探索在DNA納米技術下的信息世界

李裕

陳智華，系統(tǒng)分析與集成專業(yè)理學博士，目前在華中科技大學控制科學與工程系從事教學研究工作，主要研究方向為納米微型計算、智能算法、控制系統(tǒng)建模與仿真和計算機控管一體化。作為第一作者或者通訊作者，發(fā)表9篇SCI文章，5篇會議文章。獲得武漢市科技進步獎二等獎一次，湖北省科技進步獎三等獎一次。

專家簡介：

納米技術，可以讓宏觀世界“濃縮”進一粒粒人類肉眼看不到的“塵埃”中，重生出一個“海納百川”的微觀世界。當幾年前英特爾將14納米制造工藝鑲嵌進平板電腦、智能手機中的芯片上時，電子設備的性能便開始有了更高一層質(zhì)的飛躍。速度更快、能耗更低、更綠色環(huán)保的系列電子產(chǎn)品成為現(xiàn)代文明的一分子，改變著人們當今的生活。

曾有科學家預言：未來世界不是電子世界，而是納米世界。在陳智華的眼中，納米技術神奇而又魔幻，五彩斑斕的大世界信息都可以在它的集成管理之下互通有無、快速傳遞。從電子信息系統(tǒng)的建模與控制，到納米微型計算與技術應用，她一路穩(wěn)健前行。

夯實基礎 不斷前行

早在上個世紀九十年代末，陳智華考入華中科技大學，主修工業(yè)自動化專業(yè)，畢業(yè)那年拿到工科與法學雙學位。做為一個有名的“學霸”，她又進入控制科學與工程系攻讀碩士學位，走上了計算機控管一體化的研究之路。

為把書本上的知識應用于實踐，碩士期間她跟隨導師積極展開了一系列實踐研究，漸漸顯露出極高的科研天分。研二時，她趕赴下會坑水電站，與團隊成員一起開發(fā)集成檢測和控制為一體的水電站自動控制系統(tǒng)，在集成管控及狀態(tài)檢測方面積累了重要經(jīng)驗。最終，實現(xiàn)了水電站機組各個設備的安全檢測和自動控制，大大節(jié)省了人力；用InTouch完成了水電站集散控制系統(tǒng)的GUI界面，極大地提高了水電站設備的自動化控制水平。

在北京西城區(qū)現(xiàn)代教育技術與培訓中心信息安全實驗室，陳智華擔任信息安全技術和網(wǎng)絡技術研究員。在此期間，她對信息安全有了深入了解。她著重進行了防火墻產(chǎn)品性能及功能的測試評估試驗；查找操作系統(tǒng)（Windows 2000，Redhat7.3）漏洞和補丁并進行歸納；劃分實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的安全等級標準；為實驗室網(wǎng)絡管理及軟件配置提供了技術支持，同時為普及信息安全知識，她為西城區(qū)中小學教師做信息安全技術培訓等。一系列科研實踐與教學體驗，奠定了她今后的科教之路。

為尋求更高層次的發(fā)展，陳智華又在母校攻讀了系統(tǒng)分析與集成研究方向的博士學位。歷經(jīng)博士期間的學術鍛煉之后，她建立了更縝密的學術思維、打下了更深厚的科研根基、培養(yǎng)了更開闊的科研視野……

聚焦DNA納米信息集成

近年來納米技術在系統(tǒng)集成與信息分析方面的廣泛應用，讓陳智華敏銳地察覺到了納米信息處理技術廣闊的科研空間。

于是，她的科研課題開始涉及到DNA納米計算、DNA自組裝等方向。近年來隨著生物控制系統(tǒng)及復雜納米機器人的構(gòu)建需求日益旺盛，對標準信息處理技術的要求也逐漸嚴苛。而現(xiàn)有基于DNA納米技術的各種功能單元雖然已經(jīng)實現(xiàn)了簡單計算、移動等功能，但因其信息編碼規(guī)則、交互協(xié)議和數(shù)據(jù)輸入輸出方式的相異，還是無法滿足未來納米產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展需求。

為解決現(xiàn)有納米技術應用于通信領域的難題，在“基于DNA自組裝的通用納米信息處理系統(tǒng)的研究”中，陳智華決定對納米技術的各功能單元進行封裝，構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)交互功能的基元，從而構(gòu)建可重用基元的通用納米信息處理系統(tǒng)。

為實現(xiàn)這一目標，她基于先前研究成果，聯(lián)合在DNA分子可控模型方向擁有豐富科研經(jīng)驗的石曉龍老師等實驗室其他成員，利用本校分子生物計算這一國家重點實驗室先進設備，對DNA納米技術各功能單元進行識別、輸入、計算、輸出等，建立基元數(shù)據(jù)庫，并設計各基元間規(guī)范化的通信接口，組合配置DNA傳感器，確保了基元間交互的完整性、容錯性及有效性。且各功能基元通過靈活組合配置，可以構(gòu)成新系統(tǒng)，為建立標準信息處理系統(tǒng)提供了理論及實踐上的可能。

經(jīng)過兩年多的不懈努力，研究取得了很大進展。她和團隊成員一起設計實現(xiàn)了三種可重用的單鏈DNA模塊，構(gòu)建了可靈活調(diào)控直徑大小的DNA納米管；融合DNA鏈置換和納米金，用比色變化的方式可以快速檢測DNA信號，甚至包括傳統(tǒng)技術檢測不到的低濃度信號，確保了信息的真實性；從反應時間、反應物的比例和離子濃度的維度上對DNA鏈置換反應中的泄露反應進行反復評估，構(gòu)建了置換反應的各個條件和結(jié)果之間的動態(tài)模型；利用DNA鏈置換技術模擬神經(jīng)元的運動行為，建立了更正確可行的脈沖神經(jīng)系統(tǒng)；為實現(xiàn)科研成果的產(chǎn)業(yè)化，她及小組成員們把膜算法等一系列生物計算方法應用到工程中，延長了產(chǎn)品使用壽命的同時，還提高了產(chǎn)品的良品率。

圍繞這一課題，她及項目組成員們目前已經(jīng)發(fā)表了SCI論文10多篇，申請發(fā)明專利6項，給通信領域的納米技術研究帶來了諸多新的科研視角。

快樂躬耕 篤行致遠

在樹木蔥蘢、碧草如茵，號稱“森林式大學”的華科大，陳智華已歷經(jīng)這個美麗校園十余年的春秋洗禮，從一名勤奮好學的優(yōu)秀學子成長為了在系統(tǒng)分析與集成領域能夠獨擋一面的科研學者及教育精英，她認真努力、勇于攀登，為母校增添著榮譽，為后輩指引著方向。

近二十年來，她積極主持參與了多項重量級項目課題研究。主持激光軟釬焊建模與控制和設備校準系統(tǒng)開發(fā)等產(chǎn)學研項目的同時，在現(xiàn)有科研領域深入挖掘，主持了基于DNA計算自組裝架構(gòu)入侵檢測系統(tǒng)、基于DNA自組裝的傳感器及集成計算系統(tǒng)、基于DNA計算的密碼破譯、通用納米信息處理系統(tǒng)等多項省部及國家級基金項目。并積極參與NP-完全問題DNA計算、大數(shù)分解DNA計算機等國家863項目及無軸傳動印刷機自動控制系統(tǒng)這一民用項目進行技術開發(fā)。

不斷探索之下，她也取得了豐碩成果。在DNA納米微型計算、智能算法、控制系統(tǒng)建模與仿真和計算機控管一體化方面均有獨到見解的同時，迄今為止，她已經(jīng)申請了9項發(fā)明專利、發(fā)表了9篇高影響因子的SCI文章，獲得武漢市科技進步獎二等獎、湖北省科技進步獎三等獎等諸多榮譽獎勵。

她，是一位科研工作者，同時也是一位教育工作者。自擔任教學工作以來，陳智華便積極投入到《自控原理》《信號分析》和《信息安全》的課堂教學中，為初入大學校園及科研領域的學生們授業(yè)解惑、指點迷津。她的敬業(yè)投入、認真仔細、風趣幽默，獲得了學生的廣泛好評。這么多年來，她的課堂評分都在90分以上，曾拿到過華科大教學競賽二等獎。她把自己多年來的教學經(jīng)驗進行總結(jié)，在《工業(yè)和信息化教育》期刊上發(fā)表“非信息安全專業(yè)的《信息安全》課程改革探索與實踐”一文，為教改工作獻計獻策。

荀子曰：不積硅步無以至千里，不積小流無以成江海。十余年科教工作的認真對待，方成就如今的芬芳碩果。陳智華在學習及科研的道路上，不斷探索、不斷積累，一步步形成了獨屬于自己的別樣風采。