Древний миф о волшебной силе жизни (вместе с неправильным представлением, которое увеличение энтропии означает, что все во вселенной должно обязательно умереть) породил мим-высказывание, что репликаторы должны нарушить некоторый естественный закон. Это просто не так. Биохимики понимают, как клетки воспроизводятся и они не находят в них никакого волшебства. Вместо этого они находят машины, обеспечиваемые материалами, энергией и инструкциями, которые необходимы для выполнения работы. Клетки уже воспроизводятся; роботы могли бы воспроизводиться.

Успехи в автоматизации естественным образом приведут к механическим репликаторам, сделает ли кто-либо их особой целью или нет. В то время как давление конкуренции заставляет увеличиваться автоматизацию, потребность в человеческой рабочей силе на фабриках будет снижаться. На Fujitsu Fanuc уже работает машинная секция на производственном предприятии двадцать четыре часа в сутки только с девятнадцатью рабочими на этаже во время дневной смены и совсем без кого-либо во время ночной смены. Эта фабрика производит 250 машин в месяц, 100 из которых - роботы.

В конечном счете, роботы могли бы делать всю работу по сборке роботов, собирать другое оборудование, делать необходимые части, управлять шахтами и генераторами, которые снабжают различные фабрики материалами и энергией и т.д. Хотя такая сеть фабрик, развернутая по местности не напоминала бы беременного робота, она бы образовала саморасширяющуюся, самовоспроизводящуюся систему. Ассемблерная революция определенно произойдет до того, как вся промышленность будет автоматизирована, однако сегодняшние шаги в этом направлении - шаги в направлении чего-то вроде гигантского гремящего репликатора.

Но как такую систему можно поддерживать и чинить без человеческого труда?

Представьте себе автоматическую фабрику, способную и проверить части и собирать оборудование. Плохие части не проходят испытаний и выбрасываются или перерабатываются. Если фабрика может также разбирать машины, производить ремонты нетрудно: нужно просто разобрать неработающие машины, проверите все их части, заменить все изношенные или сломавшиеся части и снова их собрать. Более эффективная система диагностировала бы проблемы без тестирования каждой части, но это не обязательно необходимо.

Распространяющаяся система фабрик, укомплектованных роботами, была бы осуществима, но громоздка. При умном конструировании и минимуме различных частей и материалов, инженеры могли бы уместить копирующуюся систему в один корпус, но такая - но такая коробка могла бы быть еще огромна, потому что в ней должно содержаться оборудование, способное делать и собрать много различных частей. Сколько различных частей? Столько, сколько она сама содержит. Сколько различных частей и материалов было бы необходимо, чтобы построить машину, способную делать и собрать так много различного материалов и частей? Это трудно оценить, но системы, основанные на сегодняшней технологии использовали бы электронные чипы. Только их производство потребовало бы слишком много оборудования, которое нужно поместить внутрь маленького репликатора.

Кролики воспроизводятся, но они требуют уже готовых частей типа молекул витаминов. Получение этого из еды позволяет им выживать с меньшим количеством молекулярных машин, чем если бы им пришлось все делать с нуля. Точно так же механический репликатор, используя изготовленные отдельно чипы, мог бы быть несколько проще, чем такой же, делающий сам все, что необходимо. Эти специфические "диетические" требования также связали бы машины в более широкую "экологическую" систему, помогающую держать ее на прочном поводке. Инженеры в спонсируемых НАСА исследованиях предложили использовать такие полурепликаторы в космосе, давая возможность космической промышленности расширяться только с небольшой поставкой сложных частей с Земли.

Однако, так как репликаторы, построенные по балк-технологии, должны производить и собирать свои части, они должны содержать машины и которые производят части и которые их собирают. Это подчеркивает преимущество молекулярных репликаторов: их части - атомы, а атомы приходят уже готовыми.

Но инженеры более вероятно, что разработают другие подходы к воспроизводству. У эволюции не было никакого простого способа изменить фундаментальный принцип действия клетки, а этот принцип действия имеет недостатки. В синапсах, например, клетки мозгового передают сигналы своим соседям, высвобождая пузырьки химических молекул. Эти молекулы толкутся вокруг, пока не свяжутся с молекулами-датчиками соседней клетки, иногда вызывая нейронный импульс. Химические синапсы - медленные переключатели, а нейронные импульсы двигаются медленнее, чем звук. С ассемблерами молекулярные инженеры будут строить целые компьютеры меньшего размера чем синапсы и в миллионы раз быстрее.

Мутация и отбор могла переделать синапсы в механический нанокомпьютер не более чем селекционер мог бы переделать лошадь в автомобиль. Тем не менее инженеры построили автомобили, и также будут учиться строить компьютеры быстрее чем мозг человека и репликаторы, обладающие большими возможностями, чем существующие клетки.

Некоторые из этих репликаторов вообще не будут похожи на клетки, но зато будут похожи на фабрики, уменьшенные до размера клетки. Они будут содержать наномашины, установленный на молекулярном каркасе и конвейерные ремни, чтобы перемещать части от машины к машине. Снаружи у них будет набор сборочных манипуляторов для постройки своих копий по атому или секции за раз.

Как быстро эти репликаторы смогут размножаться, будет зависеть от скорости их сборки и их размера. Представьте себе достаточно сложный ассемблер, содержащий миллион атомов: он вполне может иметь десять тысяч перемещающихся частей, каждая содержащая в среднем сотню атомов - т.е. достаточно деталей, чтобы сделать довольно сложную машину. В действительности сам ассемблер выглядит как коробка, служащая основой для манипуляторов, каждый длинной по сотне атомов. Коробка и манипулятор содержит устройства, которые перемещают руку из одного положения в другое, чтобы поместить, и другие, которые заменяют молекулярные инструменты на его конце.

Позади коробки находится устройство, которое читает ленту и обеспечивает механические сигналы, которые переключают движения манипулятора и смену инструментов. Перед рукой находится незаконченная структура. Конвейеры подносят молекулы к ассемблерной системе. Некоторые поставляют энергию для двигателей, которые передвигают считывающее устройство для ленты и манипуляторы, другие обеспечивают группы атомов, занимающиеся сборкой. Атом за атомом (группа за группой), манипулятор передвигает части каждую на свое место, как указывается лентой; химические реакции соединяют их в связанную структуру.

Эти ассемблеры будут работать быстро. Быстрый фермент, такой как углеродная ангидраза или кетостероидная изомераза, может обрабатывать почти миллион молекул в секунду, даже без конвейеров и механизмов, приводимых в движение энергией, чтобы быстро поставить новую молекулу на место как только освобождается предыдущая. Может показаться слишком сильным ожидать от ассемблера, что он будет захватывать молекулу, перемещать ее и втискивать на место лишь за миллионную секунды. Но маленькие объекты могут двигаться туда-сюда очень быстро. Человек может поднять и опустить руку несколько раз в секунду, пальцы могут постукивать по чему-нибудь быстрее, муха способна махать своими крылышками достаточно быстро, чтобы жужжать, а комар создает невыносимый писк. Насекомые могут махать своими крыльями примерно в тысячу раз быстрее, чем люди своими руками, потому что крылья насекомого примерно в тысячу раз короче.

Манипулятор ассемблера будет приблизительно пятьдесят миллионов раз короче, чем человеческая рука, и поэтому (как это получается) будет способен двигаться туда-сюда приблизительно в пятьдесят миллионов раз быстрее. Для манипулятора ассемблера, двигаться всего лишь миллион раз в секунду было бы подобно человеческой руке двигаться около одного раз в минуту: очень медленно. Так что это выглядит очень разумной целью.

Скорость копирования будет зависеть также от общего размера системы, которая должна быть построена. Ассемблеры не будут копироваться сами по себе; им будут нужны материалы и энергия, а также инструкции о том, как их использовать. Поставлять материалы и энергию могут обычные химические вещества, но должны быть в наличии наномашины, чтобы их обрабатывать. Бугристые полимерные молекулы могут кодировать информацию подобно перфоленте, но должно иметься устройство чтения, чтобы переводить комбинацию бугорков в характер движения манипулятора. Вместе эти части образуют самое главное в репликаторе: лента поставляет инструкции для сборки копии ассемблера, устройства чтения и других наномашин, а также самой ленты.

Разумная конструкция этого вида репликаторов вероятно будет включать несколько ассемблерных манипуляторов и еще несколько манипуляторов для удержания и перемещения объектов работы. Каждый из этих манипуляторов - это по одному миллиону атомов или около того. Другие части - устройства чтения ленты, химические процессоры и т.д. - могут быть такие же сложные как ассемблеры. В конце концов гибкая система копирования вероятно будет включать простой компьютер; следуя механическому подходу, упомянутому в Главе 1, это добавит порядка 100 миллионов атомов. Все части вместе взятые будут составлять менее чем 150 миллионов атомов. Предположим даже что это будет один миллиард, чтобы оставить широкий допуск для ошибки. Не будем принимать во внимание дополнительные способности дополнительных манипуляторов ассемблера, оставляя еще больший допуск. Работая со скоростью миллион атомов в секунду, система все равно скопирует себя за тысячу секунд или немногим более чем за пятнадцать минут - это примерно то время, за которое бактерия воспроизводит себя при хороших условиях.

Представьте себе такой репликатор, плавающий в бутылке с химическими веществами, и производящий копии себя. Он строит одну копию за одну тысячу секунд, тридцать шесть за десять часов. Через неделю, он сделает достаточно копий, чтобы заполнить объем человеческой клетки. За столетие, он сделает достаточно, чтобы покрыть небольшое пятнышко. Если бы это было все, что могли делать репликаторы, мы бы возможно спокойно могли бы на них не обращать внимания.

Однако каждая копия будет строить еще большее количество копий. Значит первый репликатор соберет копию за одну тысячу секунд, дальше два репликатора построят еще два за следующую тысячу секунд, четыре построят еще четыре, а восемь построят еще восемь. В конце десяти часов будет иметься не просто тридцать два новых репликатора, а более 68 миллиардов. Менее чем за день одни бы весили тонну; менее чем за два дня одни бы стали весить больше, чем Земля; еще через четыре дня одни бы превысили по массе Солнце и все планеты вместе взятые - если бутылка с химическими веществами не опустеет до этого момента.

Постоянное удвоение означает экспоненциальный рост. Репликаторы умножаются по экспоненте если нет ограничений, таких как недостаток места или ресурсов. Бактерии это делают, и примерно с той же самой скоростью как репликаторы, описанные только что. Люди воспроизводятся намного более медленно, однако если им дать достаточно времени, они также могли бы превзойти любой конечный источник ресурсов. Беспокойство о росте населения никогда не потеряет своей важности. Забота о том, как контролировать новые быстрые репликаторы, скоро станет действительно важной.

Чтобы быстро создавать большие объекты, должно сотрудничать большое число ассемблеров сотрудничать, но репликаторы будут производить ассемблеры тоннами. Действительно, при правильной конструкции различие между ассемблерной системой и репликатором будет заключаться целиком в программе ассемблера.

Если самовоспроизводящийся ассемблер может сделать свою копию за тысячу секунд, то его можно запрограммировать, чтобы он построил что-нибудь еще своего размера с той же скоростью. Точно так же тонна репликаторов может быстро построить тонну чего-нибудь еще - и продукт будет иметь все свои миллиарды миллиардов миллиардов атомов в правильных местах, только с очень небольшой долей расположенных ошибочно.

Чтобы понять способности и ограничения этого метода сборки больших объектов, представьте себе плоский лист, покрытый маленькими сборочными манипуляторами - может быть армией репликаторов, запрограммированных для строительных работ и выстроившихся правильными рядами. Конвейеры и каналы связи за ними снабжают их молекулами для реакций, энергией и инструкциями по сборке. Если каждый манипулятор занимает площадь в 100 атомных диаметров, то позади каждого ассемблера будет место для конвейеров и каналов в сумме приблизительно в 10,000 атомов площади по диагонали поперечного сечения.

Похоже, этого места достаточно. Место в десять или двадцать атомов шириной может вмещать конвейер (возможно основанный на молекулярных поясах и шкивах). Канал в несколько атомов шириной может содержать молекулярный стержень, который, подобно стержням в механическом компьютере, упомянутым в главе 1, будет толкать и тянуть, чтобы передавать сигналы. Все манипуляторы будут работать вместе для построения широкого, твердую структуру слой за слоем. Каждый манипулятор будет ответственен за собственную область, работающую приблизительно с 10,000 атомами на слой. Лист ассемблеров, обрабатывающий 1,000,000 атомов в секунду на один манипулятор, закончит приблизительно одну сотню атомных слоев в секунду. Это может казаться слишком быстрым, но с этой скоростью, наращение толщины с бумажный лист будет занимать около часа, а создание плиты толщиной в метр займет в год.

Более быстрые манипуляторы могли бы ускорить сборку до более чем метра в день, но они выделят больше ненужного тепла. Если они могли бы строить слой толщиной в метр за день, высокая температура от одного квадратного метра могла бы поджаривать одновременно сотни бифштексов и могла бы поджарить молекулярные машины.

Представьте себе попытку построить дом путем склеивания отдельных зерен песка. Добавление слоя зерен могло бы занять у машин, склеивающих зерна, так много времени, что выращивание стен дома будет занимать десятилетия. Теперь представьте себе, что машины на фабрике вначале склеивают зерна в кирпичи. Фабрика может работать сразу с многими кирпичами. С достаточным количеством машин, склеивающих зерна, кирпичи могли бы вырастать быстро; сборщики стен могли бы далее быстро строить стены, складывая уже собранные кирпичи. Аналогично молекулярные ассемблеры будут работать вместе с большими ассемблерами, которые будут быстро строить большие объекты: машины могут быть любого размера от молекулярного до гигантского. При таком подходе большая часть тепла, выделяемого при сборке будет рассеиваться далеко от места сборки, при производстве частей.

Строительство небоскреба и архитектура живого предлагают аналогичный способ строить большие объекты. Большие растения и животные имеют сосудистые системы, сложные системы каналов, которые несут материалы к молекулярным машинам, работающим везде в их тканях. Подобным образом после того как сборщики закончат каркас небоскреба, "сосудистая система" здания - эскалаторы и коридоры, с помощью кранов - будут переносить строительные материалы к рабочим по всему внутреннему объему здания. Сборочные системы также могли бы использовать эту стратегию, вначале возводя леса и далее работая внутри по всему объему, соединяя материалы, принесенные по каналам извне.

Представьте себе этот подход, используемый для "выращивания" большого двигателя ракеты, работающий внутри чана на промышленном предприятии. Чан - сделанный блестящей стали, со стеклянным окном для удобства посетителей возвышается выше человеческого роста, так как он должен содержать законченный двигатель. Трубы и насосы связывают его с другим оборудованием и к теплообменникам с водяным охлаждением. Это устройство позволяет оператору пропускать через чан различные жидкости.

Чтобы начать процесс, оператор откидывает крышку чана, и опускает в него опорную плиту, на которой будет строиться двигатель. Далее крышка опять плотно закрывается. По нажатию кнопки, насосы затопляют емкость густой молочной жидкостью, которая затопляет плиту и делает неясным видное в окошко. Эта жидкость течет из другого чана, в котором воспроизводящиеся ассемблеры вырастили и перепрограммировали, заставив их скопировать и распространить новую ленту инструкций (немного похоже на заражение бактерии вирусом). Эти новые ассемблерные системы, меньшие чем бактерия, рассеивают свет и из-за этого жидкость выглядит молочной. То, что они в жидкости преобладают, делает ее густой.

В центре опорной плиты, глубоко в кружащейся, загруженной ассемблерами жидкости, находится "семя". Оно содержит нанокомпьютер с хранящимися планами машины, а на его поверхности находятся места, к которым прикрепляются ассемблеры. Когда ассемблер прилипает к нему, они соединяются друг с другом и семя-компьютер передает инструкции компьютеру ассемблера. Это новое программирование сообщает ему, где он находится по отношению к семени, и дает ему команду протянуть свои манипуляторы и зацепить другие ассемблеры. Далее они подключаются тоже и программируются подобным образом. Подчиняясь инструкциям, получаемым от семени (которые распространяются через расширяющуюся сеть ассемблеров) из хаоса жидкости растет что-то вроде кристалла, состоящего из ассемблеров. Так как каждый ассемблер знает свое место в плане, он зацепляет другие ассемблеры только когда необходимо. Это образует структуру менее правильную и более сложную, чем естественный кристалл. За несколько часов каркас из ассемблеров вырастает так, что уже соответствует планируемой конечной форме ракетного двигателя.

Тогда насосы чана возвращаются к жизни, заменяя молочную жидкость одиночных ассемблеров чистой смесью органических растворителей и растворенных веществ, включая алюминиевые сплавы, компоненты, обогащенные кислородом, и компоненты, служащие в качестве топлива для ассемблеров. По мере того, как жидкость становится более прозрачной, форма двигателя ракеты становится видимой через окно, напоминая модель в полном масштабе, вылепленную в прозрачной белой пластмассе. Затем, сообщение, распространяющееся от семени, предписывает нужным ассемблерам освободить своих соседей и свернуть свои манипуляторы. Они вымываются из структуры быстрой белой лентой, оставляя прочную структуру связанных ассемблеров, оставляя теперь достаточно пространства для работы. Очертания двигателя в чане вырастают почти прозрачными, с небольшой радужностью.

Каждый остающийся ассемблер, хотя все еще связанный с соседями, теперь окружен крошечными заполненными жидкостью каналами. Специальные манипуляторы на ассемблерах работают подобно жгутам, подхлестывая жидкость и способствуя ее распространению через каналы. Эти движения, подобно всем остальным, выполняемым ассемблерами, питаются энергией молекулярных машин, для которых топливо служат молекулы в жидкости. Также как растворенный сахар дает энергию дрожжам, также эти растворенные химические вещества дают энергию ассемблерам. Эта текущая жидкость подносит свежее топливо и растворяет сырые строительные материалы; вытекая обратно, она уносит выработанное тепло. Сеть коммуникаций распространяет инструкции для каждого ассемблера.

Ассемблеры теперь готовы начать строить. Они должны построить двигатель ракеты, состоящий главным образом из труб и насосов. Это означает построить прочные, легкие структуры сложных форм, некоторые из которых способны выдерживать очень высокую температуру, некоторые содержат внутри трубки, по которым течет охлаждающая жидкость. Там, где нужно очень большое усилие, ассемблеры начинают делать прутки из переплетающихся волокон углерода, в их алмазной форме. Из этого они строят структуру, приспособленную, чтобы выдерживать ожидаемый тип нагрузки. Там, где важно сопротивление температуре и коррозии (как на многих поверхностях), они строят аналогичные структуры из оксида алюминия в его сапфировой форме. В местах, где нагрузки будут низки, ассемблеры сберегают массу, оставляя более широкие пустые пространства в структуре. В местах, где нагрузка будет высокой, ассемблеры укрепляют структуру до тех пор, пока остающиеся пространства едва достаточны, чтобы сами ассемблеры могли двигаться. В других местах ассемблеры кладут другие материалы для того, чтобы образовать сенсоры, компьютеры, моторы, соленоиды и все остальное, что необходимо.

Чтобы закончить свою работу, они строят стенки, разделяющие остающиеся пространства в каналах в почти запечатанные ячейки, затем отходят к последним открытым местам и выкачивают оставшуюся внутри жидкость. При запечатывании пустых ячеек, они полностью уходят из строящегося объекта и уплывают в циркулирующей жидкости. Наконец, чан опустевает, пульверизатор омывает двигатель, крышка открывается и внутри возвышается готовый двигатель, который сохнет. Его создание потребовало менее дня и почти никакого человеческого внимания.

На что похож этот двигатель? Это не массивный кусок сваренного и скрепленного болтами металла, он без швов, подобный драгоценному камню. Его пустые внутренние ячейки, построенные в ряды, находящиеся примерно на расстоянии длины волны света друг от друга, имеют побочный эффект: подобно углублениям на лазерном диске они преломляют свет, делая различную радужность подобно той, что делает огненный опал. Эти пустые пространства облегчают структуру, уже сделанную из самых легких и прочных известных материалов. В сравнении с современными металлическими двигателями, этот усовершенствованный двигатель будет иметь более чем на 90 процентов меньшую массу.

Ударьте слегка по нему, и он отзовется как колокольчик удивительно высокого для своего размера тона. Установленный в космическом корабле, сделанном тем же способом, он легко поднимет его со взлетно-посадочной полосы в космос и вернет снова назад. Он выдерживает длительное и интенсивное использование, потому что прочные материалы позволили разработчикам включать большие запасы прочности. Поскольку ассемблеры позволили проектировщикам делать его материал таким, что он при приложении усилия течет до того, как ломается (оплавляя трещины и останавливая их распространение), двигатель не только прочен, но и износостоек.

При всем своем превосходстве, этот двигатель по сути вполне обычен. В нем просто заменили плотный металл тщательно устроенными структурами из легких, прочно связанных атомов. В конечном продукте никаких наномашин нет.

Более продвинутые проекты будут использовать нанотехнологию более глубоко. Они могли бы оставлять в создаваемом объекте сосудистую систему для обеспечения ассемблерной и дизассемблерной систем; их можно запрограммировать на восстановление изношенных частей. Пока пользователи снабжают такой двигатель энергией и сырьем, он будет обновлять свою собственную структуру. Еще более продвинутые двигатели также могут быть буквально гибкими. Ракетные двигатели работают наилучшим образом, если они могут принимать различную форму при различных режимах функционирования, но инженеры не могут сделать обычный металл прочным, легким и при этом гибким. С нанотехнологией, однако, структура более прочная чем сталь и более легкая чем дерево могла бы изменять свою форму, подобно мускулу (работая как мускул по принципу скользящих волокон). Двигатель мог бы тогда расширяться, сжиматься и изгибаться таким образом, чтобы обеспечивать требуемую силу тяги в требуемом направлении при различных условиях. С запрограммированными нужным образом ассемблерами и дизассемблерами, он мог бы даже глубоко изменять свою структуру через длительное время после того, как покинул чан, в котором рос.

Короче говоря, воспроизводящиеся ассемблеры будут копировать себя тоннами, потом делать другие продукты, такие как компьютеры, двигатели ракет, стулья и т.д. Они будут делать дизассемблеры, способные разрушить скалу, чтобы получить из нее сырье. Они будут делать коллекторы солнечной энергии, чтобы обеспечивать энергией. Хотя сами они маленькие, строить они будут большое. Группы наномашин в природе строят китов, и рассеивают зерна самовоспроизводящихся машин, и организуют атомы в огромные структуры целлюлозы, выстраивая такого гиганта, как калифорнийское мамонтовое дерево. Нет ничего удивительного в выращивании ракетного двигателя в специально подготовленном чане. Действительно, лесники, если им дать подходящие "семена" ассемблеров, могли бы выращивать космические корабли из земли, воздуха и солнечного света.

Ассемблеры будет способен делать практически все что угодно из обычных материалов без использования человеческого труда, заменяя дымящие фабрики системами, чистыми как лес. Они в корне преобразуют технологию и экономику, открывая новый мир возможностей.