將來的制造業會不會是這樣的？一棵樹或許是我們的老師。 [復制鏈接]

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未來的制造：以此為背景的未來世界


如果有一天，技術的發展導致產業鏈沒有那么長了，那么未來將是什么樣子？那時候的國際競爭又是什么樣子的？特別是工業和交通，這兩件事情對一個國家的經濟發展和人民的生活質量的影響是決定性的。如果再考慮遠一點，再過一百多年呢？依靠想象將這件事情逐步展開，一定是一件非常有趣的事情。

再切換一個場景：在生物體內，比如一棵玉米。它利用太陽的能量把輸入的水、二氧化碳、溶于水的其它元素等合成淀粉，蛋白質...并向環境釋放氧氣等。一個微型的“工廠”（規模），直接從環境獲取原材料，而無需上游“工廠”（極短產業鏈），輸出氧氣等（環境友好），自我生長（自我構建和自我維護）。而它的產出居然是人類目前基本還做不到的----人工合成淀粉或者蛋白質。這些它是怎么做到的？這里面扮演最重要角色的是誰？是細胞和細胞演化的產物（如纖維）構成的系統。繼續刨根問底，我們發現這個過程起最關鍵作用的是蛋白質，為什么？

首先我們來看一下蛋白質的功能：

蛋白質從功能上來說有：
結構蛋白：
構成生物體組織結構。
功能蛋白：
免疫：如免疫球蛋白等。
輸運：如轉運蛋白等。
酶：用于催化生物化學反應。
激素：如胰島素，生長激素等。
能量：
為什么蛋白質能實現這么多的功能? 源于白質結構的復雜性。之前說到，蛋白質其實是氨基酸構成的長鏈，也就是氨基酸分子內的氨基，和另一個氨基酸分子的羚基。脫水縮合，形成的結構，生化上稱為肽鍵。。這種線狀結構，也叫做蛋白質的一級結構。如果再通過空間折疊，螺旋等方式，會構成更復雜的區域結構，這些結構之間又可以通過各種作用力聚合在一起，形成二級，三級甚至四級復雜三維空間結構。因為構成蛋白質的氨基酸多達20種，其組合順序千變萬化，也就因此能夠形成各種不同的結構，實現各自不同的生物功能。

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食物的“生產”

一棵樹，植根于土壤，并從中獲取水分和溶解于其中的礦物質，它的軀干和葉子則置身于大氣海洋的底部，獲取生長所需的二氧化碳等，在陽光的作用下通過葉綠體這個“工廠”合成“淀粉”等，并向空氣中釋放“廢氣”---氧氣。植物體內是一個龐大的系統：龐大的“交通網絡”輸送每個組成單元的所需，并把他們產生的“垃圾”運輸到指定的地方。它就像一個巨大的城市甚至是一個國家或者一顆星球。而葉綠體就是這個龐大帝國的“食物”工廠。

從“生物工廠”獲得的啟示

在葉綠體中，光合作用是最關鍵的，它的最底層機制人們一直沒有真正搞清楚。只是大致確定這個過程涉及到了量子效應，比如“量子疊加效應”，這方面的詳細機制目前仍然有待破解。但是這個“工廠”的效率是非常高的，它的原料非常簡單，只要是水和二氧化碳。它的產出是碳水化合物：如淀粉之類，這是所有動/植物食物的根源。它的副產品是環境友好的，更是必不可少的氧氣。

因為原料簡單，可以就地取材，所以就不需要耗時費力的運輸過程。復雜的內部結構支撐起了非常強大的“制造”能力，讓整個加工過程被打包于一片葉子內部，和外部幾乎沒有其它的耦合。只要有陽光、空氣和水，適宜的溫度，它們就能運作很好。

這些都讓我們人類目前的生產系統望塵莫及。也為我們的制造能力樹立了目標。

“機器”的生成
那么，我們人類的工業生產能否向著這個目標？----越來越接近一棵玉米所能做到的。
如果我們人類的工廠各個環節的“機器”能在自身只有分子級大小，卻能完成所處環節的功能，那么工廠的規模就會變小。

分子級別的構建已經侵入了“量子作用”的世界。在那里，量子效應開始主導“游戲”的規則，目前人們只能處理比較簡單的量子模型，如果再遇上碳基家族的大分子，能猜測其構造應該是現在我們的認知范疇。至于其復雜的作用過程，弄清楚實屬不易，大多數應當還處在我們認識的盲區。
至于在這種級別上構建生物體本身，人們隱約粗略知道DNA規劃和參與了這個過程。搞清楚這種分子級別的作用過程，是當下最熱門也是最具挑戰的領域之一。如果在這方面有根本性的突破，那么人類可以模仿生物去構建自己無比精密的機器嗎？

這里存在一個矛盾：
似乎只有碳基分子才有可能在這個尺度構造如此復雜的結構，具體分析可以參考之前的文章：
【生命是什么】關于碳基生物的一些討論

只有分子級別結構的復雜多樣，才能帶來這么小體積的龐大系統，分子級別的“制造”才有可能，才能實現我們前文提到的目標。

然而，碳基大分子很難滿足人類所期望的“機器”或者“產品”某些嚴苛的需求：更快的速度，更大的負荷能力，更寬的溫度適用范圍，更遠的傳播距離（如電磁波通信）等，這是單純依靠碳基大分子很難實現：例如你很難想象由碳基大分子購車的火箭或者通信設備。更加精細，環境更友好等反而不是緊迫之需。
產品和機器一樣遇到上述問題，這種精細的復雜性和廣泛的適應性是不是完全是一對矛盾呢？這非常值得探討，這也決定了我們上文對未來“制造”的憧憬是否是現實的。

首先，生物的過程也由非碳基高分子的參與，比如骨骼和牙齒的沉淀。碳基大分子參與這種非碳基也非大分子的材料的生成，這似乎是一個很有前途的方向，如果能把這類機制人工實現，且推廣到其它材料，那就非常厲害了。這甚至是未來“納米加工”的一條備選途徑。
其次，能否在碳元素在元素周期表的同一列里找到可以生成大分子的元素，比如硅元素，以此擴充大分子材料的家族，以便獲得對材料更大的可選擇性。對此我謹慎樂觀，因為似乎沒有在自然界（至少在我們所處的這個環境）觀察到如碳基大分子那樣的情形出現在硅基分子中。當然，不排除在某些自然環境很難存在的條件下，可以實現這個想法。這非常值得探索。
再就是和今天人類基于半導體（特別是硅元素）技術的結合，讓我們的機器或者產品具備電子信息產品的所有能力和特征。這方面的討論可以大篇幅展開，這絕對非常值得期待。
如果前面的問題得以解決，那么組成這個“工廠”的每個分子級別大小的每個“小機器”如何被組裝和維護是個必須解決的問題。首先，這能做到嗎？能！怎么做？答案同樣來自那棵玉米。復雜多樣的精細化必然帶來功能的多樣化，這當然包含組裝和維護的功能。

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接下來我們大致考察一下這種“工廠”能否生產我們當下需要的一些產品，例如交通類的產品，通信類產品，食物，房屋，機器人等。有了上述討論的基礎，我認為這是很有希望，很值得探索的。下面我們就大致考慮一下某些影響的細節和它的原理。
碳基分子構成了極其復雜的生物體，其構建過程中，蛋白質的合成是依靠DNA參與的轉錄和翻譯過程完成的。在轉錄過程中，DNA 序列 一個基因 被復制到稱為信使 RNA (mRNA) 的分子中。這個mRNA 攜帶 基因信息 從DNA到核糖體，其中 實際合成 蛋白質的合成是在翻譯過程中發生的。
有朝一日，我們的機器和產品采用上述過程來實現。從而大大縮短生成這種機器的產業鏈。當然，要讓它更適合人類需求，他需要更快的生產（生長）速度。

極大縮短的產業鏈將會很大程度消滅生產的盲目性，從而大大降低經濟危機的風險。

在未來的行星際移民中，這也是非常重要的一個努力方向。它可以讓很小規模的社會系統具備完全獨立的產業體系。
大大減少物資的轉運，因為很多中間環節的減少讓物資的運輸主要集中于原材料和成品。這將大大減小城市規模，因為大規模城市沒有必要了。地區的不平衡將被最大程度撫平。

大大減少了對環境的破壞，因為精細化讓排放和噪音幾乎都不存在了，精細化讓工廠和居民區不必再做區分。這又減少了交通需求。

地球未來的發展方向會像川陀（《銀河帝國》首都所在星球）那樣被過度改造嗎？還是正好相反，整體回歸它原始的狀態。
越發智能化的交通工具，對基礎設施的要求就會越低。那個時候大規模交通系統的基礎設施建設應該主要針對貨物的流通，除了人們日常的消費品，更多是制造產品和建造基礎設施的原材料。然而，如果實現產業規模的壓縮，這種依賴就會成倍減少，最后就失去了對這種大規模的交通系統的需求。
所以，我認為，未來的世界正好和川陀相反，更加回歸“大自然”。[size=; font-size: var(--articleFontsize),var(--articleFontsize)]當初，“大規模”的優勢

1. 
   大科技項目的攻關
   
2. 
   大規模生產帶來的成本優勢
3. 
   大基建項目
4. 
   
   

在這種情況下蕩然無存。而 “大規模”的劣勢，例如：

為了供應川陀居民的口腹之需，每天都有數以萬計的太空船隊，負責載送來自二十個農業世界的糧食，船隊規模比任何一支帝國制造的星際艦隊都要龐大…由于川陀依靠其他世界的世界供應糧食，甚至所有的日常用品，這個行星變得越來越容易以包圍封鎖的手段征服。--- 《銀河帝國》

以及不對稱造成的不公平，環境和危機等將會被大大改善。

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努力縮短產業鏈的發展方向，似乎非常有價值。AI和分子級別的制造似乎是朝著這個方向邁進的。

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弱弱的問一句，你寫的這些是科幻還是科普。