生物計算機

常　紅

目前，計算機工業(yè)飛速發(fā)展，計算機技術(shù)日益成熟。然而晶體管的密度已接近當前技術(shù)的理論極限，發(fā)展空間似乎越來越小，因此人們不斷尋找新的計算機結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)高集成度，使計算機得到進一步發(fā)展，科學家們把目光轉(zhuǎn)向了分子生物學方面，并借鑒生物界的各種處理問題的方式(生物算法)，提出了一些生物計算機的模型。

在過去的半個多世紀中，分子生物學將生命現(xiàn)象分解成大量基因和蛋白質(zhì)的組成。英國《自然》雜志報道，英國劍橋大學研究發(fā)現(xiàn)了“生物電路”。他們對一種細菌中的蛋白質(zhì)進行研究發(fā)現(xiàn)，細菌內(nèi)部存在著由蛋白質(zhì)構(gòu)成的信息處理網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可根據(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)使細菌游向營養(yǎng)物質(zhì)所在的地方。同樣，美國斯坦福大學的專家在細菌中也發(fā)現(xiàn)了“生物電路”，并在生物利用能量糖酵解過程中發(fā)現(xiàn)了-邏輯運算現(xiàn)象，找到了有關(guān)的“邏輯門”。因此，人類可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白質(zhì)分子，用來作為元件制成計算機。

上世紀70年代以來，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)生有信息和無信息的變化。聯(lián)想到邏輯電路中的0與1、晶體管的通導或截止、電壓的高或低、脈沖信號的有或無等等，科學家們激發(fā)了研制生物元件的靈感。在此基礎上，1995年，來自世界各國的200多位有關(guān)專家共同探討了DNA計算機的可行性，認為DNA分子間在酶的作用下通過生物化學反應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)，反應后的基因代碼可以作為運算結(jié)果。利用這一過程也可以制成新型的生物計算機。

生物計算機目前主要有以下幾類：

生物分子或超分子芯片：立，足于傳統(tǒng)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(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發(fā)。“生物化學電路”即屬于此。

自動機模型：以自動理論為基礎，致力于尋找新的計算機模式，特別是特殊用途的非數(shù)值計算機模式。目前研究的熱點集中在基本生物現(xiàn)象的類比，如神經(jīng)網(wǎng)絡、免疫網(wǎng)絡、細胞自動機等。不同自動機的區(qū)別主要是網(wǎng)絡內(nèi)部連接的差異，其基本特征是集體計算，又稱集體主義，在非數(shù)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，用仿生的觀念致力于尋找新的算法模式，雖然類似于自動機思想，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：立足于可控的生物化學反應或反應系統(tǒng)，利用小容積內(nèi)同類分子高拷貝數(shù)的優(yōu)勢，追求運算的高度并行化，從而提高運算的效率。DNA計算機屬于此類。

生物計算機主要是以生物電子元件構(gòu)建的計算機。它利用蛋白質(zhì)有開關(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個數(shù)量級，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10億個門電路，其開關(guān)速度達到10皮秒(十萬億分之一秒)。生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一。并且；用蛋白質(zhì)制成的計算機芯片，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10億倍。

此外，由于生物具有自我修復功能，生物芯片一旦出現(xiàn)故障，不需要人工修理也可以進行自我修復。所以，生物計算機具有“半永久性”和很高的可靠性。再者，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，工作一段時間后，機體會發(fā)熱，而且它的電路間也沒有信號干擾。

生物計算機具有較高的人工智能，能夠如同人腦那樣進行思維、推理，能認識文字、圖形，能理解人的語言，因而可以擔任各種工作。更令人驚異的是，生物計算機的元件密度比人的神經(jīng)元密度還要高100萬倍，其傳遞信息的速度也比人腦進行思維的速度快100萬倍。而且，由于具有生物活性，它能夠和人體的組織有機地結(jié)合起來，既可以從人體細胞吸收營養(yǎng)來補充能量，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充部分。未來，它將成為能植入人體內(nèi)，幫助人類學習、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“復明”，使人腦的記憶力成千上萬倍地提高；若是植入血管中，則可以監(jiān)視人體內(nèi)_的化學變化，使人的體質(zhì)增強，使殘疾人重新站立起來。

目前最新一代實驗生物計算機正在模擬人類的大腦。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)絡的計算機。盡管目前研制出來的最先進的神經(jīng)網(wǎng)絡擁有的智力還非常有限，但大多數(shù)科學家認為，生物計算機是未來的發(fā)展之路。(文章代碼：2012)

責任編輯趙新宇