生物計算機
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中文名: 生物計算機 外文名: biological computer 別 名: 仿生計算機 創建時間: 1986年 |
生物計算機也稱仿生計算機，主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作為生物芯片來替代半導體硅片，利用有機化合物存儲數據。信息以波的形式傳播，當波沿着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計算機快10萬倍，它具有很強的抗電磁干擾能力，並能徹底消除電路間的干擾。能量消耗僅相當於普通計算機的十億分之一，且具有巨大的存儲能力。生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能，自動修復芯片上發生的故障，還能模仿人腦的機制等[1]
目錄
簡介
優點
1983年美國提出了生物計算機的概念。此後，各個發達國家開始研製生物計算機。 生物學家將仿生學運用到生物計算機領域，產生了生物化學分子構架生物計算機的觀點。生物計算機目前仍舊處於蓬勃興起階段，國內外正在積極地研製新型生物芯片。儘管生物計算機尚未有取得重大顛覆性的進展，甚至部分學者提出生物計算機目前出現的一系列缺點，例如遺傳物質的生物計算機受外界環境因素的干擾、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芯片上很難運行文本編輯器。但這些並不影響生物計算機這個存在巨大誘惑的領域的快速發展，隨着人類技術的不斷進步，這些問題終究會被解決，生物計算機商業化繁榮將到來。
生物計算機是全球高科技領域最具活力和發展潛力的一門學科，該種計算機涉及多種學科領域，包括計算機科學、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，並以此作為生物芯片。生物計算機芯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計算機快10萬倍，能量消耗僅相當於普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅占百億億分之一。生物計算機有很多優點，主要表現在以下幾個方面：
1. 體積小，功效高。
生物計算機的面積上可容納數億個電路，比目前的電子計算機提高了上百倍。同時，生物計算機，已經不再具有計算機的形狀，可 以隱藏在桌角、牆壁或地板等地方，同時發熱和電磁干擾都大大降低。
2. 生物計算機的芯片永久性與可靠性
生物計算機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，則即使芯片出了故障也能自我修復。（這是生物計算機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，因此生物計算機擁有生物特性。生物計算機不再像電子計算機那樣，芯片損壞後無法自動修復，生物計算機能夠發揮生物調節機能，自動修復受損芯片。因此，生物計算機可靠性非常高，不易損壞，即使芯片發生故障，也可以自動修復。因此，生物計算機芯片具有一定的永久性。
3. 生物計算機的存儲與並行處理
生物計算機在存儲方面與傳統電子學計算機相比具有巨大優勢。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 盤存儲器的1000億到10000億倍。生物計算機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計算機並行操作。尤其是生物神經計算機，具備很好的並行式分布式存儲記憶，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，真正實現智能。
生物計算機傳輸數據與通訊過程簡單，其並行處理能力可與超級電子計算機媲美，通過DNA分子鹼基不同的排列次序作為計算機的 原始數據，對應的酶通過生物化學變化對DNA鹼基進行基本操作，能夠實現電子學計算機的各種功能。
生物計算機中含有大量遺傳物質工具，能夠同時進行上百萬次計算。傳統電子計算機是以電流速度逐個檢驗所有可能的解決方案，生物計算機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。電子計算機相當於有一串鑰匙，一次用一把鑰匙開鎖，生物計算機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計算機快100萬倍。生物計算機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，生物計算機具有廣闊前景。
4.發熱與信號干擾
生物計算機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；只需要很少的能量就可以工作了，因此，不會像電子計算機那樣，工作一段時間後，機體會發熱，而生物計算機的電路間也沒有信號干擾。
5.數據錯誤率
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。這種互補性是生物計算機具備獨特優勢。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。雙螺旋結構相當於計 算機硬盤RAID1陣列，一塊硬盤位另一塊硬盤的鏡像，當第一塊硬盤破壞時，可通過第二塊硬盤進行數據修復。生物計算機自身具 備修改錯誤特性，因此，生物計算機數據錯誤率較低。
缺點
生物計算機作為即將完善的新一代計算機，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。一種生物計算機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。這也是目前生物計算機沒有普 及的最主要原因。
種類
生物分子或超分子芯片
立足於傳統計算機模式，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、超分子生物芯片的結構與功能做了大量的研究與開發。「生物化學電路」 即屬於此。
自動機模型
以自動理論為基礎，致力與尋找新的計算機模式，特別是特殊用途的非數值計算機模式。目前研究的熱點集中在基本生物現象的類比，如神經網絡、免疫網絡、細胞自動機等。不同自動機的區別主要是網絡內部連接的差異，其基本特徵是集體計算，又稱集體主義，在非數值計算、模擬、識別方面有極大的潛力。
仿生算法
以生物智能為基礎，用仿生的觀念致力於尋找新的算法模式，雖然類似於自動機思想，但立足點在算法上，不追求硬件上的變化。
生物化學反應算法
立足於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計算機屬於此類。
細胞計算機
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、信號傳導網絡等，對細胞進行系統生 物工程（system bio-engineering）改造與重編程序，可以做複雜的計算與信息處理，細胞計算機又稱為濕計算機（wet computer），目前的計算機是干計算機（dry computer）。
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能（genomic intelligence)人工編制基因程序，重新設 計細胞內複雜生物分子相互作用網絡，使細胞成為人工生命系統（artificial biosystem），並在線公布了人工設計細胞內分子電路系統的概念圖，以之區別於「artificial life」，從而提出計算機仿生學、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塊、細胞器、基因群設計細胞並設計細胞信號通訊的生物計算機模型，從而拓展了多元細胞計算機與層次的概念。生物計算機研究與開發成為現代合成生物學的重要內容。
發展進程
生物計算的早期構想始於1959年，諾貝爾獎獲得者Feynman提出利用分子尺度研製計算機；
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、晶體管的通導或截止、電壓的高或低、脈衝信號的有或無等等。經過特殊培養後製成的生物芯片可作為一種新型高速計算機的集成電路。
1994年，圖靈獎獲得者Adleman提出基於生化反應機理的DNA計算模型；
在生物計算機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-着色全 部求解出來，其算法複雜度為，而此搜索次數，即使是當今最快的超級電子計算機，也需要13 217年方能完成，該結果似乎預示着生物計算機時代即將來臨。
其主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作為生物芯片。生物芯片比硅芯片上的電子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然獨特的立體化結構，其密度要比平面型的硅集成電路高五個數量級。讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進行化學 反應就能使生物計算機同時運行幾十億次。生物計算機芯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計算機更快。生物芯片一旦出現故障，可以進行自我修復，所以具有自愈能力。生物計算機具有生物活性，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，生物計算機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、發明的最理想的夥伴。另外，由於生物芯片內流動電子間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計算機的能耗極小。
2021年3月，西班牙龐培·法布拉大學的一支研究小組設計了「生物計算機」，能夠在紙片上打印細胞。
仿生應用
人類有一門學科叫仿生學，即通過對自然界生物特性的研究與模仿，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，使飛機在最複雜的急轉彎時也萬無一失；對蝙蝠沒有視力，靠發出超聲波來定向飛行的特性研究，製造出了雷達、超聲波定向儀等；對「變色龍」的研究，產生了隱身科學和保護色的應用……
仿生學同樣可應用到計算機領域中。
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，用來作為元件製成計算機。科學家把這種計算機叫做生物計算機。
生物計算機主要是以生物電子元件構建的計算機。它利用蛋白質有開關特性，用蛋白質分子作元件從而製成的生物芯片。其性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關速度來決定的。用蛋白質製成的計算機芯片，它的一個存儲點只有一個分子大小，所以它的存儲容量可以達到普通計算機的十億倍。由蛋白質構成的集成電路，其大小隻相當於硅片集成電路的十萬分之一。而且運行速度更快，只有1×10^(-11)秒，大大超過人腦的思維速度。
關鍵因素
正如人類基因組計劃給予我們的啟示一樣，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硅晶片。 目前，電腦科學家正致力於研發基因超級電腦，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，很可能比硅晶片更強。一般而言，1毫克DNA的存儲功能大約相當 於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里可以儲存比常規存儲芯片多的數據，試管狀的生物計算機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，因此生物計算機能同時進行數千次甚至上百萬次計算。對於生物計算機將來的用途，研究人員有種種設想。其中一項就是讓它代替人進行新藥物臨床試驗，它通過運算可以模擬人體的多種變化情況，只要把藥品的成分描述輸入生物計算機，就會得出反應結果。
研究方向
生物計算機是人類期望在21世紀完成的偉大工程。是計算機世界中最年輕的分支。目前的研究方向大致是兩個：一是研製分子計算機，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，再構想生物計算機的結構。
新型產品
據美國國家地理雜誌報道，最新研製的新型生物計算機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)的克里斯蒂娜·斯默爾克(Christina Smolke)是該研究的合着作者之一，他指出，像這樣的生物計算機有朝一日可使人類直接控制生物學計算系統。該研究將發表在2008年10月17日出版的《科學》雜誌上。生物計算機最終將具有智能，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制「智能藥物」。斯默爾克說，「如果探測到某種疾病，一種智能藥物能夠從一個細胞環境中採樣，並形成自防禦序列結構。」
這種新型生物計算機包括着裝配在酵母細胞中的工程RNA片斷，RNA是類似於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，生物計算機的「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計算機很可能捆綁着兩種不同的分子，如果兩種不同分子附着在一起，將導致出現生物計算機的外形變化。改變形 狀後的生物計算機對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計算機的不同部 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。」自然界傾向於形成複雜的分子結構，而這些複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着困難，但是這種生物計算機卻具有較高的效率，在日後的研究中將逐漸成熟。
許多科學家認為生物計算機不太可能超越或者匹配現今的電子計算機。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計算機快速運行微軟Windows系統，或者運行Wii遊戲。」與眾不同的是，生物計算機能 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計算機的應用領域。之前的RNA計算機並不是很複雜。
以色列魏茲曼學院(Weizmann Institute of Science)的計算機科學家兼生物計算機學家埃胡德·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建立了一個生物計算機，可工作在試管之中，並執行一些簡單的數 學運算。
但是沙皮羅的生物計算機不同於目前最新的RNA計算機，他的試管分子計算機很容易受到外界環境的影響和干擾。沙皮羅說，「斯 默爾克的最新研究顯示新型生物計算機可實現分子在細胞內的運行。」他期望未來RNA計算機能夠代替由蛋白質製造的複雜裝置， 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。