home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Black Crawling Systems Archive Release 1.0 / Black Crawling Systems Archive Release 1.0 (L0pht Heavy Industries, Inc.)(1997).ISO / blackcrwl / elctrnic / nanintro.txt < prev    next >
Text File  |  1991-12-26  |  13KB  |  243 lines

  1. +---------------------------------------------------------------------+
  2. |  The following material is reprinted *with permission*              |
  3. |  Copyright (c) 1988 The Foresight Institute.  All rights reserved.  |
  4. +---------------------------------------------------------------------+
  5. |  This material is based on and builds on the case made in the book  |
  6. |  "Engines of Creation" by K. Eric Drexler.                          |
  7. |  It is reprinted with the additional permission of the author.      |
  8. +---------------------------------------------------------------------+
  9.  
  10. NANOTECHNOLOGY: A KEY ADVANCE
  11.  
  12.     by K. Eric Drexler, 1985
  13.  
  14. Foreseeable technological advances will enable us to build devices to
  15. complex, atomic specifications.  This will make possible a
  16. nanotechnology that includes both nanomachines and nanoelectronics.
  17. As microtechnology involves micrometer-scale devices, so
  18. nanotechnology will involve nanometer-scale devices.  These advances
  19. will change macroscopic technology as well, because all technology
  20. rests ultimately on our ability to arrange atoms to make hardware.
  21.  
  22. The prospect of nanotechnology forces a reevaluation of our
  23. expectations regarding the next several decades.  New dangers make
  24. foresight vitally important.  This paper outlines some basic facts
  25. regarding the nature and consequences of nanotechnology.  It is
  26. condensed, containing more assertions than explanations--its goal is
  27. not to provide a thorough technical discussion, but merely to describe
  28. a set of facts and make them plausible to readers with broad technical
  29. literacy.
  30.  
  31. The Technology
  32.  
  33. Nanotechnology is synonymous with advanced molecular technology.  It
  34. includes molecular electronics and the so-called biochip.  It may be
  35. seen as the culmination of progress in many fields.
  36.  
  37. Microelectronic engineers construct ever-smaller devices, some only a
  38. thousand atoms wide.  Chemists know a great deal about molecules, and
  39. they regularly design and build small molecular structures.  Progress
  40. in both synthetic chemistry and microelectronics leads toward the
  41. construction of complex structures to atomic precision--that is,
  42. toward nanotechnology.  Biologists study the molecular machinery of
  43. life; nanotechnology will provide them with greatly improved molecular
  44. tools and instruments.  Through the molecular tools of pharmacology,
  45. physicians influence the molecular machinery of life.  Nanotechnology
  46. will again provide tools of dramatically greater ability.
  47.  
  48. Researchers in these fields are laying the foundations for
  49. nanotechnology.  Biochemists are learning to design ever-larger
  50. molecular systems, and groups in Japan, at the U.S. Naval Research
  51. Laboratory, and elsewhere are pursuing work in molecular electronics.
  52.  
  53. We can already see much of what this work will make possible, because
  54. physicists, chemists, and biochemists understand the laws that govern
  55. molecular systems.  The behavior of these systems is often amenable to
  56. computer simulation, using ordinary mechanics to describe molecular
  57. motions and quantum mechanics to describe molecular bonding.  The
  58. challenge of nanotechnology is one of developing better physical and
  59. computational tools, not of developing new fundamental science.
  60.  
  61. Nanomachines will be the key to nanotechnology.  Because molecules are
  62. objects with size, shape, mass, and stiffness, they can serve as
  63. moving parts in nanomachines.  Well-known biochemical systems--the
  64. rotary flagellar motor that propels bacteria, the actin-myosin system
  65. that powers muscle, and so forth--show that molecular machines exist
  66. and function.  They prove (and calculations confirm) that thermal
  67. noise and quantum-mechanical effects do not prohibit machines with
  68. molecular-scale moving parts.
  69.  
  70. Molecular machines can build molecular machines.  Enzymes direct the
  71. swift assembly and disassembly of molecular structures.  Ribosomes act
  72. as numerically-controlled machine tools, assembling molecular devices
  73. (in this case, protein molecules) under programmed control.  They
  74. demonstrate that nanomachines can build specific molecular structures
  75. by bringing reactive molecules together in the right orientations and
  76. surroundings.  Genetic engineers use DNA to program bacterial
  77. ribosomes to build natural (but foreign) proteins.  The design of
  78. novel proteins is an active area of research.  Eventually, we will
  79. learn to build proteins that, like those in the cell, perform a wide
  80. range of chemical and mechanical functions.  We will then be able to
  81. build ribosome-like protein machines which will in turn enable us to
  82. build non-protein machines.  Protein engineering thus offers one path
  83. to nanotechnology.  Physicist Richard Feynman outlined an alternative
  84. path as early as 1959.
  85.  
  86. By one path or another, we will eventually develop tools that enable
  87. us to assemble complex structures to atomic specifications.  Such
  88. tools are called "molecular assemblers," or simply "assemblers." The
  89. development of assemblers will constitute a key breakthrough in
  90. technology.
  91.  
  92. Some Applications
  93.  
  94. Comparisons to known physical systems and straightforward design
  95. calculations indicate the feasibility of the following:
  96.  
  97. Replicators: Assemblers, if supplied with materials and energy, will
  98. be able to build almost anything--including more assemblers and more
  99. systems for providing them with materials and energy.  Cells
  100. demonstrate that systems of molecular machinery can replicate
  101. themselves.  Replicating assemblers will be as cheap as bacteria.
  102. Single cells proliferate and cooperate to build redwoods and blue
  103. whales; properly programmed replicators will likewise be able to build
  104. large systems.
  105.  
  106. Nanocomputers: If built with molecular components, the equivalent of a
  107. modern microprocessor will fit in roughly 1/1000 of a cubic micron.
  108. Megabytes of fast RAM and gigabytes of tape-like storage with
  109. sub-millisecond access times will fit within a cubic micron.  The
  110. small size and low power dissipation of nanocomputers will make
  111. possible machines with massively parallel architectures.
  112.  
  113. Cell repair machines: Molecular machines in cells sense, make,
  114. rearrange, and destroy cellular structures.  During cell division,
  115. they build whole new cells.  Advanced nanomachines will be able to do
  116. likewise.  Since typical human cells have a volume of roughly 1,000
  117. cubic microns, they hold room enough for cell repair machines directed
  118. by on-site nanocomputers and wielding an extensive set of
  119. molecular-scale sensors and tools.  Cell repair machines will bring
  120. surgical control to the molecular scale, enabling physicians to repair
  121. tissues that are unable to repair themselves, and to reverse the
  122. molecular disorders that cause aging.  Replicators will make cell
  123. repair machines inexpensive.
  124.  
  125. Superstuff: The performance of systems depends on the pattern of atoms
  126. composing them.  Assembler-built composites based on diamond fiber
  127. will have tens of times the strength-to-mass ratio of present
  128. structural metals, and excellent fracture toughness as well.
  129. Assembler-built screens, made from nearly-microscopic lens arrays,
  130. will display high-resolution, full-color, three-dimensional imagery.
  131. Assembler-built batteries with finely interleaved electrodes will have
  132. very low internal resistance and high power-to-mass ratios.  This list
  133. could be extended almost indefinitely: assembler-built materials,
  134. components, and systems will advance virtually all fields of
  135. technology, making possible improved chairs, cars, spacecraft, and so
  136. forth.
  137.  
  138. Superweapons: Superior hardware will have superior military potential.
  139. Replicating assemblers will permit swift construction of such
  140. hardware.  Programmable replicators will make possible a more
  141. controlled and practical (and hence more threatening) form of "germ"
  142. warfare.  This list, too, could be extended.
  143.  
  144. Our Situation
  145.  
  146. These prospects raise certain questions about nanotechnology and its
  147. effect on our future:
  148.  
  149. Is nanotechnology good or bad?  Nanotechnology raises obvious issues
  150. of life and death.  Replicating assemblers will enable us to create
  151. material wealth of unprecedented quality and quantity; in much of the
  152. world, this is a life-and-death matter.  More directly, cell repair
  153. machines will enable medicine to create and maintain health.  Yet
  154. through the same capabilities that make these benefits possible,
  155. nanotechnology will also make possible new forms of warfare and
  156. oppression.
  157.  
  158. Could it be stopped?  Advances in fields as diverse as medicine,
  159. weaponry, and chemistry will (intentionally or not) move us along the
  160. path to nanotechnology.  Military motivations will be strong, and the
  161. verification of limits on research will be virtually impossible.  In a
  162. world of competing technological states, local actions and local laws
  163. cannot stop such a technology.  In the absence of means for
  164. verification, international treaties likewise offer little hope.
  165. Thus, regardless of the balance of its benefits and risks,
  166. nanotechnology seems virtually inevitable.  We can only guide
  167. advances, not stop them.
  168.  
  169. When will it arrive?  Present physical knowledge enables us to foresee
  170. some of what nanotechnology will (and will not) be able to accomplish,
  171. but estimates of when nanotechnology will arrive are far more
  172. speculative.  Such estimates must reflect the possibility both of
  173. unanticipated shortcuts and of unanticipated delays.  They must take
  174. account of obvious synergies, such as the application of
  175. expert-systems technology to computer-aided design, and the
  176. application of both to molecular engineering.  Further, they must take
  177. account of research trends such as the commencement of "full-scale
  178. research efforts" on molecular electronics by NEC, Hitachi,
  179. Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denko, and Sharp.  Finally,
  180. military interest in nanotechnology seems likely to eventually spawn
  181. an effort as urgent as the Manhattan Project.  In light of these
  182. considerations, a plausible guess for the arrival date of molecular
  183. assemblers is twenty years, plus or minus ten.  For some purposes
  184. (e.g., planning for medical care) it is safest to assume that
  185. nanotechnology will develop slowly.  For other purposes (e.g.,
  186. preparing for dangers) it is safest to assume that it will develop
  187. swiftly.
  188.  
  189. What is to be done?  The prospect of nanotechnology raises a host of
  190. policy questions.  Depending on the preparations we make,
  191. nanotechnology could bring either great benefits or a final disaster.
  192. Because nanotechnology will build on known principles of science and
  193. engineering, a measure of foresight seems possible.  Because advances
  194. in nanotechnology seem easier to steer than to stop, a measure of
  195. foresight seems necessary.
  196.  
  197. The study of nanotechnology crosses disciplinary boundaries.  To judge
  198. the possibilities requires engineering thought guided by knowledge in
  199. such fields as physics, chemistry, biology, and materials science.
  200. The basic technical facts in turn raise issues of social, political,
  201. and strategic importance.  It seems that past expectations must be
  202. revised, perhaps drastically.  We need to know more about
  203. nanotechnology and its implications, and we need to have that
  204. knowledge spread widely.  The growth of knowledge is best served by
  205. critical discussion and by presentation of the results.
  206.  
  207. Further Reading:
  208.  
  209. Richard Feynman, "There's Plenty of Room at the Bottom." In
  210. Miniaturization, H. D. Gilbert, ed., Reinhold, New York, pp 282-296
  211. (1961).
  212.  
  213. K. Eric Drexler, "Molecular Engineering: an approach to the
  214. development of general capabilities for molecular manipulation."
  215. Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), 78:5275-5278
  216. (September 1981).
  217.  
  218. Molecular Electronic Devices, Forrest L. Carter, ed. Marcel Dekker,
  219. New York (1982).
  220.  
  221. K. Eric Drexler, "When molecules will do the work." Smithsonian, pp
  222. 145-155 (November 1982).
  223.  
  224. Kevin Ulmer, "Protein Engineering." Science, 219:666-671 (11 February
  225. 1983).
  226.  
  227. Jonathan B. Tucker, "Biochips: can molecules compute?" High
  228. Technology, pp 36-47 (February 1984).
  229.  
  230. K. Eric Drexler, "Engines of Creation." Doubleday, New York (1986).
  231.  
  232. +---------------------------------------------------------------------+
  233. |  Copyright (c) 1988 The Foresight Institute.  All rights reserved.  |
  234. |  The Foresight Institute is a non-profit organization:  Donations   |
  235. |  are tax-deductible in the United States as permitted by law.       |
  236. |  To receive the Update and Background publications in paper form,   |
  237. |  send a donation of twenty-five dollars or more to:                 |
  238. |    The Foresight Institute, Department U                            |
  239. |    P.O. Box 61058                                                   |
  240. |    Palo Alto, CA 94306 USA                                          |
  241. +---------------------------------------------------------------------+
  242.  
  243.