生物電腦

生物電腦

生物電腦也稱仿生電腦,主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子,並以此作為生物晶片來替代半導體矽片,利用有機化合物存儲資料。信息以波的形式傳播,當波沿著蛋白質分子鏈傳播時,會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。運算速度要比當今最新一代電腦快10萬倍,它具有很強的抗電磁幹擾能力,並能徹底消除電路間的幹擾。能量消耗僅相當于普通電腦的十億分之一,且具有巨大的存儲能力。生物電腦具有生物體的一些特點,如能發揮生物本身的調節機能,自動修復晶片上發生的故障,還能模仿人腦的機製等

  • 中文名稱
    生物電腦
  • 外文名稱
     biological computer
  • 建立時間
    1986年
  • 別    稱
    仿生電腦

簡介

生物電腦是以核酸分子作為"資料",以生物酶及生物操作作為信息處理工具的一種新穎的電腦模型。生物計算的早期構想始于1959年,諾貝爾獎得主Feynman提出利用分子尺度研製電腦;20世紀70年代以來,人們發現脫氧核糖核酸(DNA)處在不同的狀態下,可產生有信息和無信息的變化。科學家們發現生物元件可以實現邏輯電路中的0與1、電晶體的通導或截止、電壓的高或低、脈沖信號的有或無等等。經過特殊培養後製成的生物晶片可作為一種新型高速電腦的積體電路。1994年,圖靈獎得主Adleman提出基于生化反應機理的DNA計算模型;在生物電腦方面突破性工作是北京大學在2007年提出的並行型DNA計算模型,將具有61個頂點的一個3-色圖的所有48個3-著色全部求解出來,其演算法復雜度為,而此搜尋次數,即使是當今最快的超級電子電腦,也需要13 217年方能完成,該結果似乎預示著生物電腦時代即將來臨。

其主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子,並以此作為生物晶片。生物晶片比矽晶片上的電子元件要小很多,而且生物晶片本身具有天然獨特的立體化結構,其密度要比平面型的矽積體電路高五個數量級。讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進行化學反應就能使生物電腦同時運行幾十億次。生物電腦晶片本身還具有並行處理的功能,其運算速度要比當今最新一代的電腦更快。生物晶片一旦出現故障,可以進行自我修復,所以具有自愈能力。生物電腦具有生物活性,能夠和人體的組織有機地結合起來,尤其是能夠與大腦和神經系統相連。這樣,生物電腦就可直接接受大腦的綜合指揮,成為人腦的輔助裝置或擴充部分,並能由人體細胞吸收營養補充能量,因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內,成為幫助人類學習、思考、創造、發明的最理想的伙伴。另外,由于生物晶片內流動電子間碰撞的可能極小,幾乎不存在電阻,所以生物電腦的能耗極小。

優點

1983年美國提出了生物電腦的概念。此後,各個發達國家開始研製生物電腦。 生物學家將仿生學運用到生物電腦領域,產生了生物化學分子構架生物電腦的觀點。生物電腦目前仍舊處于蓬勃興起階段,國內外正在積極地研製新型生物晶片。盡管生物電腦尚未有取得重大顛覆性的進展,甚至部分學者提出生物電腦目前出現的一系列缺點,例如遺傳物質的生物電腦受外界環境因素的幹擾、計算結果無法檢測、生物化學反應無法保證成功率等,此外,以蛋白質分子為主的晶片上很難運行文本編輯器。但這些並不影響生物電腦這個存在巨大誘惑的領域的快速發展,隨著人類技術的不斷進步,這些問題終究會被解決,生物電腦商業化繁榮將到來。

生物電腦是全球高科技領域最具活力和發展潛力的一門學科,該種電腦涉及多種學科領域,包括電腦科學、腦科學、分子生物學、生物物理、生物工程、電子工程等有關學科。它的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子,並以此作為生物晶片。生物電腦晶片本身還具有並行處理的功能,其運算速度要比當今最新一代的電腦快10萬倍,能量消耗僅相當于普通電腦的十億分之一,存儲信息的空間僅佔百億億分之一。生物電腦有很多優點,主要表現在以下幾個方面:

1. 體積小,功效高。

生物電腦的面積上可容納數億個電路,比目前的電子電腦提高了上百倍。同時,生物電腦,已經不再具有電腦的形狀,可以隱藏在桌角、牆壁或地板等地方,同時發熱和電磁幹擾都大大降低。

2. 生物電腦的晶片永久性與可靠性

生物電腦具有永久性和很高的可靠性。若能使生物本身的修復機製得到發揮,則即使晶片出了故障也能自我修復。(這是生物電腦極其誘人的潛在優勢)蛋白質分子可以自我組合,能夠新生出微型電路,具有活性,因此生物電腦擁有生物特徵。生物電腦不再像電子電腦那樣,晶片損壞後無法自動修復,生物電腦能夠發揮生物調節機能,自動修復受損晶片。因此,生物電腦可靠性非常高,不易損壞,即使晶片發生故障,也可以自動修復。因此,生物電腦晶片具有一定的永久性。

3. 生物電腦的存儲與並行處理

生物電腦在存儲方面與傳統電子學電腦相比具有巨大優勢。一克DNA存儲信息量可與一萬億張CD相當,存儲密度是通常使用磁碟存儲器的1000億到10000億倍。生物電腦還具有超強的並行處理能力,通過一個狹小區域的生物化學反應可以實現邏輯運算,數百億個DNA分子構成大批DNA電腦並行操作。尤其是生物神經電腦,具備很好的並行式分散式存儲記憶,廣義容錯能力。在處理玻爾茲曼自動機模型和一些非數值型問題時表現出巨大潛力。真正擺.脫馮諾依曼模型,真正實現智慧型。

生物電腦傳輸資料與通訊過程簡單,其並行處理能力可與超級電子電腦媲美,通過DNA分子鹼基不同的排列次序作為電腦的原始資料,對應的酶通過生物化學變化對DNA鹼基進行基本操作,能夠實現電子學電腦的各種功能。

生物電腦中含有大量遺傳物質工具,能夠同時進行上百萬次計算。傳統電子電腦是以電流速度逐個檢驗所有可能的解決方案,生物電腦同時處理各分子庫中的所有分子,無需按照次序分析可能的答案。電子電腦相當于有一串鑰匙,一次用一把鑰匙開鎖,生物電腦在開鎖時一次用幾百萬把鑰匙,其計算速度也將比現有超級電腦快100萬倍。生物電腦運算次數可高達每秒或更高,進一步研製並結合其它高新技術,生物電腦具有廣闊前景。

4.發熱與信號幹擾

生物電腦的元件是由有機分子組成的生物化學元件,它們是利用化學反應工作的,所以;隻需要很少的能量就可以工作了,因此,不會像電子電腦那樣,工作一段時間後,機體會發熱,而生物電腦的電路間也沒有信號幹擾。

5.資料錯誤率

DNA鏈的另一個重要性質是雙螺旋結構,A鹼基與T鹼基、C鹼基與G鹼基形成鹼基對。每個DNA序列有一個互補序列。這種互補性是生物電腦具備獨特優勢。如果錯誤發生在DNA某一雙螺旋序列中,修改酶能夠參考互補序列對錯誤進行修復。雙螺旋結構相當于電腦硬碟RAID1陣列,一塊硬碟位另一塊硬碟的鏡像,當第一塊硬碟破壞時,可通過第二塊硬碟進行資料修復。生物電腦自身具備修改錯誤特徵,因此,生物電腦資料錯誤率較低。

缺點

生物電腦作為即將完善的新一代電腦,其優點是十分明顯的。但它也有自身難以克服的缺點。其中最主要的便是從中提取信息困難。一種生物電腦24小時就完成了人類迄今全部的計算量,但從中提取一個信息卻花費了1周。這也是目前生物電腦沒有普及的最主要原因。

種類

生物分子或超分子晶片

立足于傳統電腦模式,從尋找高效、體微的電子信息載體及信息傳遞體入手,目前已對生物體內的小分子、大分子、超分子生物晶片的結構與功能做了大量的研究與開發。"生物化學電路" 即屬于此。

自動機模型

以自動理論為基礎,致力與尋找新的電腦模式,特別是特殊用途的非數值電腦模式。目前研究的熱點集中在基本生物現象的類比,如神經網路、免疫網路、細胞自動機等。不同自動機的區別主要是網路內部連線的差異,其基本特征是集體計算,又稱團隊精神,在非數值計算、模擬、識別方面有極大的潛力。

仿生演算法

以生物智慧型為基礎,用仿生的觀念致力于尋找新的演算法模式,雖然類似于自動機思想,但立足點在演算法上,不追求硬體上的變化。

生物化學反應演算法

立足于可控的生物化學反應或反應系統,利用小容積內同類分子高拷貝數的優勢,追求運算的高度並行化,從而提供運算的效率。DNA電腦屬于此類。

細胞電腦

採用系統遺傳學(system genetics)原理、合成生物技術,人工設計與合成基因、基因鏈、信號傳導網路等,對細胞進行系統生物工程(system bio-engineering)改造與重編程式,可以做復雜的計算與信息處理,細胞電腦又稱為濕電腦(wet computer),目前的電腦是幹電腦(dry computer)。

生物電腦生物電腦

1994年中科院曾邦哲發表系統生物工程的基因組藍圖設計與生物機器裝配、生物分子電腦與細胞仿生工程等仿生學與基因工程的整合概念。中科院曾邦哲(曾傑)1999年提出把遺傳信息系統看作基因組智慧型(genomic intelligence)人工編製基因程式,重新設計細胞內復雜生物分子相互作用網路,使細胞成為人工生命系統(artificial biosystem),並線上公布了人工設計細胞內分子電路系統的概念圖,以之區別于"artificial life",從而提出電腦仿生學、基因工程的細胞分子機器的設計與裝配研究,2002年在德國提出分子模組、細胞器、基因群設計細胞並設計細胞信號通訊的生物電腦模型,從而拓展了多元細胞電腦與層次的概念。生物電腦研究與開發成為現代合成生物學的重要內容。

仿生套用

人類有一門學科叫仿生學,即通過對自然界生物特徵的研究與模仿,來達到為人類社會更好地服務的目的。典型的例子如,通過研究蜻蜓的飛行製造出了直升機;對青蛙眼睛的表面"視而不見",實際"明察秋毫"的認識,研製出了電子蛙眼;對蒼蠅飛行的研究,仿製出一種新型導航儀--振動陀螺儀,它能使飛機和火箭自動停止危險的"跟頭"飛行,當飛機強烈傾斜時,能自動得以平衡,使飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失;對蝙蝠沒有視力,靠發出超音波來定向飛行的特徵研究,製造出了雷達、超音波定向儀等;對"變色龍"的研究,產生了隱身科學和保護色的套用……

仿生學同樣可套用到電腦領域中。

科學家通過對生物組織體研究,發現組織體是由無數的細胞組成,細胞由水、鹽、蛋白質和核酸等有機物組成,而有些有機物中的蛋白質分子像開關一樣,具有"開"與"關"的功能。因此,人類可以利用遺傳工程技術,仿製出這種蛋白質分子,用來作為元件製成電腦。科學家把這種電腦叫做生物電腦。

生物電腦主要是以生物電子元件構建的電腦。它利用蛋白質有開關特徵,用蛋白質分子作元件從而製成的生物晶片。其性能是由元件與元件之間電流啓閉的開關速度來決定的。用蛋白質製成的電腦晶片,它的一個存儲點隻有一個分子大小,所以它的存儲容量可以達到普通電腦的十億倍。由蛋白質構成的積體電路,其大小隻相當于矽片積體電路的十萬分之一。而且運行速度更快,隻有1×10^(-11)秒,大大超過人腦的思維速度。

關鍵因素

正如人類基因組計畫給予我們的啓示一樣,DNA(脫氧核糖核酸)的資料儲存及運算能力可能遠遠超過目前電腦所使用的矽晶片。目前,電腦科學家正致力于研發基因超級電腦,用以建構以DNA為基礎的資訊科技新世紀。DNA又稱為脫氧核糖核酸,使細胞核中攜帶生物生長指令的遺傳物質。DNA擁有不可思議的資料存儲功能,很可能比矽晶片更強。一般而言,1毫克DNA的存儲功能大約相當于1萬片的光碟片,更為不可思議的是,DNA還具有在同一時間處理數兆個運算指令的能力。研究者指出,將生命活動的指令進行編碼的遺傳分子DNA和RNA裏可以儲存比常規存儲晶片多的資料,試管狀的生物電腦中含有大量的遺傳物質片斷,每一個片斷就是一個微型計算工具,因此生物電腦能同時進行數千次甚至上百萬次計算。對于生物電腦將來的用途,研究人員有種種構想。其中一項就是讓它代替人進行新葯物臨床試驗,它通過運算可以模擬人體的多種變化情況,隻要把葯品的成分描述輸入生物電腦,就會得出反應結果。

DNADNA

研究方向

生物電腦是人類期望在21世紀完成的偉大工程。是電腦世界中最年輕的分支。目前的研究方向大致是兩個:一是研製分子電腦,即製造有機分子元件去代替目前的半導體邏輯元件和存儲元件;另一方面是深入研究人腦的結構、思維規律,再構想生物電腦的結構。

新型產品

據美國國家地理雜志報道,最新研製的新型生物電腦可讓科學家對分子進行"編程",並由活細胞執行"命令"。

美國加州理工學院(California Institute of Technology)的克裏斯蒂娜·斯默爾克(Christina Smolke)是該研究的合著作者之一,他指出,像這樣的生物電腦有朝一日可使人類直接控製生物學計算系統。該研究將發表在2008年10月17日出版的《科學》雜志上。生物電腦最終將具有智慧型,從細胞中生成生物燃料,比如:可以實現在某種特殊狀況下有效控製"智慧型葯物"。斯默爾克說,"如果探測到某種疾病,一種智慧型葯物能夠從一個細胞環境中採樣,並形成自防御序列結構。"

分子在酵母細胞中分子在酵母細胞中

這種新型生物電腦包括著裝配在酵母細胞中的工程RNA片斷,RNA是類似于DNA的一種生物分子,它可以編碼遺傳基因信息,比如:如何製造多樣化的蛋白質。從計算工程角度來講,生物電腦的"輸入"是分子漂浮在細胞內;"輸出"是蛋白質產物的變化。舉個例子,RNA電腦很可能捆綁著兩種不同的分子,如果兩種不同分子附著在一起,將導致出現生物電腦的外形變化。改變形狀後的生物電腦對DNA進行捆綁時,將直接影響基因表達,並減緩蛋白質製造。

這些蛋白質將以不同方式影響細胞,比如:如果這些細胞是癌細胞,蛋白質將會把癌細胞殺死。研究小組設計RNA電腦的不同部分可進行模件組成,因此這些組件可混合匹配組裝。

斯默爾克說,"依據我們不同的組合方式,將實現不同的效應。"自然界傾向于形成復雜的分子結構,而這些復雜的分子卻能夠實現非凡的獨立性功能。建立一些可互換性組件執行多樣化計算功能存在著困難,但是這種生物電腦卻具有較高的效率,在日後的研究中將逐漸成熟。

許多科學家認為生物電腦不太可能超越或者匹配現今的電子電腦。美國普林斯頓大學電子工程師兼分子生物學家羅恩·韋斯(Ron Weiss)說,"它們並不能像我們日常的電腦快速運行微軟Windows系統,或者運行Wii遊戲。"與眾不同的是,生物電腦能夠潛在地修補或直接影響細胞進程。

韋斯稱,它基本上採用一種"細胞語言",這項最新研究將拓展生物電腦的套用領域。之前的RNA電腦並不是很復雜。

以色列魏茲曼學院(Weizmann Institute of Science)的電腦科學家兼生物電腦學家埃胡德·沙皮羅(Ehud Shapiro)並未參與斯默爾克的研究,在此之前,他帶領的研究小組成功地使用DNA建立了一個生物電腦,可工作在試管之中,並執行一些簡單的數學運算。

但是沙皮羅的生物電腦不同于目前最新的RNA電腦,他的試管分子電腦很容易受到外界環境的影響和幹擾。沙皮羅說,"斯默爾克的最新研究顯示新型生物電腦可實現分子在細胞內的運行。"他期望未來RNA電腦能夠代替由蛋白質製造的復雜裝置,蛋白質是目前我們所知的自然界最有效的裝置,我們知道如何讓RNA分子執行簡單的任務,卻不知道它們是如何驅動蛋白質的。這將是今後重要研究的一個目標。

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