会给所有的屋顶都装上太阳能板吗？但这似乎是不可能的。以目前的太阳能板的能量水平来看，一座覆盖撒哈拉沙漠总面积10%的太阳能发电站才可以满足全球的能源需求[290]。我们推测人们还会对这些太阳能板下的阴凉感激不尽。

尽管有很多聪明人认为太空太阳能具有很大的发展潜力，但我们对此持怀疑态度。

2号墓：高等装补学

什么是高等装补学？这是一个有些广义的范畴，它涵盖了一切会带我们跨越实心的大木块或大金属块的范例，一个假肢在功能上会接近“过时的”肉基肢体的世界的东西，这其中有很多很酷的东西，从牢固却不失柔性的材料，到会尝试对一个人将要做出的动作进行预测的肢体，再到我们在上一章中已谈论过的神经装补学。

当今的非计算机化假体已十分令人惊讶了。先进的材料和设计让看上去很简单的装置也能兼具功能性和美观性。此外，就可被大规模生产但缺乏新意的假体而言，为其增加复杂的设计，3D打印机在这个领域中无疑是有一席之地的。

计算机化假体也已相当出色了。正如我们在上文中所提到的，有些假腿会尝试对一个人会做出什么步态进行明确的判断——是慢跑，奔跑，连蹦带跳地走，爬楼梯，还是太空步——并据此做出响应，虽然并不完美，但比起使用实心的大木块，这已经是一个很大的进步了。

计算机化假体的缺点之一在于它们是一种需要充电的装置。这个缺点对任何使用这种假体的人来说都是很明显的，但对我们正常人来说却是有些不耐烦的。如果你有一个智能假肢，你就得每晚都取下它，并将之连上充电器，同时对那些为iPad充电的人大为恼火。

改良假体的缺点是很有吸引力的，人腿的实际动作比大多数人所想象的要更为复杂。一条木制假腿之所以糟糕在于它只有一个僵硬度水平。想想看，就你选择的步态而言（假设你有两条“标配的肉腿”），你会不假思索地任用一个僵硬度。你可以试一试绷住膝盖行走，当然，这看起来特别的酷，但这样走很慢，也很痛苦。现在试着在膝盖完全放松的情况下走走看，不过要是你把脸给摔破了，可别怨我们。

大脑对腿有一套区间性僵硬度管理模式，以实现行走、奔跑和跳跃等动作，一般人到四岁时便能完全掌握这套管理模式，所以我们根本无须思考便能做出这些动作来，但这是有些不可思议的。当你行走时，你的膝盖和脚踝会共同给予你的腿以适当的弹性，以免你弄伤自己的关节，而且你的腿（像一根巨大的弹簧）能以此重新获取一些向前移动的能量。肉基腿还会提供反馈信息，你才可以在不小心快摔倒的时候迅速对双腿做出调整。这类反馈正在被纳入假体之中，但这项技术还是很不完善的。

然后是脚踝。极为出色的脚踝在我们奔跑的时候会向两侧小幅度地快速伸缩。我们跑得越快，它们的快速伸缩就越明显。不起眼的脚踝实际上是一种非常精巧的小装置，它们可以沿着任何轴线移动，还可以在合适的位置上以各种各样的姿势紧绷。试着想象一下，在脚踝只能前后移动的情况下踢足球会是什么样子的，别说是踢足球，哪怕是打保龄球都会变得很困难。最糟糕的是，若没有脚踝，还有什么是能让维多利亚时代的绅士色眯眯的呢？

此外，还有手。手是假体的终极挑战，因为它们牵涉到的东西太多了。只是用手去指着某样东西，我们就得以每一个指关节，外加我们的腕关节，很可能还需要我们的肘关节和肩关节来做出这个动作。

从手势驱动的角度来看，手损失同样会造成一个问题。如果你失去了一只手（比方说，一场决斗中你的一只手被砍了下来[291]），你便会想要一个替代品。我们在上一章中所提到过，操控手指的肌肉其实都在前臂中。

如果你失去了一整条前臂，机械肌肉在这之后便可以被安装在假前臂中，用来操控假手，但如果你失去的只是一只手，这些机械肌肉就得被安装在假手中，可这样一来，假手中就没有太多的空间来放置电池和促动器了。

这正是为何天行者卢克的手被达斯·维达砍下时，他让自己成了傻子中的傻子。砍下的是手，而不是前臂，这让卢克需要一个更为复杂的假体，而这就是黑暗面的强大[292]。

假体在未来可能会使用把信号直接从大脑发送到附属肢体的神经装补技术。也许我们终有一日将拥有使用起来能同真正肢体一样自然的替代肢体，但考虑到假体的发展历史，小的进步同样意味着很多人将过上更好的生活。此外，在非凡的未来，我们也许会获得额外或全新类型的肢体，获得每个人都可以拥有的触手！

那为何要在前文删掉这一章呢？部分原因是我们担心过多对假体的技术描述会显得有些重复和单调，虽然沉闷的叙述不失引人入胜之处，但我们认为绝大多数的读者都不会想看一大堆有关踝关节自由度的内容。

更重要的是，相对于脑机接口的那一章来说，这一章显得很多余，虽然神经装补技术有其自身的研究领域，但它确实是脑机接口研究的一个分支。

因此我们不无遗憾地将之弃置在了这个坟墓里。

3号墓：室温超导体

这里所述可能会颠覆人们对超导体的一种认识——如何在没有能量耗损的情况下进行传导。

事实证明，无损的电力传输很可能并没有预计的那么好。把目前所有的线路都替换成无损传输，我们能节省多少电力呢？我们得到的数值是不到10%。更多的电力是不容小觑的，但想想看——即使存在一个无须冷却的超导体——要节省整整10%的电力，我们就得替换掉目前所有正在被使用的电线。

此外，所有高温超导材料使用起来都不方便——你很可能会把你在野外看到的一种高温超导材料当作某种古怪的岩石——但铜可以被轻易地拉伸为性能良好的长电线。如果我们日后真发现了一种能在常温下工作的超导体，我们敢说它绝不会像可弯曲的金属那样易于使用。

因此用它来传输电力很可能是不可行的[293]，但超导体的用途远不止传输电力，这个古怪的物体还有两种惊人的特性：迈斯纳效应（Meissner effect）和磁通钉扎（flux pinning）。

由于这是章节的墓地，所以我们不给出细致的解释，简而言之，迈斯纳效应是这样的：当一个物体被冷却到足以从非超导体状态进入超导体状态时，它会从内部快速地释出磁场，想象一下，你把一块普通的磁铁放在一个未被冷却的超导体上，然后不断地给这个超导体降温。当这个超导体的温度超过了进入超导状态的临界值时，这块磁铁会突然间一跃而起。

为什么？因为磁铁有磁场，而超导体形成的磁场会与磁铁相斥。

接下来是磁通钉扎。简而言之，某些类型的超导体（被称为第二类超导体）允许磁场从各处向其内部穿入，而不是完全与磁场相斥。这种古怪的特性意味着一块磁铁可以被“钉”在一个超导体上。

当把这两种效应结合在一起时，事情便会变得十分古怪。如果我们把一块磁铁和一个超导体放在一起，然后对它们进行冷却，那这块磁铁便会想跳开又跳不开，因为它被磁通钉扎了，其结果将是这块磁铁只会……飘浮起来，或者说，它被“钉”在半空中了。磁铁会不断地试图摆脱磁场，可磁场又会把磁铁留在原处，所以磁铁只会停留在一个相同的距离上。

我们将这种现象称为超导悬浮。

磁铁不仅会飘浮在超导体之上，而且会被“钉”在原处。即使我们向一侧转动磁铁或超导体，这两者也将保持在相同的距离上。我们甚至可以把它们倒置过来，这就像是它们会相互排斥，却被看不见的线连在了一起。

这种特性具有众多的潜在用途，比方说，我们可以拥有一个绝不会被用坏的连接器，因为两样相连的物体绝不会有实际的接触。

这还意味着我们可以让这块飘浮的磁铁快速地旋转起来，而它绝不会停下来，因为没有摩擦力[294]，而且我们可以从这种运动中收集能量，所以悬浮是一种极佳的能量贮存方式。

悬浮同样是一种让火车跑得更快的方法。磁悬浮列车（你也许还记得我们在通往太空的廉价方式的那一章中讨论过）已经在少数国家投入使用了，尽管它们需要非常高昂的造价。这种列车绝不会接触到轨道，这能降低设备的损耗，而且不会因车轮和轨道的摩擦而丢失速度。

室温超导体可以降低这些列车的运营成本，因为我们无须使用冷却液体或制冷装置来让这种超导体保持低温。即使是安全物料，我们也能使用更少的量。

就现在和可预见的未来而言，我们不得不使用液体冷却剂来使超导体工作。自20世纪80年代起，我们已能让“高温超导体”在零下300多华氏度的温度下工作了，这意味着我们已经可以使用相对廉价的冷却剂了，而在不久前，这个温度到了零下100华氏度左右。我们可以用一台高级冰箱来获得这个温度，或者在正确的时间去南极洲也可以，不过在这个温度上工作的超导体需要一个很大的压强。

一个有趣的事实是，我们使用的高温超导材料是硫化氢。硫化物中含有硫，而硫是一种闻起来像臭鸡蛋一样的化学元素，所以世界上温度最高的超导体很可能还是最难闻的超导体。

而我们决定把这一章给埋葬掉有两个原因：第一，我们想提供的科学解释离不开量子力学，而我们不够缜密的解释又很难把问题说清楚。第二，在采访了很多人之后，我们得知这个领域中的人对日后普及室温超导体的态度是很悲观的。我们采访了加利福尼亚大学戴维斯分校的茵娜·维施克博士，她告诉我们，虽然一种新材料的用途往往是很难被预测的，但提高超导体的工作温度可能只具有科学研究价值[295]。

4号墓：量子计算

哎，量子计算，从你的棺材里出来一会儿吧。

你差点让我俩崩溃了。

尽管我们为这一章花费了最多的心血，可最终还是把它给放弃了，而最糟糕的是，我们几乎无法告诉你放弃的原因，这是由量子计算所带来的困难——我们找到一篇相关的文章，结果发现这篇文章很可能是错的，或者至少是把问题简化得失去了正确的可能性。

量子计算通常被视为计算的下一个阶段，或者一种会像魔法一样提升你计算机运行速度的方式，抑或一种进入无限宇宙（亦被称为多元宇宙或平行宇宙）来同时进行无限运算的手段。这些观点和事实是相关的，但相去甚远，很容易产生误导性。

要真正弄清量子计算（我们只勉强了解了个大概），你就得弄清一台计算机在比特量级上是做什么的，而且你得对基本量子力学有一定的了解。此外，即使你弄清了这些东西，你也不会一下子就弄明白它们如何能一起来解决数学问题。

因此在写这一章的过程中，我们发现自己处在了一个试图解释一系列无生命的通断开关如何能运行一款电子游戏，或者播放一首歌曲，抑或操控一个怪异而恐怖的像人一样的聊天机器人（真的，这很古怪，不是吗？）的位置上，同时还要解释量子各种各样的古怪之处，例如包含负数甚至是复数的广义概率规则。我们受尽折磨地就构建薛定谔的猫的设置做出了解释，然后将之联系上了更多的薛定谔的猫，这其中如果A猫活着，那B猫便死了，除非C猫……你知道，就是诸如此类的。这一章在写到2/3的时候就已经比其他章节长太多了，而且这还没算上被我们乐观地称为“幽默”的内容。

因此不同于薛定谔的猫，这一章确实已经死了。

不过，我们彻底爱上了这个研究领域。当量子计算在被谈论时，它通常会变成一种可以破解绝大多数常见的数字数据加密法的量子计算机，但实际上，量子计算还有其他的用途，例如某种形式的数据库检索，还有计算原子量级物体的运动表现，而后者对研究科学来说会是十分重要的。

量子计算或许还意味着我们能理解客观存在，这是可能的，因为量子计算的工作方式实际上涉及了多重宇宙（至少看起来是这样的）。

作为当前量子计算领域中的一个重要人物，斯科特·亚伦森博士[296]告诉我们量子计算引人注目的地方在于，它需要我们真真正正地接受量子力学告诉我们的东西。你也许在一本科普书中读过有关同时存在于两个地方的粒子，或者就一件悬而未决的事情的量子力学探讨——这可不只是为了理论化或娱乐。

实际上，这个领域的奠基人大卫·多伊奇博士相信，只有证明了在我们这个宇宙中的量子计算机上运行的算法的存在[297]，才会证明无限宇宙的存在。他在《现实的结构》（The Fabric of Reality）一书中向其他的科学家发出了一个挑战，要求他们解释为何一种特定的因式分解法能成功地分解传统计算机不大可能分解出来的多位数。“如果可见的宇宙属于物理现实的范畴，那物理现实里就完全不存在分解这样一个多位数所需的资源，那是谁为它做的因式分解呢？怎么做到的呢？又是在什么地方做到的呢？是计算出来的吗？”

一种用于解决数学和物理问题的装置，单是其存在就可能意味着我们能弄清宇宙的本质，还有什么是比这更迷人的呢？

离开这片墓地

如果你是一位年轻的读者，那这些革命性的巨变也许就将发生在你的有生之年里。这意味着你可以成为这些巨变的参与者，如果你愿意为之贡献你的力量的话。本书中很多同我们交谈过的人并非没有太大的名气——他们是同凯莉一样的高校学者，或者是像凯莉这样追寻着事物本源的渊博的思考者。联系他们吧！一个学者是在一间灰白色办公室里略感孤独的人。曲奇饼——很便宜的那种——就可以让他们感受到关爱。你的全麦曲奇饼可能可以帮你换来一张2050年去往火星的船票。

虽然有很多书都会试图说服读者采纳一种未来学的理念，或者接受一种对未来的想象，但我们希望这本书并没有给你留下这样的印象，因为我们认为那么做多半是不可能的，而且完全是没必要的。知道此刻有比我们更聪明的人在探寻如何通过神经元来探测人的思维，或者如何开采遥远的外星矿物，这就足够令人激动了。

L. P.哈特利在《中间人》（The Go-Between）一书中写道：“往事宛若一个遥远的国度”，那未来又何尝不是一个遥远的国度呢？我们始终都在一个名为“现在”的小的内陆国中极目远眺，可未来终究是隐没在一道狭长的地平线里。

好一道地平线啊！

话题关注——镜像人

最后让我们来谈谈镜像人。

你没有听过镜像人？那让我们来补充一点资料吧。

生命是由很多很小的分子构成的，而这些分子又构成了体积更大的重要分子，例如DNA、RNA和蛋白质。有些分子会表现出所谓的手性（来源于意为“手”的希腊语单词）。如果一个分子具有手性，那这基本上就意味着存在着这个分子的一个镜像版本。

要明白什么是事物的“镜像版本”，那就想一想你的手。它们看起来是完全一样的，无论你怎么旋转你的左手，它都不会与右手别无二致。如果你的手掌朝上，你左手的大拇指便是指向左侧的，而你右手的大拇指则是指向右侧的。每只手都有完全相同的部分，但它们是翻转过来的，仿佛中间有一面镜子。

如果两个分子互为镜像，这就意味着有一个被指定为了左手版本，而另一个则被指定为了右手版本[298]，可令人不解的是，就特定的任务而言，大自然似乎有一种偏手性的倾向，比方说，几乎所有的氨基酸（蛋白质的构筑基元）都处在左手形式下。为何自然界里不存在右手性的氨基酸，这是一个悬而未决的问题，即使是我们在太空中发现的氨基酸，同样是趋向左手的。

无论大自然的理由是什么，从物理上看，如果我们愿意，就没有理由不能在实验室中用手性相反的分子来创造一个有机体——一个“镜像有机体”。一些科学家——其中包括彻奇博士——正致力于创造（简单的）镜像有机体，并且期望有朝一日创造出有生物那么大的镜像有机体，为何想得到这种东西呢？其中一个原因是这种东西会是令人惊叹的，我们会创造出一个看上去是一只可爱的小猫，但和这颗行星上——可能甚至是宇宙中——其他的生命全然矛盾的东西，比方说，镜像有机体除了将只能消化镜像食物以外，还将是所有的捕食性动物都不能消化的，而更好的[299]是，一个镜像有机体将对所有的疾病完全免疫，因为所有现存的寄生虫和病原体都是为感染具有正常手性的有机体而进化出来的。

如果这成功了，那我们便可以上升一个层面来制造镜像人。镜像人将对所有困扰了人类几个世纪的疾病免疫。疟疾？没问题。肺结核？不在话下。

好吧，这同样会存在不利的一面。镜像人将需要镜像食品，可能还需要镜像微生物。此外，如果一种镜像疾病进化了出来，那他们就将需要镜像药物。他们还将需要镜像伴侣，如果他们想要孩子。

要是互为镜像的镜像人爱上了对方会怎么样？不同镜像类型的情侣——你知道——会“合为一体”，但他们将无法繁育后代，因为就遗传物质而言，混合左手人和右手人是不可能的。我们并不是手性偏执者，我们相信手性相异的情侣同样能和睦相处，我们只是担心他们会有原本不可能会有的孩子。

虽然镜像人在我们眼里没有什么不同，但他们将成为一个独立物种。作为在基因上相孤立的种群，我们起初将是相似而矛盾的，但逐渐便会具有不同生理和心理特征。考虑到作为原始镜像的我们——相对来说——是疾病缠身的，很可能过不了多久，镜像人便会以一种看一大群蹒跚而行的僵尸的目光来看我们。

说到这，那这一章为什么会在这片墓地里呢？在这本书的初稿中，镜像有机体是合成生命机理的那一章中的一个小节，但在阅读了一些资料后，我们被搞糊涂了，同时产生了一些对镜像有机体实用性的怀疑。制造全新类型的生物，这样它们就不会患病，这似乎是一种通向健康的迂回路径。这个常常在少数热爱合成生物的技术宅间被讨论的主意，我们觉得算不上是一个科学领域。镜像微生物或许有朝一日具有研究实用性——比如说，我们可以研究镜像天花，这绝不会有因泄漏而造成传染的风险——但即使是这种可能，实现它也是非常遥远的。

镜像分子或许便会是令人惊讶的，比如，要是我们可以制作一种人体无法代谢的美味的糖会怎么样？一位名叫吉尔伯特·莱文的科学家在20世纪80年代确实发现了一种可被用作零卡路里增甜剂的美味的“镜像糖”，可遗憾的是，事实证明这种糖太过昂贵了，所以这种做法从未流行起来。在与这种糖存在一些相关度的味觉历史中，一种名为奥利斯特拉的仿造食用油在20世纪90年代被投放到了市场中。奥利斯特拉可以用来制作好吃且没有脂肪的薯片，但一些人在食用了这种食品后遇到了更高的“肛门漏油”率，大部分的奥利斯特拉食品便因此被下架了。我们并不知道食用镜像糖会有什么副作用，而不知道可能是最好的。

我们想知道的另一个没有这么恶心的事情，根据人们对带有味道的镜像分子所产生的反应来找出镜像人，很巧的是，带有葛缕子味的分子和带有绿薄荷味的分子是一对完美的镜像分子，所以我们想知道一个镜像人是否会认为含有葛缕子的黑麦面包尝起来像是某种难以下咽的绿薄荷面包。

为了找到答案，我们同佛罗里达大学味觉和嗅觉中心的主任斯蒂文·芒格博士进行了交谈。首先，他礼貌地指出了我们提出的问题是错误的，因为问题不在于葛缕子和绿薄荷尝起来是不是不同的，而在于它们闻起来是不是不一样的。“味道发生在嘴巴里，而且仅限于产生甜味、酸味、苦味、咸味、鲜味……也许还有油腻味的东西。味道包括了闻起来的味道和尝起来的味道。就很多的香料而言……味道的主因是气味。”所以事后看来，我们学到了先前并未意识到的东西。

然而我们还是需要知道——我们可不可以用美味的黑麦面包来弄清有没有镜像人生活在我们中间？事实证明这是很难说的。只是去思考这个问题，也是很困难的。就让镜像人来闻镜像分子而言，它们的味觉感受器必定也会是镜像化的，如此一来，当这些味觉感受器同绿薄荷味的分子产生化学反应后，它们便会向大脑传送一条“我闻到了葛缕子”的信息，这是可能的，但实际上会不会是这样的是不清楚的。正像芒格博士告诉我们的（他那时很可能已开始寻思他是有多“傻”才会进行这一次谈话）：“说到底，一切都只是猜测。”

如果你有一个朋友认为黑麦面包很恶心，那我们就无法100%地确信他不是彻奇博士在一间秘密实验室里所制造的了。

致谢

为让这个世界变得更为美好，很多科学家、医生和工程师抽出时间来与我们进行了交谈。对他们来说，或者对社会来说，这很可能并不是一个好主意，但我们不胜感激。我们很感谢这些专家中有很多都阅读了本书中与他们的专业有关的部分，或者把这本拙作通读了一遍（个别情况）。我们向埃塞古尔·古恩杜兹、格尔文·沙尔克、埃里克·鲁萨特、贝丝·夏皮罗、乔治·彻奇、乔夫·西尔伯格、帕梅拉·席尔瓦、雷蒙·冈萨雷斯、玛塞拉·莫斯、斯蒂文·基廷、希尔斯廷·马修斯、丹尼尔·瓦格纳、约翰·门德尔松、桑迪普·梅农、乔丹·米勒、伽柏·弗盖克斯、埃尔文·罗斯、埃里克·德曼、辛西娅·宋、斯凯拉·蒂比茨、塞丽娜·布斯、阿兰·克雷格、凯特琳·费舍尔、盖亚·邓普西、乔纳森·文图拉、贾斯丁·韦尔弗、克斯汀·彼得森、克里斯托弗·威利斯、贝洛克·霍什内维斯、理查德·赫尔、丹尼尔·布伦纳、布鲁斯·利普舒尔茨、亚历克斯·韦勒斯坦、罗伯特·科拉辛斯基、玛格丽特·哈丁、佩尔·彼得森、杰西卡·洛夫林、詹森·德莱斯、罗恩·特纳、米歇尔·范佩尔特、菲尔·普莱特、丹尼尔·法伯尔、詹姆斯·汉森、马丁·埃尔维斯、凯伦·丹尼尔斯、斯蒂文·芒格、布莱恩·卡普兰、诺亚·史密斯、茵娜·维施克、凯文·林格尔曼、约翰·蒂莫、乔纳森·道林、阿兰·温菲尔德、安德鲁·里斯、杰弗里·利普顿、大卫·怀特、安卓拉·穆克帕德亚、斯里达尔·拉梅什、格哈·德沙尔、尼克·马特奥、李欣地、德纳·格拉斯、奥马尔·伦特里亚、哈维尔·奥马尔·加西亚、格雷格·利伯曼、布莱恩·皮卡德、迈克尔·约翰逊、斯科特·伊根、斯科特·所罗门、保罗·罗比内特、帕特里夏·史密斯、马丁·魏纳、亚历山大·勒德雷尔、瑞克·卡内斯基、雷特·阿兰、亚历山大·博隆金、劳埃德·詹姆斯、詹姆斯·劳埃德、安·李、肖恩·伦纳德、斯科特·亚伦森、罗兹玛丽·莫斯科、亚伦·萨波齐、乔·拜特维尼斯、艾米莉·拉克达瓦拉、斯蒂文·卡文斯、雅各布·斯顿普、琳达·诺维茨基、詹姆斯·阿什比、伊恩·麦克纳布、詹妮弗·德拉蒙德、詹姆斯·克洛普乔、丹妮拉·鲁斯、库尔特·施温克、查德·琼斯、詹姆斯·雷德费恩、凯文·贝里以及理查德·普伦茨洛表示感谢。本书中的任何错误皆是我们的责任。噢，不对，是菲尔·普莱特的责任，没错。

我们还想感谢我们在推特和脸书上的很多关注者，你们在我们停滞不前时给予我们引导，还帮助我们理解陌生领域中的种种基本概念。你们中有太多人我们想一一致谢。如果你们好奇于我们为何会问那么多异常具体的问题，好吧，那是因为你们一直在为我们解答呀。

我们要特别感谢我们的编辑——弗吉尼亚·史密斯·扬斯——帮我们把这本书逐步打磨成了我们引以自豪的形式。我们要感谢我们的文字编辑——简·卡沃莱纳——让我们显得比我们实际上要聪明许多。我们要感谢我们的出版编辑——梅根·杰瑞迪——帮我们解决了让我们难以招架的技术难题。我们也要感谢企鹅出版社的总法律顾问凯伦·迈耶，并且祝愿她顺利地完成对她的家人复仇。

我们还要感谢我们的代理人——Content House的马克·沙菲安和the Gernert Company的塞斯·菲什曼。当你的代理人亦是你的朋友时，你会发现生活是如此的轻松。

凯莉还想感谢位于俄亥俄州鲍灵格林镇的Grounds for Thought咖啡店，感谢有这么一个喝咖啡和写书的绝佳场所。

最后，我们要对我们的女儿艾达表示感谢，即使是在这本书让我们无暇给予她我们渴望给予的关爱的时候，她还是那样的快乐和欢愉，不过哪怕她从始至终都在大喊大叫，我们同样会深爱着她，可她甜美的样子和露齿的微笑，每次都让我们记起了我们为何要做这一切。要是有朝一日她回想起了2016年，那她脑海里浮现的会是“动画片和外卖的日子”。我们爱你，小花生。

如果以上遗漏了任何帮助过我们的人，我们深表歉意。

[1]当然，支票我们自己留下了，但我们的感情在那里。

[2]进行这项研究的是汉密尔顿学院公共政策专业的一群学生。事实上，这项研究是一份小的样本集，但考虑到它证实了我们倾向的看法，我们选择相信它。

[3]有趣的事实：拥有法律学位的人做的相关预测更糟糕。

[4]如果这本书预测得准确，那就是苹果公司的iCloud，如不然，那就是亚马逊公司的云储存。

[5]这是一项真实的运动，它在俄罗斯很常见，也很受欢迎。选手在比赛中交替进行国际象棋和拳击比赛，直至有人输掉这两者中的任意一局。

[6]要弄清原因，可以把这个过程视为将冷水倒进一口热锅中。这口锅会将大量的热量转移到水中，从而冷却下来。你可以通过换入新的冷水来加速锅的冷却。如果使用的冷水温度在50华氏度左右，你便可以持续地冷却这口锅，直至这口锅也降到50华氏度。在这之后，水和锅的温度便一样了，所以热量无法再在这两者间发生转移。这好比用一块和你头发一样湿的毛巾去擦头发。你不能在没有一块比你头发干的毛巾的情况下弄干头发，而你同样无法在没有一份更冷的冷却液体的情况下让锅的温度变得更低。

[7]这种东西有时会造成人们产生过度的压力，正如最近有一期《麻省理工科技评论》的封面特辑是登月宇航员巴兹·奥尔德林，而标题是“你曾向我许诺火星殖民地，而我得到的却是脸书”，可公正地说，一个火星殖民地得花费几万亿美元，可脸书是免费的。此外，值得注意的是，选择脸书是有一点狡猾的。想象一下如果他们选择的是维基百科，那标题便会是“你曾向我许诺火星殖民地，而我得到的却是被编入索引并免费提供给地球上每个人的人类所有的知识”。

[8]恰恰在我们写这本书的时候，本书中所涉及的两项技术取得了大的跨越。我们不得不在太空探索技术公司（SpaceX）不断地对猎鹰九号火箭进行助推器降落测试，以及人们开始热议《精灵宝可梦Go》（一款手机游戏）的情况下，分别对“通往太空的廉价方式”和“增强现实”这两章进行了修改。

[9]这首诗的英文标题为High Flight。1986年时任美国总统的罗纳德·里根在为挑战者号航天飞机爆炸事故中牺牲的7名宇航员致悼词的时候援引了这首诗。此后，人们常常会把这首诗同太空探索联系在一起。2017年的太空电影《异星觉醒》（Life）中也出现了这首诗。——译者注

[10]1磅≈0.45千克，后同。——译者注

[11]这个数字的变动很大，这取决于你从哪个国家飞往太空，你同哪家公司合作，你的目的地是哪里，以及用于运输的太空载具尺寸这样的因素。我们在本书中将用每磅10000美元作为一个约数，在这个约数的基础上增加或减少9000美元，便涵盖了我们在研究这个主题的过程中所遇到的所有预估价格。

[12]1英里≈1.609千米，后同。——译者注

[13]燃料为80%，那3/4的燃料就是60%，这腾出了20%，但货物原来只占4%，所以你把货物量从4%增加到了24%。

[14]火箭实际上是由若干名为“级”的部分所组成的。一旦用尽一级，就得将其分离出去。太空探索技术公司回收了第一级助推段，也就是在发射阶段最后被使用的那一级。

[15]我们在推特上提问说一位火箭工程师最可能用什么东西把一个人给打死，最多的建议是一部TI—83、一部TI—89、一部TI—30X、一把计算尺，或一台性能良好并安装了MATLAB的笔记本电脑。（TI—83、TI—89和TI—30X是科学计算器的型号，MATLAB是一款计算机数学软件）。2.我们很乐意将液态氧缩写为“LOX”。

[16]这个数字可以略有变动，因为音速取决于像温度和海拔这样的因素。

[17]换言之，2小时左右便能从东京飞到伦敦，如果你不算上加速时间的话。

[18]也许你想知道英国脱欧会不会对这项计划造成阻碍，答案是不会。虽然欧洲空间局和欧盟有着紧密的合作，但欧洲空间局已经有了非欧盟成员（挪威和瑞士），而且不受欧盟的管制。

[19]1英尺≈0.3米，后同。——译者注

[20]那为何你在汽车中加速的过程中不会死去呢？这是因为你并没有在一段足够长的时间里加速得足够快，而且你的身体更接近于一块海绵，而不是一个杯子。你的血液循环系统能很好地承受住这样的速度变化。如果这个加速度更高，而且持续时间也更久，你便会像那个杯子。当然，你同样可能会死于突然间极快的速度变化，亦被称为“车祸”。

[21]迪拜的哈利法塔。

[22]Slingatron是一个混合词，即把词根sling（弹弓、投石器或吊索）同后缀-tron（在这里表示一台粒子加速器）组合在了一起，而a应该是考虑到拼读规则所添入的，因此Slingatron可理解为弹弓加速器。——译者注

[23]全称为NASA Innovative Advanced Concepts。——译者注

[24]硬式飞艇是指以龙骨为结构和形状支撑的飞艇，而软式飞艇则是以气囊为支撑的。由德意志帝国于20世纪初所建造的齐柏林飞艇是最为著名的硬式飞艇之一。——译者注

[25]比强度是用材料的强度（单位面积可承受的极限力）除以其密度而得出的系数。——译者注

[26]尤里是由国际太空电梯联盟（ISEC，即International Space Elevator Consortium）所提议使用的比强度单位。1尤里等于1N·m/kg，后者是比强度的标准国际单位。——译者注

[27]凯夫拉是一种由美国杜邦公司所研制出来的芳纶纤维。——译者注

[28]没有缺陷是极为重要的，因为碳纳米管上微不足道的瑕疵就能大幅地降低缆绳的强度。

[29]太阳风指的是太阳向四面八方射出的带电粒子流。

[30]即使唯一的燃料输入是液态氧和液态氢，可对它们的创造、储存和运输仍然会耗费巨大的精力。如果这些事情能通过可再生能源或我们梦想中的核聚变反应堆来完成，那发射才会是真正‘清洁’的。即使是从煤炭中获取推进剂，可还是会存在着污染问题，哪怕煤炭不在发射中出现。

[31]斯普特尼克一号是由苏联所制造的世界上第一颗人造地球卫星。它于1957年10月4日被成功地发射到了一条椭圆形的近地轨道上，并于1958年1月4日烧毁在了大气层中。——译者注

[32]技术宅对应的英文单词是nerd，原意为书呆子，但如今已成了一个负载词（即与原意无关并以此被大量使用的词），意为不善社交但精通某种技术（例如计算机）或科技的人，而且这些人多半喜爱漫画、影视和电子游戏。宅，在这里是指不爱接触社会的特点。nerd有一个近义词，即geek（极客），但区别在于虽然geek也是指精通于技术或科技的人，但没有不善社交的意思。——译者注

[33]有史以来最好的副书名。

[34]原书名为Safe is not an Option：Overcoming the Futile Obsession with Getting Everyone Back Alive That is Killing Our Expansion into Space。——译者注

[35]同样有许多很可能是疯了的普通人。一项名为火星一号（Mars One）的计划——一场把人送上单程火星之旅的真人秀——征募到了四千多名申请者。

[36]天鹅绒手套计划的目的是为加拿大国产的CF—105战斗机研发一种半主动雷达制导的近程空对空导弹。这项计划持续了6年的时间，但一直没能彻底解决这种导弹在超音速状态下的发射问题。加拿大军方最终于1956年终止了这项计划。——译者注

[37]1英寸≈2.54厘米，后同。——译者注

[38]加拿大在1965—1970年间有过两任国防部长，即保罗·赫勒和莱奥·卡迪厄。如果此处所言不虚，那同布尔不欢而散的这位国防部长就应该是这其中一个。——译者注

[39]全称为High Altitude Research Project。——译者注

[40]考虑到高海拔研究计划是由火炮所衍生出来的，所以最初由陆军提供资金是很自然的事情，但随着太空开始被认为具有着其自身的战术领域，作为一项陆军计划的高海拔研究计划则变得越来越不合适。此外，这无论如何都会发生，因为那时美国国家航空航天局已经把火箭选定为进入太空的最佳方式。

[41]更形象地说，这座山的山坡相当于一个固定炮架，炮管两头分别朝向山顶和山麓。——译者注

[42]简而言之，之所以航天发射轨道的朝向一般同地球的自转方向是相同的，是因为这样可以把地球的自转速度纳入发射的初始速度中，否则得耗费更多的燃料来抵消由地球自转所产生的反向初速度。——译者注

[43]原书名为Bull’s Eye：The Life and Times of Supergun Inventor Gerald Bull。Bull’s Eye在这里是一个双关语，既可以理解成“布尔的眼睛”，也可以理解为“靶心”。——译者注

[44]1988年8月伊拉克同伊朗结束了长达八年的两伊战争。1990年8月伊拉克入侵科威特。五个月后，第一次海湾战争爆发。——译者注

[45]摩萨德是以色列的主要情报机构之一，主要负责对外情报事务。——译者注

[46]原书名为Arms and the Man：Dr.Gerald Bull, Iraq and the Supergun。——译者注

[47]小行星3554是第五颗被发现的阿登型（Aten）小行星。——译者注

[48]dirt和earth是一组近义词，但dirt常常指代较为松软的泥土。由于earth的另一个义项是地球，所以在这个语境中使用earth，而不是dirt来指代泥土，可能会体现出一定的主观色彩，因此可以往沙文主义上套。——译者注

[49]自由斟（也被称为重量杯）是7—11便利店的一种饮料售卖形式。简而言之，你先买一个价格和容量成正比的空杯子，然后自己去装饮料，装多装少自行决定。——译者注

[50]简单来说，逃逸速度是指摆脱一颗星球的重力束缚所需的速度，比如说，地球的逃逸速度是每秒11.2千米，而月球的则是每秒2.38千米。根据齐奥尔科夫斯基火箭公式来推算，如果地球的密度不变，但直径扩大0.5倍，人类理论上可能就永远都无法利用火箭来达到地球逃逸速度。——译者注

[51]这里泛指刺激性较高，并且容易引起晕眩感的游乐设施。——译者注

[52]米奇曼·曼托是美国历史上最为传奇的棒球明星，他刚加入美国职棒大联盟时所发行的新秀纪念卡在他成名后成了价格高昂的收藏品。——译者注

[53]宇宙954号是苏联的一颗侦察卫星。1978年1月24日（入轨不到4个月），地面指挥中心失去了对它的控制，地面人员在各种恢复控制的尝试都失败后曾试图让它进入更高的轨道，以避免它坠入地球，但事与愿违，954号最终还是坠向了地球，并在大气层中发生了解体，其残骸散落在了加拿大境内。为清理这些残骸，加拿大同美国展开了晨光联合行动。——译者注

[54]亦被称为北极光和南极光。

[55]好吧，或许是安全的。一项由佛罗里达州立大学的迈克尔·德普博士所进行的研究发现那些参加了阿波罗任务的宇航员有死于心血管疾病的较高风险。在实验鼠身上的研究显示，这是由于辐射损伤了血管上的细胞，然而考虑到参加过阿波罗任务的宇航员数量很少，这项研究的研究对象只有七个人。鉴于我们读过的有关那些最早参与阿波罗任务的宇航员的资料，导致的心脏病更可能是由我们所说的性酒肉三角，而不是在太空中待上一两个星期。

[56]尽管如此，但至少有一些科学家认为某些小行星的速度和旋转本身就可以被当作一种能源，比方说，亚历山大·博隆金博士提出了一种巨大的网子。这种网子可以被固定在一颗移动的小行星上，并从这颗小行星上“偷取”一定的能量，之后分离，并靠这些能量向前飞。可以将这看作一个玩滑板的人通过一只旋转木马来获取一定的速度。

[57]全称为Weightless Rendezvous And Net Grapple to Limit Excess Rotation。——译者注

[58]Trans Astra的大致含义应该是穿越星空，因为Astra在这里多半是指苏美尔神话中掌管星空的神，或指代星空的拉丁语单词。——译者注

[59]全称为Asteroid Provided In-Situ Supplies。——译者注

[60]全称为Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer，意为起源、光谱解析、资源识别、安全和风化层探测器。——译者注

[61]之所以会说这位博士的名字令人惊讶，是因为他和“猫王”埃尔维斯·普雷斯利同名，但他们的姓氏不同。——译者注

[62]Deuterium是以希腊语单词deuteros中的deuter-为词根，再添加后缀-ium而构成的。——译者注

[63]文艺复兴节是美国的一种周末庆祝活动，人们会打扮成中世纪的模样，重现中世纪的社会环境。这项活动没有固定的举办地点或时间。——译者注

[64]原书名为Fusion：The Energy of the Universe。——译者注

[65]锂——化学周期表上的第三个元素——能在实验室的环境下被分裂，用来创造氚。

[66]的确是。

[67]好吧，等一下。想象一下乔斯·韦登刚被丢在了圣迭戈国际动漫展的展会中央，除了一盒下一部《星球大战》的剧透，他没有其他能用于保护自己的东西了。（乔斯·韦登是一名导演、编剧和漫画家，导演了很多部漫威公司的电影，例如《神盾局特工》和《复仇者联盟》。他常常被漫画迷所诟病的地方是他喜欢推翻前作的设定，并进行大量的改写。不言而喻，如果他要拍《星球大战》，这在星战迷眼中无异于“毁掉”这一经典的系列作品。——译者注）

[68]电影名为《绝世天劫》（Armageddon）。——译者注。

[69]核裂变发生在一个原子分裂的时候。当较大的原子——例如铀或钚的那些原子——分裂时，能量会被释放出来。在正确的配置下，这样一个原子所发生的分裂会引起其他原子的分裂，而它们的分裂又会引起更多的分裂。这种链式反应可以被用于发电或制造核弹。

[70]见本章的话题关注——犁铧计划。

[71]按理说，高昂的成本同样排除了使用这种方法的可能。此外，你很可能会更希望一家能源公司和一枚核弹头之间存在着一大堆的政府官员和约束文件。

[72]本质上是一种惯性静电约束装置。——译者注

[73]亚历克斯·韦勒斯坦博士——我们将在本章之后的部分谈到他——曾建议用一个满天飞的婴儿作为中子的比喻说法。当然，这太荒唐了。

[74]西格妮·韦弗在《异形》系列电影中出演了多次女主角，塑造了一个经典的科幻角色。在很多的科幻迷和漫画迷眼中，西格妮·韦弗是他们的“梦中情人”。——译者注

[75]即do-it-yourself，意为自己动手。——译者注

[76]要让核聚变发生，必须得从多个面上用激光束同时击中聚变燃料，那为何要用一道被分割成了192个方向的巨大的激光束，而不用192束独立的激光呢？原因是时机的掌握。同步192等分的激光束比同时发射192束激光束要容易得多。

[77]实际数字存在争议。国家点火设施把“输入能量”定义为了完全进入金质圆柱形容器中的能量，而不是进行激光发射所需的能量。如果按这样的标准来计算，那国家点火设施现在连1/100的目标值都没有完全达到。

[78]实际上，我们见过各种各样的预估成本，有些甚至高达500亿美元。

[79]这里所说的2027年机器人暴动只是作者随意做的一个抽象的假设，不妨将之理解为一个具象的假设，比如1992年的电影《涅墨西斯》（Nemesis）——在国内被译为《挑战未来》或《电子战场2027》——中的故事设定。这在下文中还会被多次提到。——译者注

[80]全称为Joint European Torus。——译者注

[81]他研究的是核能，而不是核大国。

[82]这不包括美国为国际合作所提供的经费。美国政府同样在为国际热核实验反应堆提供资金，但正如你可能会预料到的，有一些美国政客为给一个严重超支并在法国进行的科学项目提供款项而愤愤不平。美国每年为这个项目提供的资金在1亿～2亿美元，但随着费用的持续攀升，有议员不断地威胁说要对此进行阻止。甚至连美国的科学家对为国际热核实验反应堆提供大量的资金也有一些担忧，因为大量的国外开支正在挤压提供给国内研究设施的经费。

[83]不打保票。绿色和平组织曾公开表示反对国际热核实验反应堆，尽管不是出于某种你或许会想到的原因。他们认为我们应该把资金用于现代的可再生能源，例如太阳能和风能。

[84]想象一次20年无须加油的自驾游。

[85]简而言之，水力压裂法是一种通过用被掺入了化学物质的高压水流来压裂地底岩层，从而释放出石油或天然气的开采技术。这种技术被环保主义者诟病的地方主要是化学物质的环境污染、淡水的浪费，以及开采时会产生的噪声污染。——译者注

[86]这是一个文字游戏。就含义而言，underwater指的是“水下的”，但一般会被理解为“水中的”，而under water同样是指“水下的”，但常常会被理解为“任何在水面以下的”。这里的问题在于海床属于“任何在水面以下的”，但不属于“水中的”。——译者注

[87]吉林省西北部有一座同名湖泊。——译者注

[88]这座湖是用查干核测试所留下的弹坑和查干河的水所建造的人工湖，其湖水至今有放射性。可想而知，在这座湖刚建成的时候，湖水的放射性有多强。——译者注

[89]T—1000是《终结者》系列电影中的一种杀手机器人，具有思维，而且得益于液态金属的特性，它们能随意地变换形态。——译者注

[90]有人说我们的折纸技术实际上糟透了，而不足使我们感到气愤和困惑。

[91]我们有权把《一种非常特别的肠条》（A Very Special Intestine Strip）作为一本儿童读物的名称。

[92]一种常见的纽扣电池。——译者注

[93]他在计算机纸艺领域的研究成果让他在还不满合法的饮酒年龄（21岁）前便成了麻省理工学院的一名教授，但是……本书作者凯莉却仍对自己在31岁的时候拿到了博士学位感觉良好。当然，即使她感觉不好，反正她早就达到合法的饮酒年龄了。

[94]原文Robogami是一个混合词，即把origami（纸艺）中的ori替换为了前缀robo-（与机器人相关的），因此Robogami可理解为机器人纸艺。——译者注

[95]Umbrellium是一个混合词，即把Umbrella[伞（形的）]中的a替换成了后缀-ium。-ium有四种常见含义，但根据这家公司的设计理念，这里意指的应该是腔，因此Umbrellium可理解为伞（形）腔。——译者注

[96]基思·埃文·格林所著的《建筑机器人技术：比特、字节与生命机理的生态系统》（Architectural Robotics：Ecosystems of Bits, Bytes, and Biology）。

[97]把这个名字铭记于心，以便你能在机器人暴动的时候诅咒它们的名字。

[98]SWARMORPH是一个混合词，即以swarm（集群）为词根，以-morph（有某种特殊形态或特征）为后缀，因此结合这种机器人的特点，SWARMORPH可理解为具有特殊组织形态的机器人集群。——译者注

[99]全称为Symbiotic Evolutionary Robot Organisms，意为共生进化机器人有机体。——译者注

[100]阿兰·温菲尔德博士是SYMBRION项目的带头人，他告诉我们：“我确信你们会很感激这不是我们的目标。SYMBRION机器人只能在实验室里成功地翻越一些简单的障碍，所以它们不会对人类构成一个巨大的威胁。”哼，真够矫情的。

[101]Kilobot是一个混合词，即分别以Kilo-（表示“千”）和bot（机器人）为前缀和词根，因此可理解为千个机器人。——译者注

[102]Killobot很容易让人想到kill robot，即杀手机器人。——译者注

[103]这三个词都是混合词。Claytronics指的是一种由卡耐基梅隆大学所提出的以动态和立体的方式来展示电子信息的概念。Claytronics的构成应该是Clay（黏土）+-tron（与亚原子粒子有关的）+-ics（名词后缀）。Catoms是claytronics最小的构筑基元，即claytronic atoms, atoms在这里可理解为微粒。Molecubes是一种由康奈尔大学所设计的模块化机器人，这种机器人是由两个可旋转的部分所组成的，一部分负责单元模块智能的微处理器，而另一部分负责接合处转动的电动机。Molecubes可理解为分子块，因为这个单词构成是把molecule（分子）的后缀-cule替换成了cube（方块）。——译者注

[104]动量在机械运动中指的是物体的质量和速度的乘积。——译者注

[105]我们很感激阿兰·温菲尔德博士给我们寄来了古什·艾本博士的机器人婴儿计划——机器人在这项计划中进行了繁殖——的视频，这其中有露骨的性爱场面。没错，我们的意思确实是露骨的性爱场面。我们足足欣赏了20秒钟塑料机器人以一种挑逗的方式相互摩擦，其间科学家在讨论某些事情的可能结果或其他问题。考虑到机器人不能生育，除非让它们的人类看管者去大规模地生产一种杂交后代，这很叫人纳闷，机器人性爱的效用是什么？我们不是在抱怨，我们只是无法再用相同的方式来看待我们的小家电了……

[106]全称为Defense Advanced Research Projects Agency。——译者注

[107]有一本名为《全球范围的灾难性风险》（Global Catastrophic Risks）的文集，如果你感兴趣，可以找一本来读一读。

[108]事实上，这种皮肤改变已被证明不会发生在丧失了交感神经活动的人身上。

[109]这家公司对Promobot的定义是robot promoter，即机器人促进者。——译者注

[110]Hausbaumaschine在德语中意为房屋机器。——译者注

[111]纳粹德国的衰落时期大致为1943年年中（德军在北非战场战败，同时东线战场的战局也被苏军逆转）至1945年5月（德国投降）。在这两年左右的时间里，纳粹德国研发出了大量超前，甚至带有一些科幻色彩的技术（主要是军事领域的），寄望以此来扭转颓势，但正如作者所说的，即使是在“疯狂”的人眼中，Hausbaumaschine也太荒诞不羁了。——译者注

[112]作者在这里开了一个玩笑，因为宜家的很多家居都是模块化的，需要拿回家自行组装。对装配能力较差的人来说，在没有他人帮助的情况下，单靠自己可能永远也组装不起来。——译者注

[113]构件在这个语境中可以理解为身体部位。——译者注

[114]有趣的是，目前还不清楚这种看似不重要的能力是不是我们与生俱来的。在丹尼尔·埃佛勒斯博士对名为皮拉罕的亚马孙原始部落的描述中，这个部落的成员对简单的图画——例如一个孩子或许会画的——有着和我们完全不同的理解。你可以通过用一片石墨在一张纤维纸上摩擦出一把代表了身体和四肢的叉，一个代表了一件连衣裙的三角，以及一个代表了一张脸的打上了点的圆来抽象地描绘“女性”。作为现代人，你对这种概念是习以为常的，可这种理解也许不是通用的。

[115]有趣的事实：协作机器人技术（cobotics）是一个研究如何让机器人同人达成协作的领域，而严格说来，SAM就是一个协作机器人（cobot），但为简单起见，我们在本章中会把协作机器人称为机器人。

[116]并非所有人都同意这是一个发展方向。一些同我们进行过交谈的专家认为虽然广义化是引人注目的，但广义最终可能意味着低效，所以拥有一百个专长型机器人可能好过拥有一个全能型机器人。

[117]焚烧狗屎（flaming dog poop）是一种很招人恨的恶作剧。其基本流程是把一个装满（狗）屎的塑料袋放在别人家门口，并将塑料袋点燃，然后敲了门就跑。——译者注

[118]《夜行神龙》（Gargoyles）是迪士尼于20世纪末出品的动画剧集。作为故事的主角，夜行神龙是一种白天会变成屋顶上的石像，但夜晚会活过来惩恶扬善的生物。——译者注

[119]白蚁有很多种。除了居于我们家中墙壁里的有害白蚁外，还有居住在自行建造的巨大蚁丘中的白蚁，而这些蚁丘是可以比两层建筑物还高的复杂结构。

[120]我们非常喜欢韦尔弗博士。

[121]Wheg是一个混合词，即将wheel（轮子）中的whe和leg（腿）中的eg组合在了一起。——译者注

[122]韦尔弗博士向我们指出西储大学的罗杰·奎因博士已经给轮腿注册了商标。

[123]Whegtronic是作者创造出来的一个混合词，其构成应该是wheg（轮腿）+-tron（出现在实验型设备或舱室的名字中）+-ic（形容词后缀），因此whegtronic可理解为实验型轮腿。——译者注

[124]蝗虫到了一个地方后会把一切一扫而光，那倒过来会怎么样呢？会把一大堆的东西留在一个地方。——译者注

[125]或者是不可能被预测的。当我们问经济学家诺亚·史密斯博士我们该跟谁去讨论机器人会对建筑业工作岗位造成怎样的影响时，他告诉我们：“记着，世界上最聪明、最优秀的劳动经济学家对机器人是会取代人工，还是会继续作为人工的补充仍一无所知。”

[126]剪力是指垂直施加在一个物体上一对大小相同、距离相近且方向相对的平行力。在建筑业中，抗剪力水平一般是指抗震水平。——译者注

[127]上文已提到过构件在建筑设计中指的是一个整体结构中的任一部分。——译者注

[128]原书名为Fabricated：The New World of 3D Printing。——译者注

[129]即Synthetic Biology for Recycling Human Waste into Food, Nutraceuticals, and Materials：Closing the Loop for Long-Term Space Travel。——译者注

[130]一个由“糖霜”（frosting）和“挤压机”（extruder）构成的混合词。

[131]在他们的网站上，他们以相同的要点分类对这些东西进行了列举，这可能会让你对典型的食品工程师的想法有所了解。

[132]原文名为Hydrocolloid Printing：A Novel Platform for Customized Food Production。——译者注

[133]利普顿跟我们说：“平心而论，我们后来把这篇论文称为‘我们对烹饪艺术犯下的最严重的罪行’，同时让厨师到驾驶员岗位上忏悔去了（暗指厨师的厨艺太差，这才导致他们去开发3D打印食品的技术。玩笑话而已。——译者注）。”

[134]也许并没有。利普顿博士指出——听起来像是一档非常古怪的电视促销节目的主持人会说的话——“你会惊讶于已经有那么多食物是被挤压出来的。”

[135]全称为augmented reality。——译者注

[136]全称为virtual reality。——译者注

[137]Sensorama是一个混合词，即把sensor（传感器）作为词根，把-orama（表示景象）的变体-ama作为词缀，因此Sensorama可理解为传感景象。

[138]苏格兰裙的传统穿法是不穿内裤的。——译者注

[139]LiDAR是由light（光）和radar（雷达）构成的混合词。由于这项技术使用的是激光，所以一般被称为激光雷达，而不是光（线）雷达。——译者注

[140]Meetup是美国一家会员制的社交网站。——译者注

[141]Business Insider是美国一家商业新闻网站，其中文版网站目前是同腾讯合作运营的。——译者注

[142]Innovega可能是由Innovative（创新的）和Vega（织女星）构成的混合词。织女星是地球上可见的最为明亮的恒星之一（排名第五），因此Innovega可理解为创新之星（仅是个人推测）。——译者注

[143]其名为eMacula，意为电子黄斑。黄斑是人眼中一片黄色的椭圆形区域，位于视网膜中央凹的四周，对视力起着决定性的作用。——译者注

[144]如果你好奇于这看起来会是什么样子，好吧，你猜怎么着？你现在就在读一本魔法书！你可以在www.soonishbook.com上下载一款免费的手机应用程序，这款应用程序会让一个你们都熟悉的结构从这本书的封面上虚拟地生长出来（网站顶部导航栏中的APP板块里提供了下载链接和这本书的英文版封面，但目前仅支持iPhone和iPad。请注意，这款应用程序只能识别英文版的封面。——译者注）。

[145]谐音。——译者注

[146]地下铁路是19世纪上半叶美国废奴主义者从美国南方把黑奴解救出来的秘密网络的代称。此处所指的是根据这段历史所拍摄的同名影片。——译者注

[147]贝洛森林（亦常被译为贝洛林苑）之战是美国海军陆战队最富传奇色彩的战役之一。为纪念美国海军陆战队在这场战役中的顽强精神，法国人将这片森林重新命名为了“海军陆战旅之林”。——译者注

[148]这里的1918年攻势应该是指1918年3～7月的春季攻势，而不是同年8～11月间的百日攻势或直接致使德国投降的默兹—阿尔贡攻势，因为贝洛森林之战发生在同年6月。春季攻势是第一次世界大战结束前德国在西线向协约国发动的最后一次大规模进攻。——译者注

[149]尼禄是古罗马帝国克劳狄王朝的最后一任皇帝，也是人类历史上最著名的暴君之一——弑母杀妻、逼死恩师、纵火焚城、屠杀异端。他非常狂热于角斗士表演，史籍记载他曾亲自上阵表演。——译者注

[150]Recognizr是Recognizer的变体，可理解为识别器。——译者注

[151]选择性加入是一种常见的用户许可方式，其分为两种形式，即单向选择性加入和双向选择性加入，顾名思义，其区别在于后者需要服务提供方许可，比如说，你注册了一款手机应用程序，如果这个应用程序的许可方式是单向的，那你便能立刻使用，但如果是双向的，那你就只有在服务提供方确认了你的注册后才能使用。这个过程有时是自动的，有时是人工的，因此这里所说的应该是双向选择性加入。——译者注

[152]Recognizr是由瑞典TAT公司所开发的手机应用程序，但TAT公司在七年前就被黑莓公司收购，而且这款应用程序在这之后就销声匿迹了，因此作者所说的“目前是选择性加入的”可能有误。——译者注

[153]左洛复又名盐酸舍曲林片，是一种抗抑郁药物。——译者注

[154]Illusio是illusion的变体，可理解为幻想、幻觉。——译者注

[155]据大卫·怀特博士（非常耐心地读完了我们所写的有关黏液的内容）所说：“呼吸道每24小时会生产出大约2～3升黏液，这其中绝大多数的都会被我们吞咽下去，然后起到辅助肠道黏膜的作用。”

[156]在这个问题上有很多严肃的科学研究。有一篇论文（Whiteetal.，BioMedical Engineering OnLine，2015，14：38）是鼻子的一个复杂的数学模型，其使用了核磁共振扫描图。这里有一句引文：“这个模型将两个复杂的鼻腔视为一系列（常数）对称的具有变动水力直径的管子……”

[157]Eccles，European Respiratory Journal，1996，9：371—376。

[158]如果你们中有人是在鼻子不通气的情况下读到这句话，我们表示歉意。

[159]全称为Unilateral Forced Nostril Breathing。——译者注

[160]没错，啤酒蛋糕是真实存在的。这个词要么是指一种使用啤酒来增添风味和增加蓬松度的蛋糕，要么（显然）是指一堆被整齐地堆叠成了圆柱体的啤酒，有时会和烟火、威士忌和彩票放在一块。愿上帝保佑美国。

[161]羽衣甘蓝（kale）和羽衣甘蓝叶（collard greens）在外观上的主要区别在于，羽衣甘蓝的叶子更宽大、更皱，而且颜色也更绿。更为形象一些地说，羽衣甘蓝的样子和牡丹有点像，而羽衣甘蓝叶从叶子上看很像小白菜。——译者注

[162]即deoxyribonucleic acid。

[163]地球上已知的DNA基本都是右旋的（把你的右手大拇指朝上，旋转方向和其他四根手指的指向相同的便是右旋，反之则是左旋），但存在罕见的左旋DNA，比如Z—DNA。——译者注

[164]手上戴着手套（hand in glove）是一个英语习语，通常意为狼狈为奸，不过也可理解为紧密合作。这里按字面义来翻译是为了避免逻辑混乱，因为作者在下文中把这个习语的字面义用于一系列的隐喻。——译者注

[165]顺便提一句，麦乐鸡块里的蛋白质其实是广义上的蛋白质，其源于一种又长又直，而且能让鸡在被做成鸡块前转来转去的蛋白质。

[166]全称为ribonucleic acid。——译者注

[167]实际上，RNA使用的碱基并不是T，而是一种通常被缩写为U的碱基。U在化学性上和T非常相似，所以你或许想知道为何RNA要多此一举地使用一种不同的碱基。我们不能肯定，但有一个好的理由可以解释为何你或许会更希望U（指代“尿嘧啶”）在RNA里，而T（指代“胸腺嘧啶”）在DNA中。简而言之，U比T的价值要低一些。在一个细胞中，制造U耗费的能量更少，但U更可能发生降解。对短命的RNA来说，这并没有什么问题，但DNA是RNA的原始拷贝，所以得更为强健。

[168]致年轻的读者：在几千年以前的20世纪中叶，有一种名为弹性橡皮泥的玩具，或者说，一种并不令人反感的橙褐色的黏土状物质。在乐趣出现前，你得把弹性橡皮泥按压在有墨水的纸上来自娱自乐，而当你把弹性橡皮泥从纸上抬起来时，你便得到了这些墨水的一份镜像拷贝。

[169]这行单词在这个语境中分别对应着“透镜、环状物、阀门、开始、管子、透镜、停止、阀门、接合处”。——译者注

[170]这行单词在这个语境中分别对应着“开始、管子、透镜、管子、透镜、停止”。——译者注

[171]不，我没有。

[172]这行单词在这个语境中分别对应着“开始、环状物、透镜、链子、外包装、停止”。——译者注

[173]这列单词在这个语境中分别对应着“开始、环状物、汽油、透镜、链子、火、停止”。——译者注

[174]一些“单基因”性状的范例是白化病、亨廷顿氏舞蹈病，以及你的耳屎是干燥型，还是湿润型的。没错，有不同种类的耳屎。亚洲人和美洲原住民的耳屎往往是干燥型的，而其他人的则一般是湿润型的。

[175]实际过程远没有这么浪漫，而且很可能会涉及一个购买了公牛精液并催着卖家把货给发了的牧场主。附带告诉你们一些我们在谷歌上找到的热门公牛精液卖家的名字：Bovine Elite, LLC（牛中精英有限责任公司）、Universal Semen Sales, Inc.（环球精液销售有限责任公司），Sure Shot Cattle Company（神枪牛公司），Select Sires, Incorporated（精选公畜股份有限公司）。

[176]这里的“很可能”不完全是玩笑话。如今对我们是否本应停止使用动物胰岛素尚有争论。动物胰岛素在美国是买不到的，但你在有些国家可以买到名为Hypurin的动物胰岛素。有些病人更喜欢这种版本，而且相比于从转基因细菌中分泌出来的胰岛素，这种版本的售价明显便宜得多。

[177]这种真菌的属名（Saccharomyces）和种名（cerevisiae）分别源于意指“糖”或“真菌”的希腊语单词和指代“啤酒”的拉丁语单词，其命名者对混用两种语言超然物外的态度，说不定是受到了酿酒酵母的影响。

[178]莱斯大学的斯科特·所罗门教授建议我们指出蚊子宝宝并不是成熟蚊子的迷你版本，而是“像蠕虫一样在死水中扭动的幼虫”，所以蚊子宝宝并不可爱。

[179]实际并不存在。

[180]偷鸡是德州扑克中一种常见的战术，也就是虚张声势的打法，手里没有好牌，但试图通过加注来迷惑对手。——译者注

[181]如果你一定要知道——这种化学环路被称为正转录自体调节（positive transcriptional autoregulation）。

[182]原题名为A Tunable Protein Piston That Breaks Membranes to Release Encapsulated Cargo。——译者注

[183]肠激惹综合征（irritable bowel syndrome）是一种肠功能紊乱的病症，其临床表现为长期的腹泻、腹痛或便秘。——译者注

[184]好吧，在过去的十来年里，我们已非常成功地用猪的心脏瓣膜替换了人的心脏瓣膜，但替换完整的心脏已被证实是非常困难的。

[185]这颗心脏并没有取代这只狒狒的心脏，只是被缝入了这只狒狒的下腹中，不过这仍是朝正确的方向所迈出的一步。

[186]全称为porcine endogenous retroviruses。——译者注

[187]这套系统被称为仿生树叶（Bionic Leaf）。——译者注

[188]全称为clustered regularly interspaced short palindromic repeats。——译者注

[189]保鲜储藏格对应的英文单词是crisper。——译者注

[190]即丝状支原体。这种支原体比生殖支原体的基因组稍长一些，但繁殖速度更快，所以更适合用来做实验。

[191]有趣的事实：在这些被保留下来的基因中，有超过30%是没有已知功能的，所以即使是由“公狼”文特尔负责，我们也只是在瞎琢磨一门我们尚未完全理解的语言。

[192]Syn是Synthia（辛西娅）的略缩词，而Synthia是用前缀syn-和人名Cynthia组合而来的。由于syn-有合成的意思，所以作者在这里开玩笑说文特尔博士怕真触怒了神，所以取了一个显得谦虚的名字。——译者注

[193]全称为International Genetically Engineered Machine。——译者注

[194]全称为Registry of Standard Biological Parts。——译者注

[195]可以免费在parts.igem.org/catalog上进行检索。——译者注

[196]天花样本被妥善地封存在了俄罗斯和美国的疾病研究中心里，但一些装有天花的小瓶曾被美国疾病控制中心的某人遗落在了一间储藏室里，时隔多年才被发现。

[197]亦被称为特设婴儿。定制婴儿的大致流程是这样的：首先以试管受孕的方式培养一个胚胎，再使用基因编辑技术来修改这个胚胎的基因，以使其具备或避免特定的遗传特征，最后把这个胚胎植入母体，待其发育成婴儿。——译者注。

[198]全称为genetically modified organisms。——译者注

[199]Frankenfood是一个由Frankenstein（科学怪人）和food（食品）构成的混合词。——译者注

[200]并非所有的科学家都认为这是一件必然的事情，比方说，乔治·彻奇教授正致力于猛犸的物种复活，而且他认为我们也许有一天会得到一个完整的猛犸基因组。

[201]更新世是地质时期第四纪的前半期，即258.8万年前至1.2万年前。猛犸的种群规模在这个地质时期是最为壮大的。——译者注

[202]在中世纪的欧洲，刺猬的油脂经常被外用于缓解风湿痛、坐骨神经痛，以及由其他慢性疾病所引起的各种疼痛。——译者注

[203]有些病人反而会被误诊为患有单核细胞增多症。我们曾听说有一个病人在被确诊为患有二期梅毒前的四个月里被多次误诊为患有这种疾病。

[204]好吧，哪怕只是在50年前，这还远比我们想象的要复杂，但有了充足的计算能力和足够聪明的研究者，我们应该会越来越好地了解人类疾病的根源，并掌握最好的治疗方法。

[205]全称为Precision Medicine Initiative Cohort Program。——译者注

[206]-omes是-ome的复数形式。-ome可表示“茎”和“体”等，比如说，rhizome指的是根茎，而chondriosome指的是线粒体，但-ome在这里的意思应该偏重于“体”。——译者注

[207]尽管这个后缀经常被滥用，因为当一名“-omicist”（可理解为某某体学家——译者注）听起来真的很酷，但它还是有一些用处的。加利福尼亚大学戴维斯分校的乔纳森·艾森博士甚至在他的网站上开设了一个板块——生命之树——用于介绍“糟糕体学”（badomics），诸如营养代谢体（nutrimetabonome）、酵素体（fermentome）和（为了偏重神秘性的）意识体（consciousome）。

[208]前者会弄错个体问题，后者会弄错群体问题。

[209]地球上规模最大的制药公司。

[210]银子弹（silver bullet）是一个英语习语，意为高招、良方。——译者注

[211]事实上，白血病这个单词来源于希腊语中表示“白血”的根词。

[212]当一种癌症转移时，少量的癌细胞便已从原来的肿瘤中分裂出来了，同时在其他地方形成了肿瘤。

[213]这存在一些细微的差别。在技术上，人们不但希望尽快地发现癌症，还希望知道所患的癌症会变得有多糟，比方说，某些前列腺癌的扩散速度很慢，以至于病人可能在这种癌症威胁生命之前便自然死亡了。如果一个人知道自己所患的癌症不会在自己剩余的寿命里杀死自己，那这个人也许便会选择不接受具有阳痿或失禁风险的治疗。此外，有些医生担心这些数据会导致过度治疗。

[214]全称为circulating tumor DNA。——译者注

[215]换言之，就是使用鸡尾酒疗法。这种靶向疗法一般是指同时使用多种抗逆转录药物来治疗艾滋病，但这种思路在近几年中已被应用于癌症的临床治疗。——译者注

[216]全称为epidermal growth factor receptor variantⅢ。——译者注

[217]别嚼玻璃。

[218]她并没有错。

[219]在微观经济学中，规模经济是指生产规模和产量的扩大可以让生产者获得成本优势，而成本优势又会使产品价格下降。简而言之，依伐卡托的生产规模和产量的扩大受制于购买量，无法形成成本优势，所以价格会非常的高。——译者注

[220]全称为post-traumatic stress disorder，是一种由亲身经历或目睹过死亡、濒死或肢体完整性遭到破坏所造成的精神障碍。——译者注

[221]一个开源代码库，即代码托管平台。——译者注

[222]23andMe（23和我）的官方定义是每个人都有23对染色体，但你是独一无二的。——译者注

[223]人类有23对染色体，其中22对是常染色体，另一对是决定性别的性染色体。男性的性染色体是XY，而女性的是XX。——译者注

[224]注意，这意味着获得你的基因组数据也许会披露一些令人不愉快的事实，比如说，你也许会发现你的生父并不是那个把你养大的男人。

[225]个人基因组计划现在是Open Humans基金会的研究项目之一。你可以通过www.openhumans.org上传不同的数据（例如通过FitBit获取的运动数据，以及通过μBiome获取的微生物组数据），并将之分享给研究者。

[226]可理解为基准或起点。——译者注

[227]Explodanol是作者创造出来的一个混合词，可理解为爆炸醇。——译者注

[228]莱姆病是一种由伯氏疏螺旋体所引起的自然疫源性疾病，传播媒介一般是壁虱，会导致人的免疫系统和神经系统受到损伤。加拿大歌手艾薇儿·拉维尼就曾因这种病而长期卧床不起。——译者注

[229]CYP2C19是肝脏中的一种药物代谢酶。——译者注。

[230]荧光原位杂交是一种使用荧光探针来定位特定DNA序列或染色体的分子细胞遗传学技术。荧光原位杂交可被用于检测胎儿的染色体是否存在问题，或者评估恶性疾病的发展变化。——译者注

[231]顺便提一句，美国有一项器官志愿捐献政策，这意味着你的默认设置是你的器官会随你一起死去，但考虑到无论你死后会去什么地方，你都不可能带上它们，所以在不违背你道德观的前提下，我们鼓励你加入这项政策。

[232]对医院来说，这是一种需要认真思考的道德窘境。考虑到肝脏供应量的稀缺，有些医院对为由自身所造成的肝脏损坏的病人提供治疗有所顾虑，这有两个原因：其一，比起以“诚实”的方式得到他们所需肾脏的病人，自己不爱惜身体的病人可以被视为不值得帮助的。其二，嗜酒的病人更可能会在移植后再次损坏他们的新器官，继而再次回到等待名单上。究竟如何来评估这些问题是很困难的，但为了鉴别酗酒者，很多医院对肝脏移植病人都有一项“禁酒半年”的规定。

[233]原书名为Cell and Organ Printing。——译者注

[234]欢乐时光是指一些酒吧和餐厅提供折扣小吃和酒水的特定时段（通常在晚餐前后），这些酒吧和餐厅往往会在店外张贴“欢乐时光”的广告。——译者注

[235]基思·理查兹是滚石乐队的五名创始成员之一。作者在这里可能是暗指基思曾于1986年单飞，虽然他在两年后重归乐队，但初心已逝，昨日之心不可追。——译者注

[236]美国第二大互联网服务运营商（排第一的是AT＆T）。——译者注

[237]对我们这种手很笨的人来说，一种时髦的款式也许是一根筷子的一头是小匙头形的，而另一根筷子的一头是叉子的四个小尖头。（换言之，就是把匙子和叉子融入筷子中。——译者注）

[238]5英尺大概是1.52米，而7英尺约为2.13米。——译者注

[239]用于装裱蛋糕或曲奇饼的枪形工具，在基本原理上和给生日蛋糕装裱奶油的裱花袋是一样的。——译者注

[240]全称为laser-induced forward transfer。——译者注

[241]其实已有人制作出来了。我们一直没有那个荣幸去尝尝这种曲奇饼，但看起来挺好吃的。

[242]卡夫公司出品的一种混合饮料。——译者注

[243]全称为Standard Template Library，意为标准模板库。——译者注

[244]Organovo的大致含义是新的器官，因为这个单词的后半部分来源于拉丁副词de novo，意为从头开始。联想公司的英文名Lenovo同样是以这种思路创造出来的，Le取自于legend（传奇），所以Lenovo意为新的传奇。——译者注

[245]我们在一开始的时候并未意识到这种比喻会有多奇怪。

[246]Liver意为肝脏，而iLiver和X-Liver是作者根据这两家公司各自的产品命名惯例所虚构的。“i”指的是Internet（互联网），同时还有诸如inspire（启发）和individual（独特性）之类的意思。微软公司以X命名的产品并不算太多，但DirectX（一种多媒体编程接口）和Xbox是我们耳熟能详的。前一个X指的是第十代，而后一个X的含义是众说纷纭的，但较为可靠的一种说法是Xbox的早期开发者正是DirectX的开发人员，所以他们直接套用了X来为这款游戏机命名。——译者注

[247]如果你觉得这听起来很疯狂，请务必阅读本章的话题关注。

[248]“野生”器官也就是天然器官。作者在这里表达的是一种讽刺，因为有些人很喜欢“野生”（天然）的东西，而且这种喜欢是出于某些荒谬的主观原因，比如觉得“野生”的东西能彰显出自己高人一等的社会地位。——译者注。

[249]薯头先生是《玩具总动员》系列动画电影中的一个角色。因为这个角色的外形很像鸡蛋，所以在国内常被译为蛋头先生。作者之所以会这么说，是因为这个角色的身体可以从中间上下分离开来（中间连着一根弹簧），而这看起来就像被开膛破肚了一样。——译者注

[250]这两句套用了莎士比亚十四行诗第73首中的最后两行。——译者注

[251]原书名为Who Gets What-and Why。——译者注

[252]好吧，大约是0.33磅，但这毕竟不是别的东西。

[253]“阅读”和“写作”在这里指的是广义上的上传信息和下载信息。

[254]全称为adenosine triphosphate。——译者注

[255]西班牙文是一种表音文字（汉字是一种语素文字），其拼读规则较为固定，而且不规则的拼读很少，所以一个人只要掌握了西班牙文的拼读规则，就可以读出绝大多数的西班牙文，哪怕完全不明白意思。——译者注

[256]后文还出现了另一个类似词语：尼采主义跳舞馅饼。——译者注

[257]全称为electroencephalogram。——译者注

[258]全称为magnetoencephalography。——译者注

[259]Meg和the Squid的字面含义分别是“脑磁图”和“鱿鱼”，而超导量子干涉仪的缩写恰好是SQUID，所以基于词义关联度的原因，你最先搜索到的不会是和鱿鱼相关的内容。——译者注

[260]全称为magnetic resonance imaging。——译者注

[261]全称为functional near-infrared spectroscopy。——译者注

[262]全称为functional magnetic resonance spectroscopy。——译者注

[263]尼采的哲学思想是哲学逐步从虚无主义向存在主义演进的重要一环。他信奉唯意志论，强调权力意志是个体和社会的首要推动力。结合语境来看，作者在这里强调的应该是尼采的超人哲学，因为图中的这句话套用了尼采的《查拉图斯特拉如是说》中的“瞧好了！我教你们怎么成为超人”。超人主义无法用只言片语说清，但《查拉图斯特拉如是说》序言中的一句话很好地反映出了人和超人的关系：“人是一根两头分别系着动物和超人的绳索——一根悬于深渊之上的绳索。”——译者注

[264]全称为electrocorticography。——译者注

[265]更准确地说，这里的阵列指的是电极阵列，所以犹他阵列亦被称为犹他电极阵列（Utah electrode arrays）。下面的密歇根阵列亦是如此。——译者注

[266]上当了吧，其实是四大定律。（人们常说的是三大定律，即第一、第二和第三定律，但实际上还有第零定律。——译者注）

[267]考虑到我们先前谈论过的更先进的装置似乎会在几个月的时间里逐渐丧失功效，这乍听起来也许很奇怪，但记着，我们在这里并不是为了尝试捕捉微弱的信号，而是发射电流，所以大脑是否会在电极周围形成一道瘢痕是无关紧要的——电极始终都能良好地工作。

[268]字面含义是神经速度。——译者注

[269]全称为Responsive Neurostimulation System。——译者注

[270]我们认为给华尔街交易员开颅并不存在道德上的不安。（作者的玩笑话。——译者注）

[271]即苯丙胺，一种在化学成分上近似于冰毒的合成兴奋剂。——译者注

[272]亦被称为光幻视。——译者注

[273]反乌托邦与乌托邦（即理想国）是相对的，指的是表面呈现出一片祥和美好，但实际上充满了大量不平等和由统治阶级所主导的极端意识形态的社会。不同于乌托邦是一种政治概念，反乌托邦是一种探寻精神和物质比重（主流的论调是高度文明会泯灭精神的多样性）的文学流派（一般是硬科幻小说）。最著名的反乌托邦三部曲是阿道司·赫胥黎的《美丽新世界》、叶夫根尼·扎米亚京的《我们》和乔治·奥威尔的《1984》。——译者注

[274]为何是前臂，而不是手呢？因为从根本上来说，手是一个你用前臂来控制的海星形的大木偶。来吧，检验一下，抬起一只胳膊，手放松，然后用另一只手去按压你的前臂，同时观察你松弛的手指会有什么反应。

[275]Kate（凯特）和cake（蛋糕）的发音很像，但区别在于Kate的最后一个音素是[t]，而cake的是[k]。——译者注

[276]从道德上来说，我们并不能坦然地接受这组实验。

[277]抑或战争目的。美国陆军同样对脑际通信存在兴趣，因为无须言语来交流的士兵不大可能暴露他们的位置，或者泄露攻击计划。

[278]一款通信应用软件，可生成虚拟电话号码来拨打固定（移动）电话。——译者注

[279]中美洲的一个国家。——译者注

[280]原书名为Le Scaphandre et le Papillon（法语）。2007年朱利安·施纳贝尔将这本书改编成了同名电影。——译者注

[281]交流工具是字母表。——译者注

[282]这感觉就像是有人说“你厉害你上啊，别嘴上叨叨啊！”一样。——译者注

[283]如果你想不太清楚这是为什么，就问问自己——是你的脸在离一个灯泡10英尺远的时候，这个灯泡照到你脸上的光更多，还是离1英尺时更多？

[284]当然，在通往太空的廉价方式的那一章中的一些技术将缩小这个问题。

[285]一个解决办法可能是直接在太空中制造太阳能板。埃尔维斯博士（还记得他在小行星开采的那一章中出现过吧？）指出制造太阳能板的很多材料都可以在小行星中找到，所以你可以从小行星中收集材料，在太空中制造太阳能板，然后将它们运送到地球轨道上。这似乎是一种非常迂回的方式，但或许有一天会成为可能。

[286]原书名为The Case for Space Solar Power。——译者注

[287]亚利桑那州的州府，亦被译为菲尼克斯。——译者注

[288]在总人口仅为295人的阿玛多市。（295人是2010年的人口普查数据。这个其实是一家公路餐厅的门面装潢，也是美国最著名的公路景观之一。——译者注）

[289]在总人口为5053人的霍尔布鲁克市。（5053人同样是2010年的人口普查数据。——译者注）

[290]致吹毛求疵者：我们忽视了从撒哈拉把能量传送到——比如说——加拿大会产生的损耗，但我们只是想以一种夸张的方式来证明我们的观点。

[291]暗指电影《星球大战5：帝国反击战》中父子对决的情节。——译者注

[292]黑暗面的强大是一个玩笑式的反讽，因为维达当时的一句台词是“真希望你知道黑暗面的强大”，可强大难道是让卢克得到一个更为先进的假手吗？——译者注

[293]在这个问题上，一个相反的有力论点是无损传输意味着任何一座发电站都将能向任何一台接收器传输电力，因为线路的长度不再会是一个问题，这对往往存在于偏远地区——例如沙漠——的可再生能源的利用来说可能会是特别有利的。

[294]实际上会有很小的摩擦力，除非四周是绝对真空的。（理论上，绝对的真空几乎是不存在的，因为存在真空零点能。——译者注）

[295]顺便提一句，她提到了一部容易被遗忘的1989年的兄弟喜剧片《视而不见，充耳不闻》（See No Evil：Hear No Evil）（主演是理查德·普赖尔和吉恩·怀尔德），这部电影有一个出乎预料的结局，而其中牵涉到了一枚实际上是一个室温超导体的硬币。这让我们更为深信所有的科学家——即使是研究宏观量子现象的——都是人类。

[296]亚伦森博士非常友好地同我们进行了几次长时间的谈话。读他的博客（www.scottaaronson.com）是一件乐事。另一位抽空同我们进行了交谈的是乔纳森·道林博士，他写了一本名为《薛定谔的杀手级应用程序》（Schrödinger’s Killer App）的书，这本书写得非常棒，可没有得到充分赏识。这两位讨人喜欢的研究者（完全不认同存在多元宇宙）既是才华横溢的科学家，又是才思纵横的作家。

[297]现在尚未有真正实用的量子计算机，但有一些很小的设置确实奏效了！换言之，计算结果本身远没有这些结果是使用量子比特计算出来的事实那么令人关注。到目前为止，我们已能用量子计算来证明21的质因数是3和7了。（在运算能力上，中国的光量子计算机虽然处于世界领先水平，而且确实比早期的电子管和晶体管计算机要强大，但实际性能远没有媒体渲染的那么强大，和当前最先进的超级计算机——例如中国的“神威·太湖之光”和“天河二号”——是没有可比性的。——译者注）

[298]无论一个分子被指定为了哪个版本，这都取决于偏振光在通过这个分子时是如何旋转的。

[299]这么说是因为凯莉是一名寄生虫学家。