將來的制造業(yè)會不會是這樣的？一棵樹或許是我們的老師。 [復(fù)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(shù)的發(fā)展導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)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(yè)和交通，這兩件事情對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和人民的生活質(zhì)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(nèi)，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(zhì)...并向環(huán)境釋放氧氣等。一個微型的“工廠”（規(guī)模），直接從環(huán)境獲取原材料，而無需上游“工廠”（極短產(chǎn)業(yè)鏈），輸出氧氣等（環(huán)境友好），自我生長（自我構(gòu)建和自我維護）。而它的產(chǎn)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(zhì)。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(chǎn)物（如纖維）構(gòu)成的系統(tǒng)。繼續(xù)刨根問底，我們發(fā)現(xiàn)這個過程起最關(guān)鍵作用的是蛋白質(zhì)，為什么？

首先我們來看一下蛋白質(zhì)的功能：

蛋白質(zhì)從功能上來說有：
結(jié)構(gòu)蛋白：
構(gòu)成生物體組織結(jié)構(gòu)。
功能蛋白：
免疫：如免疫球蛋白等。
輸運：如轉(zhuǎn)運蛋白等。
酶：用于催化生物化學(xué)反應(yīng)。
激素：如胰島素，生長激素等。
能量：
為什么蛋白質(zhì)能實現(xiàn)這么多的功能? 源于白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。之前說到，蛋白質(zhì)其實是氨基酸構(gòu)成的長鏈，也就是氨基酸分子內(nèi)的氨基，和另一個氨基酸分子的羚基。脫水縮合，形成的結(jié)構(gòu)，生化上稱為肽鍵。。這種線狀結(jié)構(gòu)，也叫做蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。如果再通過空間折疊，螺旋等方式，會構(gòu)成更復(fù)雜的區(qū)域結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)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(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)。因為構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸多達20種，其組合順序千變?nèi)f化，也就因此能夠形成各種不同的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各自不同的生物功能。

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食物的“生產(chǎn)”

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(zhì)，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(nèi)是一個龐大的系統(tǒng)：龐大的“交通網(wǎng)絡(luò)”輸送每個組成單元的所需，并把他們產(chǎn)生的“垃圾”運輸?shù)街付ǖ牡胤健Ｋ�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(guān)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(yīng)，比如“量子疊加效應(yīng)”，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(chǎn)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(chǎn)品是環(huán)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(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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?nèi)祟惸壳暗纳�產(chǎn)系統(tǒng)望塵莫及。也為我們的制造能力樹立了目標(biāo)。

“機器”的生成
那么，我們?nèi)祟惖墓�業(yè)生產(chǎn)能否向著這個目標(biāo)？----越來越接近一棵玉米所能做到的。
如果我們?nèi)祟惖墓�廠各個環(huán)節(jié)的“機器”能在自身只有分子級大小，卻能完成所處環(huán)節(jié)的功能，那么工廠的規(guī)模就會變小。

分子級別的構(gòu)建已經(jīng)侵入了“量子作用”的世界。在那里，量子效應(yīng)開始主導(dǎo)“游戲”的規(guī)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(gòu)造應(yīng)該是現(xiàn)在我們的認知范疇。至于其復(fù)雜的作用過程，弄清楚實屬不易，大多數(shù)應(yīng)當(dāng)還處在我們認識的盲區(qū)。
至于在這種級別上構(gòu)建生物體本身，人們隱約粗略知道DNA規(guī)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(dāng)下最熱門也是最具挑戰(zhàn)的領(lǐng)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(gòu)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(gòu)造如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具體分析可以參考之前的文章：
【生命是什么】關(guān)于碳基生物的一些討論

只有分子級別結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣，才能帶來這么小體積的龐大系統(tǒng)，分子級別的“制造”才有可能，才能實現(xiàn)我們前文提到的目標(biāo)。

然而，碳基大分子很難滿足人類所期望的“機器”或者“產(chǎn)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(xiàn)：例如你很難想象由碳基大分子購車的火箭或者通信設(shè)備。更加精細，環(huán)境更友好等反而不是緊迫之需。
產(chǎn)品和機器一樣遇到上述問題，這種精細的復(fù)雜性和廣泛的適應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)，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(huán)境）觀察到如碳基大分子那樣的情形出現(xiàn)在硅基分子中。當(dāng)然，不排除在某些自然環(huán)境很難存在的條件下，可以實現(xiàn)這個想法。這非常值得探索。
再就是和今天人類基于半導(dǎo)體（特別是硅元素）技術(shù)的結(jié)合，讓我們的機器或者產(chǎn)品具備電子信息產(chǎn)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(fù)雜多樣的精細化必然帶來功能的多樣化，這當(dāng)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(chǎn)我們當(dāng)下需要的一些產(chǎn)品，例如交通類的產(chǎn)品，通信類產(chǎn)品，食物，房屋，機器人等。有了上述討論的基礎(chǔ)，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(jié)和它的原理。
碳基分子構(gòu)成了極其復(fù)雜的生物體，其構(gòu)建過程中，蛋白質(zhì)的合成是依靠DNA參與的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程完成的。在轉(zhuǎn)錄過程中，DNA 序列 一個基因 被復(fù)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(zhì)的合成是在翻譯過程中發(fā)生的。
有朝一日，我們的機器和產(chǎn)品采用上述過程來實現(xiàn)。從而大大縮短生成這種機器的產(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)然，要讓它更適合人類需求，他需要更快的生產(chǎn)（生長）速度。

極大縮短的產(chǎn)業(yè)鏈將會很大程度消滅生產(chǎn)的盲目性，從而大大降低經(jīng)濟危機的風(fēng)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(guī)模的社會系統(tǒng)具備完全獨立的產(chǎn)業(yè)體系。
大大減少物資的轉(zhuǎn)運，因為很多中間環(huán)節(jié)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(guī)模，因為大規(guī)模城市沒有必要了。地區(qū)的不平衡將被最大程度撫平。

大大減少了對環(huán)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(qū)不必再做區(qū)分。這又減少了交通需求。

地球未來的發(fā)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(tài)。
越發(fā)智能化的交通工具，對基礎(chǔ)設(shè)施的要求就會越低。那個時候大規(guī)模交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)該主要針對貨物的流通，除了人們?nèi)粘５南�費品，更多是制造產(chǎn)品和建造基礎(chǔ)設(shè)施的原材料。然而，如果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)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(guī)模的交通系統(tǒng)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(dāng)初，“大規(guī)模”的優(yōu)勢

1. 
   大科技項目的攻關(guān)
   
2. 
   大規(guī)模生產(chǎn)帶來的成本優(yōu)勢
3. 
   大基建項目
4. 
   
   

在這種情況下蕩然無存。而 “大規(guī)模”的劣勢，例如：

為了供應(yīng)川陀居民的口腹之需，每天都有數(shù)以萬計的太空船隊，負責(zé)載送來自二十個農(nóng)業(yè)世界的糧食，船隊規(guī)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(yīng)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(huán)境和危機等將會被大大改善。

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努力縮短產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)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。