生物计算机

来自计算思维百科
跳转至: 导航搜索

所谓生物计算机(Biological Computer)是指用生物芯片制成的计算机,这种生物芯片是由蛋白质和其他有机物质的分子组成,它是以分子电子学为基础研制的一种新型计算机。

基本概念

根据摩尔定律,传统计算机中的逻辑电路逐渐接近性能极限,再加上电子计算机在计算能力等方面存在的局限性,科学家期待并开始寻找新的计算模型来代替传统的电子计算,其中生物计算机因其极高的并行性与极低的能耗量而受到极大的青睐。

所谓生物计算机(Biological Computer)是指用生物芯片制成的计算机,这种生物芯片是由蛋白质和其他有机物质的分子组成,它是以分子电子学为基础研制的一种新型计算机。

研究动向

20世纪80年代中期,随着现代生物技术的发展,科学家把实现芯片更高集成度的希望转向了分子生物学方向。

在过去的半个多世纪中,分子生物学的兴起和发展,将生命现象分解成大量基因和蛋白质的组成。英国剑桥大学研究发现了“生物电路”,一些蛋白质的主要功能不是构成生物的某些结构,而是用于传输和处理信息。他们对一种细菌中的蛋白质进行研究发现,细菌内部存在着由蛋白质构成的信息处理网络,该网络可根据分子密度和形状等变化传递和处理信息,并根据接收到的信息来驱使细菌游向营养物质所在的地方。美国斯坦福大学的科学家在细菌中也发现了“生物电路”,并在生物利用能量糖酵解过程中发现了逻辑运算现象,找到了有关的蛋白“逻辑门”。

1995年,来自世界各国的200余名科学家共同探讨了DNA(脱氧核糖核酸)计算机的可行性,认为DNA分子间在酶的作用下可以从某种基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码,转变前的基因代码可以作为输入数据,反应后的基因代码则可作为运算结果。利用这一过程可以制成新型的生物计算机。

美国科学家于1999年7月宣布,借助活的蚂蝗神经细胞初步制成了一台生物计算机。该机能进行简单的加法运算。由美国佐治亚理工学院科学家研制的这台生物计算机,主要利用蚂蝗神经细胞的自我组织功能来进行信息处理,而不是像传统计算机那样通过预编程序的方法。

美国普林斯顿大学开发的RNA(核糖核酸)计算机实际上是一个含有1024种不同的RNA链的试管。用它来计算出一个国际象棋棋盘上摆放棋子的数学问题,算出43个正确答案。去年以色列科学家研制成功了一种由DNA分子和酶分子构成的微型生物计算机,其大小仅是一滴水的一万亿分之一。这种计算机的结构和运算原理与目前的电子计算机完全不相同,但它同样能够接收输人的信息,并在处理后输出。与以往研制的一些DNA计算机不同的是,它能够自动进行运算,不需要人工干预。

生物计算机的研制涉及到多门学科,要求微电子学家、计算机专家、生物学家、化学家、医学家、遗传学家和分子生物学家等相互结合、共同努力才能取得突破性的进展。生物计算机的研制在一定程度也反映了一个国家科技发展的水平,所以世界上不少国家都投人了相当力量和资金竞相研究与开发。

生物芯片

现在科学家们已经研制出了生物计算机的核心部件,即生物芯片。比如合成蛋白质芯片、血红素芯片,赖氨酸芯片等。生物芯片又称基因芯片,或DNA芯片,其基本结构大致是:生物芯片的基质一般是经过处理后的玻璃片,每个芯片的基质面上都可划分出数百甚至数百万个小区,在指定的小区内可固定大量具有特定功能、长约20个碱基组成的核酸分子,也叫分子探针。

由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列,所以利用分子交错及平行处理原理,DNA芯片可以对遗传物质进行分子检测。因此,生物芯片可用于研究基因功能、法医、疾病检测、药物筛选等。而目前这一技术所派生出来的蛋白质芯片则是生物计算机的基本结构单元,如图1所示:

8.3.5.png


图1 生物芯片

在整个生物界大约存在着100亿种不同的蛋白质,但能满足生物芯片制作要求的蛋白质材料则不多。因此,生物学家除了直接利用自然界提供的不同类型蛋白质来制造生物芯片外,还要研究适合于生物计算机装配所需的人工合成蛋白质。20世纪80年代以来,分子生物学家和有机化学家已经共同研究合成了几种人造蛋白质。这些人造蛋白质在导电性能方面有导体和半导体的作用,因此分别被称作生物导体和生物半导体。据有关报道,美国已经合成了生物半导体材料(OH)x和生物导体材料(SN)x。这为人工制造用于生物计算机的实用化生物芯片创造了条件。

特点

生物计算机的特点集中在生物芯片上,因此它具有以下几个主要特点。

强大的记忆功能

由于生物芯片的一个存储点只有一个分子的大小,所以具有无数个存储点的整个生物芯片其记忆功能是十分强大的。有资料显示,生物计算机的记忆功能将是传统计算机的上亿倍。

运算速度快

由于生物芯片具有快速处理信息的能力,所以生物计算机的运算速度相当快。有报道称,它将是传统计算机运算速度的10万倍。

能耗低

因为一个蛋白质分子就可作为一个存储体,且蛋白质是有机物,其阻抗很低,故能耗很小,能较好地解决散热问题。有资料显示,生物计算机的能耗仅相当于传统计算机的十分之一。这就可以摆脱传统半导体芯片散热难的困扰,从而克服了长期以来硅集成电路制作工艺复杂、能耗大等弊端。

具有自愈特性

生物芯片是有机物,能发挥生物本身的调节机能,自动修复芯片发生的故障,因而将成为一种半永久性的器件,所以生物计算机具有自愈特性。

具有模仿人脑的思考机制

因为生物芯片具有生物活性,因而可与人体的组织有机地结合在一起,特别是能够与大脑的神经系统相连,使人的有机体与生物芯片器件的接口自然吻合。这样,生物计算机就可直接受人脑的指挥,成为人脑的辅助装置或扩充部分,并能由人体细胞吸收营养补充能量,不需外接能源。

具有超高密度

这是因为蛋白质分子比硅芯片的电子元件小得多,其直径大约是20nm,所以用它做成的芯片每平方毫米就可以装上十亿个门电路。如果把这些生物分子相互重叠连接,就可以得到每立方毫米含有上百亿个门电路的立体生物芯片。

生物计算机的类型

生物分子或超分子芯片

立足于传统计算机模式,从寻找高效、体微的电子信息载体及信息传递体入手,目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物芯片的结构与功能做了大量的研究与开发,“生物化学电路”即属于此。

自动机模型

以自动理论为基础,致力与寻找新的计算模式,尤其是特殊用途的非数值计算模式。目前研究的热点集中在基本生物现象的类比,如神经网络、免疫网络、细胞自动机等。不同自动机的区别主要是网络内部连接的差异,其基本特征是集体计算,在非数值计算、模拟、识别方面有极大的潜力。

仿生算法

以生物智能为基础,用仿生的观念致力于寻找新的算法模式,虽然类似于自动机思想,但立足点在算法上,不追求硬件上的变化。

生物化学反应算法

立足于可控的生物化学反应或反应系统,利用小容积内同类分子高拷贝数的优势,追求运算的高度并行,从而提高运算的效率。DNA计算机属于此类。

研究方向

生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程,是计算机领域中最年轻的分支学科。目前的研究方向大致是两个:一是研制分子计算机,即制造有机分子元件去替代半导体逻辑元件和存储元件;另一方面是深入研究人脑结构和思维规律,再构想生物计算机的结构。尽管一些生物计算机的雏形已有不少成功的报道,但科学家们普遍认为,由于成千上万个原子组成的生物大分子非常复杂,其难度非常大,因此要研制出实用化的生物计算机还有很长的路要走。