当代三大技术的相互渗透和互动发展

九　当代三大技术的相互渗透和互动发展

21世纪头20年，是我国经济社会发展的重大战略机遇期，也是科学技术大发展的战略机遇期。从经济社会和科技相统一的角度思考这个战略机遇期，就会发现其中有一个重要特征，这就是当代三大技术的相互渗透和互动发展。

这里所指的三大技术，一是信息技术，二是生物技术，三是纳米技术。

（一）关于信息技术

信息技术是计算机和远程通信的结合，它以微电子技术为基础。上个世纪的70年代，大规模集成电路取得了重大突破。到了1978年，以半导体材料为基片，可以集成10万以上晶体管等元器件，形成了超大规模集成电路（简称VLSI）。

随着大规模集成电路的发展，计算机发生了一场革命。上世纪70年代开始，计算机被广泛用于信息处理，从而极大地扩展了计算机的应用范围。与此同时，远程通信技术取得了长足的发展。1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星，从而开启了全球卫星通信的新时代。与电通信相比，光束可以更有效地传递信息。1973年，世界上第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成，使人类信息传递方式发生了质的变化，从而成为信息高速公路的基石。

鉴于信息技术的迅猛发展及其对人类社会的深刻影响，联合国总务委员会把1982年命名为“信息技术年”。1983年，美国两党议员组成的特别工作小组曾作出预测，未来的20年中信息产业将发展成为世界上的第一产业。所以，20世纪70年代以来的新技术革命，起核心和带头作用的是信息技术。

在上世纪的八九十年代，信息技术在两个方面取得重大突破，一是网络化，一是数字化。实现计算机之间互相交换信息的局部网，是上世纪70年代初开发成功的，它是由美国国防部远景计划研究局组织，把美国西部4个研究单位联系起来。这个局部网络系统的建成，其重大意义当时并没有被人们及时认识，以致出现在20世纪70年代的因特网却在90年代才火爆起来。其原因是建立在因特网上的环球网（万维网）于1991年问世。这张覆盖于地球的“无形网”，使人们互相传递信息十分便捷。至今，环球网仍是因特网上最流行的一种交互式信息交流的工具。1997年第二代环球网问世，它能传输三维动画，实现了第一代不能实现的梦想。

数字化技术，是指声音、图像、文字都可以通过一体化的数字码来表达。这样，电脑、电话、电视可以结合在一起，从而把人们带入了一个声、文、图集成的应用领域。其中非常引人注目的就是数字式电视机的问世。1983年，数字式电视机由美国的数字电视公司研制成功。现在，美国部分城市已开播高清晰度数字电视节目，其清晰度要比现行电视高4—5倍。

正是在网络化和数字化技术突飞猛进的年代，美国政府捕捉住这个发展机遇，及时提出建设并实施信息高速公路的计划，从而最早进入了知识经济的新时代。

（二）关于生物技术

生物技术的内容很多，这里只简要地介绍基因技术。现代生物技术中的遗传工程有狭义和广义之分。基因技术，通常就是指狭义的遗传工程。广义的遗传工程则是指所有能改变生物体遗传性状的技术。自从1944年科学家证明染色体中的DNA才是生物体遗传信息的载体后，人们对基因的关注与日俱增。1953年发现了DNA的双螺旋结构。1973年研究并掌握了分割和拼接遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）的技术，标志着人类已进入可以控制遗传和生命过程的新时代。

随着人类对基因研究的不断深入，发现许多疾病是由基因结构与功能发生改变所引起的。所以基因治疗技术得到迅速发展。医学专家运用基因工程的技术方法，将正常的基因转入病患者的细胞中，以取代病变基因，或者通过关闭或降低异常表达的基因等途径，达到治疗的目的。由于癌症对人类的威胁，所以研究肿瘤的相关基因变得十分活跃，相继克隆和鉴定出众多与肿瘤发生发展有关的癌细胞和抑癌细胞。例如研究表明，约60%的癌症是与一种抑制肿瘤的基因P53有关，它能使癌细胞自我毁灭，可是当P53本身发生问题时，那就无法使癌细胞消失。这样的一种研究方法在当时是非常流行的。可是除P53外，还有哪些抗癌基因，致癌基因又有哪些，影响这些致癌和抗癌的基因又有哪些？要搞清这些问题，上述研究方法暴露出它的弱点：一是把一种疾病与一种或几种基因相对应的线性思维模式，很难把研究引向深入，投入巨资研究癌症问题并没有取得全面成功；二是疾病相关基因是通过相互作用（时空网络作用）参与发生发展的，上述研究方法难以搞清基因的网络作用。于是有科学家提出“整体性”研究模式，即基因组计划模式。正是在这场辩论中，美国政府抓住机遇，及时作出决策。这就是美国国会决定于1990年10月1日启动的HGP计划，为期15年，总投资为30亿美元。

基因组计划，属基础科学的范围。但它是基础技术和共性技术的基础，在这些技术基础上才能产生各种专有技术，所以这项研究对孕育基因专利，乃至国家基因资源的保护和利用，意义都十分重大。

在实施基因组计划过程中，1998年发生了一起突发事件。基因组成员文特儿建立了赛莱拉公司，扬言要在三年内公布基因图并保留一批基因专利，其目的是获取成果并迫使基因组计划下马，所以基因组领导决定加速提前完成。

正是在这个背景下，留学归来、号称“四大金刚”的中国科学院中青年专家毅然决定加入基因组计划，争取1%的测序份额。这是一个具有重要意义的战略决策。1999年7月以中国科学院遗传研究所人类基因中心的名义申请的计划，得到“国际测序俱乐部”批准注册。2000年6月26日，参加“人类基因组计划”的各国科学家分别以不同方式宣布人类基因组工作草图绘制完毕。各国领导人纷纷就此重大事件发表谈话。

（三）关于纳米技术

什么是纳米科技？纳米是指尺寸单位，即10－9米。一个氢原子直径为0．106纳米，金原子为0．3纳米。过去人们关注宏观世界、微观世界，现在开始关注1—100nm的中观世界。纳米科学是研究1—100nm内原子、分子和其他类型物质的运动和变化的新现象和新规律；在这一尺度范围内对原子、分子进行直接操纵并创造新的物质，包括新的材料、器件以及充分利用它们的特殊性能，这就是纳米技术。

20世纪80年代，人类实现了梦寐以求的两个目标，一是直接看到原子，一是按照人们的意志安排原子、分子。

纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜的发明为先导的。1981年美国IBM公司在瑞士的苏黎世实验室的G．Binning和H．Rohrer发明了这种测量仪器，简称STM。这是至今为止进行表面分析的最精密的仪器，可以直接观察到原子。它的横向分辨率达0．1nm，纵向分辨率达0．01nm。两位博士因发明了STM而于1986年获得诺贝尔物理学奖。隧道效应是量子力学中的微观粒子所具有的特征，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度时，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率。STM就是利用此效应而设计的测量仪器。

1989年美国加州的IBM研究室，利用STM，于低温下在Ni的表面上将35个氙（Xe）原子排布成最小的IBM商标。

纳米技术加工领域在20世纪90年代得到迅速发展。其中利用纳米刻蚀技术可以使电子技术中的刻线最细达到几分之一微米，即几百纳米，这对电子技术发展来说，意义是十分重大的。中科院化学所的白春礼研究员在研制出STM后，用其进行石墨表面刻蚀，刻出了线宽为10nm的“中国”字符。

这里还想谈一谈纳米材料与纳米科技的关系。如上所述，纳米科技涉及的领域非常广泛，最基本的有三个领域，即：纳米材料科学和技术；纳米电子学、光电子学及磁学；纳米医学和生物学。纳米材料是其中的一个重要组成部分。值得指出的是，纳米材料一方面为纳米科技的发展提供新材料这一物质基础，另一方面又在高新技术改造传统产业中发挥重要的作用，为许多传统产业的技术更新和产品升级提供了新的机遇。

纳米科技的重大突破，引起了世界各国的高度重视。2000年1月，时任美国总统克林顿发表了《国家纳米技术倡议》，提出要使纳米技术成为美国经济发展的另一助推器。在此以前，美国曾组织有十几个国家部门参加的纳米工作小组进行调查研究，得出的结论是：谁抢占了纳米技术的制高点，谁就抢占了21世纪经济发展的制高点。

对纳米技术产业化态势要有一个基本判断：总的来说，纳米科技的研究大部分还处在实验室阶段，离产业化尚有相当距离，许多成果估计要在一二十年后才能实现产业化。但纳米材料领域的情况大不相同。无论是生产或应用，许多技术已具备了产业化的条件，这就为我们提供了一个极好的发展机遇。

（四）当代信息技术、生物技术和纳米技术的相互渗透和互动发展

1．纳米技术是信息技术和生物技术进一步发展的共同基础

信息技术发展的基础是微电子技术，而大规模集成电路是微电子技术的核心。衡量微电子技术水平的主要标志是芯片的集成度，即一定尺寸的芯片能集成多少个晶体管，而这种集成度受制于微电子器件的极限线宽。目前半导体工业已采用193nm的光束制造元器件。如能使线宽达0．07微米（70纳米），那么制成的计算机，其计算能力可以提高上千倍，而所需功率仅为目前的百万分之一。

纳米医学和生物学的内容十分广泛。如心血管病变和管壁上沉积的胆固醇有密切关系。利用纳米技术可制造超微细的机器人，这种机器人，小到可以自如地进入人的血管，它能像清道夫一样去除管壁上的污垢。通过纳米微粒的磁性导航，可以把药物与磁性纳米粒子用微胶囊包裹后，通过外磁场作用，送到特定的病灶部位。

2．纳米技术和生物技术离不开信息技术

纳米技术离不开信息技术。没有信息技术的发展就不会有纳米技术的突破。以上所述的STM，就是由一个探针贴近材料表面，在针尖和材料间施加一小电压，从而产生电子在针尖和材料之间流动。让针尖在同一高度扫描材料表面，表面上那些“凹凸不平”的原子所造成的电流变化，通过高水平的计算机处理，才能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。所以，离开高水平的计算机，纳米技术将寸步难行。

同样，基因的分离、克隆、重组，都离不开计算机。可以认为，许多现代生物技术的发展，是建立在信息技术的基础上的。所以有人说，生物技术和信息技术的结合，将控制科学技术的发展轨迹。当我国在2000年初有了自己的超级服务器（一种高性能计算机）后，年底就有了两台“曙光”高性能计算机，其中一台运算速度可达每秒上千亿次，先后落户人类基因组中心。这充分说明，基因技术和信息技术是不可分离的。

3．信息技术和纳米技术发展离不开生物技术

在信息技术中，目前所传递的是以下四种信息：数字、文字、声音、图像。所谓数字化技术，就是把上述四种信息通过一体化的数字码来表达，并作为一种集成体由计算机来处理。但传递信息还有嗅觉、味觉、触觉、想象和直觉。而DNA是遗传信息的载体。这种信息载体的功能就要大得多。所以传递和处理嗅觉、味觉、触觉等等，就要依靠DNA计算机。因此，依靠基因技术，才能推进信息技术进一步发展。在不久的将来，以DNA为基础的计算机将会同以硅为基础的计算机进行有力的竞争。

纳米技术也离不开生物技术，尤其是基因技术的思维方法。纳米技术的先驱者之一埃里克·德雷克斯勒，当时还是麻省理工学院的学生，他就是从上世纪70年代的DNA重组热中得到启示的。这位青年学者指出，既然DNA可以自我复制和自我维修，那么我们为什么不能制造出成群的肉眼看不见的微型机器人，它们具有绝妙的自我复制和自我维修能力。

另外，生物体的运动行为为纳米技术提供了丰富的研究领域，像美国佛罗里达海龟以及常见的蜜蜂行为，都为纳米技术提供了非常生动的研究资料。

（五）当代科技革命的新态势

在上世纪七八十年代讨论新科技革命，人们不约而同地把目光聚焦在信息技术上。当今世界，信息技术仍处在生长期中，由于它的核心作用和带动作用，所以仍是最受人们关注的技术。但随着生物技术和纳米技术的兴起，当代科技革命的新态势就成为国际上讨论的一个热点问题。其中有一种代表性的观点，就是美国前众议院议长纽特·金里奇的判断。

金里奇用了一年半的时间，调查了国家航天局、斯坦福大学、麻省理工学院、全国科学基金会等单位。他的结论是：人类正处于两种伟大的科技变革期间。第一种变革是电脑和通讯方面的，第二种包括纳米技术、生物工程和基于超级电脑技术的通信。每种变革方式就其本身而言都极富影响力，但两种方式的相互交融必将使我们经历一种持续性的转型，经历一个又一个的技术突破和发明。按他的看法，后一种方式是更深刻的变革，与包括纳米技术、生物学和超级计算机的这次变革相比，电脑和电信革命只能称之为一个小兄弟。例如，我们可以制造出比现在所使用的电脑速度快10亿倍的量子计算机，强度是钢100倍的纳米碳管。

与此相联系的是未来的产业乃至整个经济的走势，成为人们关注的焦点。有一篇文章说：美国在20世纪50年代早期开始完成工业经济，接着进入信息经济时代，预计信息经济时代从开始到完成大约将持续75年到80年，到21世纪20年代末结束，接着将迎来下一个经济时代：生物经济时代。在生物经济完成它的形成阶段并在21世纪20年代最终进入成长阶段前，信息经济将进入成熟阶段。美国有一项预测认为，考虑到基因技术的强大渗透力，估计2025年的基因产业将占到美国国内生产总值的大约20%。

纳米技术的相关产业发展也极为迅速，尤其是它将猛烈地推动纺织、机械、塑料等几乎所有传统产业的普遍升级，其经济效益将不可估量。所以，在不久的将来，纳米经济将会同信息经济和生物经济一样，受到人们的高度关注。

（六）科技变革带来的机遇和挑战

科技的大变革将会给我们带来极好的发展机遇。历史经验证明，许多国家和地区就是因为在大变革中捕捉住机遇，从而实现技术的跨越进而导致经济的腾飞。上个世纪七八十年代，是信息技术大变革时期，一些国家和地区就是由于抓住了这个机遇从而实现了后来居上。在欧洲，芬兰的腾飞就是一个成功的范例。芬兰原是欧洲经济科技并不发达的国家，但由于抓住了这个机遇，它在较短时间内一跃成为最具国际竞争力的国家之一。

与此同时，也要清醒地看到科技的大变革将会给决策带来更大的风险，所以应更加重视技术选择工作。历史上因技术选择不当而导致决策失误的教训很多。要对这些案例作深入剖析，找出失误的原因，作为我们的借鉴。半个世纪前，半导体技术处在大发展时期，在半导体工业中究竟是选择硅还是选择锗作为主要原料，曾经是一个有争论的问题。贝尔实验室先是用锗，后来用硅制造了半导体晶体管。前苏联在20世纪50年代重点发展了锗管，不仅造成了重大经济损失，而且延误了苏联整个半导体工业的发展。电视节目的制作、传输和接收有两种方式，一种是模拟方式，一种是数字方式。使用模拟方式的叫模拟电视，使用数字方式的叫数字电视。模拟电视的特点是，电视上的图像是由许多小点组成，被称为像素的这些小点分得越细，电视上的图像就越清晰。从理论上看，像素可以越分越小，它的细分可以是无穷尽的。1983年，美国开始采用数字技术，但日本许多企业却陶醉在模拟技术上，以致失去了宝贵的时间，等醒过来再转向数字技术，造成的损失就很大。类似这些决策失误的事例不胜枚举，很值得我们高度警惕！

结束语

以上我们讨论了正在迅速发展中的三大技术，由于它们的相互渗透和互动发展，正在改变着技术变革的方式，以致孕育着全新的发展思路和全新的经济模式。如果三大技术再和认知科学融合，就是当前国际上最为关注的“会聚技术”。实际上，只要上述四大系统两两融合、三种会聚或者四者集成，都将产生难以估量的作用！

（在2004年浙江省科技局长学习班上的讲话提纲）