生物計(jì)算機(jī)

常　紅

目前，計(jì)算機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)日益成熟。然而晶體管的密度已接近當(dāng)前技術(shù)的理論極限，發(fā)展空間似乎越來(lái)越小，因此人們不斷尋找新的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)高集成度，使計(jì)算機(jī)得到進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了分子生物學(xué)方面，并借鑒生物界的各種處理問(wèn)題的方式(生物算法)，提出了一些生物計(jì)算機(jī)的模型。

在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)中，分子生物學(xué)將生命現(xiàn)象分解成大量基因和蛋白質(zhì)的組成。英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，英國(guó)劍橋大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了“生物電路”。他們對(duì)一種細(xì)菌中的蛋白質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌內(nèi)部存在著由蛋白質(zhì)構(gòu)成的信息處理網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)分子密度和形狀等性質(zhì)的變化傳遞和處理信息，并根據(jù)接收到的信息而驅(qū)使細(xì)菌游向營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所在的地方。同樣，美國(guó)斯坦福大學(xué)的專(zhuān)家在細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了“生物電路”，并在生物利用能量糖酵解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了-邏輯運(yùn)算現(xiàn)象，找到了有關(guān)的“邏輯門(mén)”。因此，人類(lèi)可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白質(zhì)分子，用來(lái)作為元件制成計(jì)算機(jī)。

上世紀(jì)70年代以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處在不同的狀態(tài)下，可產(chǎn)生有信息和無(wú)信息的變化。聯(lián)想到邏輯電路中的0與1、晶體管的通導(dǎo)或截止、電壓的高或低、脈沖信號(hào)的有或無(wú)等等，科學(xué)家們激發(fā)了研制生物元件的靈感。在此基礎(chǔ)上，1995年，來(lái)自世界各國(guó)的200多位有關(guān)專(zhuān)家共同探討了DNA計(jì)算機(jī)的可行性，認(rèn)為DNA分子間在酶的作用下通過(guò)生物化學(xué)反應(yīng)可以從某種基因代碼轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼，轉(zhuǎn)變前的基因代碼可以作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可以作為運(yùn)算結(jié)果。利用這一過(guò)程也可以制成新型的生物計(jì)算機(jī)。

生物計(jì)算機(jī)目前主要有以下幾類(lèi)：

生物分子或超分子芯片：立，足于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(duì)生物體內(nèi)的小分子、大分子、超分子生物芯片的結(jié)構(gòu)與功能做了大量的研究與開(kāi)發(fā)?！吧锘瘜W(xué)電路”即屬于此。

自動(dòng)機(jī)模型：以自動(dòng)理論為基礎(chǔ)，致力于尋找新的計(jì)算機(jī)模式，特別是特殊用途的非數(shù)值計(jì)算機(jī)模式。目前研究的熱點(diǎn)集中在基本生物現(xiàn)象的類(lèi)比，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)等。不同自動(dòng)機(jī)的區(qū)別主要是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接的差異，其基本特征是集體計(jì)算，又稱(chēng)集體主義，在非數(shù)值計(jì)算、模擬、識(shí)別方面有極大的潛力。

仿生算法：以生物智能為基礎(chǔ)，用仿生的觀(guān)念致力于尋找新的算法模式，雖然類(lèi)似于自動(dòng)機(jī)思想，但立足點(diǎn)在算法上，不追求硬件上的變化。

生物化學(xué)反應(yīng)算法：立足于可控的生物化學(xué)反應(yīng)或反應(yīng)系統(tǒng)，利用小容積內(nèi)同類(lèi)分子高拷貝數(shù)的優(yōu)勢(shì)，追求運(yùn)算的高度并行化，從而提高運(yùn)算的效率。DNA計(jì)算機(jī)屬于此類(lèi)。

生物計(jì)算機(jī)主要是以生物電子元件構(gòu)建的計(jì)算機(jī)。它利用蛋白質(zhì)有開(kāi)關(guān)特性，用生物工程技術(shù)產(chǎn)生蛋白質(zhì)分子：并以它們做元件制成集成電路一也就是生物芯片。生物芯片本身具有天然獨(dú)特的立體化結(jié)構(gòu)，其密度要比平面型的硅集成電路高5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此生物元件比硅芯片上的電子元件要小很多，甚至可以小到幾十億分之一米。如用血紅素制成的生物芯片，1平方毫米能容納10億個(gè)門(mén)電路，其開(kāi)關(guān)速度達(dá)到10皮秒(十萬(wàn)億分之一秒)。生物計(jì)算機(jī)芯片本身還具有并行處理的功能，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代的計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一。并且；用蛋白質(zhì)制成的計(jì)算機(jī)芯片，它的一個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)只有一個(gè)分子大小，所以它的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通計(jì)算機(jī)的10億倍。

此外，由于生物具有自我修復(fù)功能，生物芯片一旦出現(xiàn)故障，不需要人工修理也可以進(jìn)行自我修復(fù)。所以，生物計(jì)算機(jī)具有“半永久性”和很高的可靠性。再者，生物計(jì)算機(jī)的元件是由有機(jī)分子組成的生物化學(xué)元件，它們是利用化學(xué)反應(yīng)工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了。因此，不會(huì)像電子計(jì)算機(jī)那樣，工作一段時(shí)間后，機(jī)體會(huì)發(fā)熱，而且它的電路間也沒(méi)有信號(hào)干擾。

生物計(jì)算機(jī)具有較高的人工智能，能夠如同人腦那樣進(jìn)行思維、推理，能認(rèn)識(shí)文字、圖形，能理解人的語(yǔ)言，因而可以擔(dān)任各種工作。更令人驚異的是，生物計(jì)算機(jī)的元件密度比人的神經(jīng)元密度還要高100萬(wàn)倍，其傳遞信息的速度也比人腦進(jìn)行思維的速度快100萬(wàn)倍。而且，由于具有生物活性，它能夠和人體的組織有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，既可以從人體細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)來(lái)補(bǔ)充能量，還可以與大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連，從而直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分。未來(lái)，它將成為能植入人體內(nèi)，幫助人類(lèi)學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。例如：把生物電腦植入人的大腦內(nèi)，可以使盲人“復(fù)明”，使人腦的記憶力成千上萬(wàn)倍地提高；若是植入血管中，則可以監(jiān)視人體內(nèi)_的化學(xué)變化，使人的體質(zhì)增強(qiáng)，使殘疾人重新站立起來(lái)。

目前最新一代實(shí)驗(yàn)生物計(jì)算機(jī)正在模擬人類(lèi)的大腦。人們正努力尋找神經(jīng)元與硅芯片之間的相似處，研制基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)。盡管目前研制出來(lái)的最先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有的智力還非常有限，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，生物計(jì)算機(jī)是未來(lái)的發(fā)展之路。(文章代碼：2012)

責(zé)任編輯趙新宇