奇妙又高效的生物計算機(jī)

人工智能（AI）的發(fā)展不斷取得突破，展現(xiàn)出前所未有的智能水平，但它仍然依賴20世紀(jì)50年代奠定基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計算機(jī)硬件系統(tǒng)。面對AI領(lǐng)域數(shù)據(jù)存儲量及能耗激增的挑戰(zhàn)，研究人員將目光投向生物計算機(jī)這一新興領(lǐng)域。奇妙的生物計算機(jī)以細(xì)菌、細(xì)胞以及類器官作為硬件基礎(chǔ)，其新型計算架構(gòu)在能效方面有望超越傳統(tǒng)計算機(jī)。

細(xì)菌計算機(jī)

據(jù)英國《自然》雜志報道，一項最新研究表明，經(jīng)過基因改造的細(xì)菌能夠識別出質(zhì)數(shù)、元音，并用特殊的方式加以表達(dá)。

印度加爾各答薩哈核物理研究所專家桑格拉姆·巴格和他的團(tuán)隊，對屬于大腸桿菌的一種細(xì)菌進(jìn)行了基因改造，使其能以各種方式組合起來，解決一些問題。改造后形成的細(xì)菌神經(jīng)元，在隨后的實驗中以多種組合方式排列，完成了多達(dá)12項任務(wù)。研究人員表示，這是一種類似樂高積木的模塊化系統(tǒng)。它們不是多細(xì)胞生物，但能夠作為一個多細(xì)胞實體共同參與工作。

眾所周知，傳統(tǒng)計算機(jī)用低電壓和高電壓表示的0和1傳遞信息。在細(xì)菌神經(jīng)元中，化學(xué)物質(zhì)成為傳遞信息的元素。經(jīng)過改造的細(xì)菌能對一些化學(xué)刺激作出反應(yīng)。通過一定的轉(zhuǎn)換機(jī)制，細(xì)菌能發(fā)出綠色或紅色的熒光。發(fā)光的細(xì)菌神經(jīng)元通過各種排列組合，可以顯示從0到9之間的某個數(shù)字是否為質(zhì)數(shù)，或者從A到L之間的某個字母是否為元音字母，從而實現(xiàn)計算和輸出。

每個細(xì)菌神經(jīng)元的長度在2—5微米。它們裝有“化學(xué)電源”，可以通過上述機(jī)制模擬輸入數(shù)據(jù)、計算和輸出數(shù)據(jù)的操作。研究人員指出，細(xì)菌計算機(jī)在體積、工作效率和成本方面都勝過傳統(tǒng)計算機(jī)。其體積比傳統(tǒng)計算機(jī)要小得多。由于能夠自我復(fù)制，細(xì)菌計算機(jī)經(jīng)過發(fā)展和改進(jìn)可以實現(xiàn)大規(guī)模組裝，形成成本低廉的超級計算機(jī)。

多個國家的科研人員都在研發(fā)細(xì)菌計算機(jī)。英國西英格蘭大學(xué)的阿達(dá)馬茨基教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，在今年3月成功開發(fā)出一款以細(xì)菌為原材料的計算機(jī)。在這部計算機(jī)中，菌體可充當(dāng)導(dǎo)體和電子元件。它們能接收及發(fā)送電信號，并保存信息。“與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，細(xì)菌計算機(jī)具有多項優(yōu)勢。”阿達(dá)馬茨基表示，“其優(yōu)勢體現(xiàn)在便捷性、環(huán)境適應(yīng)性、成本效益以及與現(xiàn)有技術(shù)有效集成等方面。”

阿達(dá)馬茨基表示，未來以細(xì)菌計算機(jī)作為硬件基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)，將表現(xiàn)出與神經(jīng)元系統(tǒng)類似的特性，比傳統(tǒng)計算機(jī)更高效，運算能力更強(qiáng)。他計劃利用細(xì)菌的電學(xué)特性創(chuàng)建類似人類大腦的計算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將具備學(xué)習(xí)、存儲、計算、模式識別等多種功能。

《自然》雜志指出，細(xì)菌計算機(jī)相當(dāng)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。未來組織結(jié)構(gòu)更龐大、更復(fù)雜的細(xì)菌計算機(jī)必將被納入ChatGPT等大型語言模型的核心。

細(xì)胞計算機(jī)

“生物計算有多種形式。”西班牙國家生物技術(shù)中心研究員安赫爾·莫雷諾表示。莫雷諾和他的團(tuán)隊致力于生物計算機(jī)的研發(fā)。他們的研究重點是細(xì)胞計算機(jī)，即利用經(jīng)過改造的活細(xì)胞創(chuàng)建能復(fù)制內(nèi)存并進(jìn)行邏輯運算的系統(tǒng)。

莫雷諾指出，細(xì)胞計算機(jī)能對環(huán)境作出反應(yīng)，并通過計算給出應(yīng)對方案。它最初的應(yīng)用領(lǐng)域是促進(jìn)生物修復(fù)，特別有助于受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。

“這是傳統(tǒng)計算機(jī)難以涉及的領(lǐng)域。”莫雷諾說，“我們不能把一臺傳統(tǒng)計算機(jī)扔進(jìn)湖里，然后讓它通過計算評估環(huán)境，再給出修復(fù)受損環(huán)境的方案。淹沒在水下的細(xì)胞計算機(jī)能隨著細(xì)胞對化學(xué)刺激和其他刺激的反應(yīng)，對環(huán)境進(jìn)行細(xì)致入微的解讀——這是細(xì)胞計算機(jī)一個可能的應(yīng)用場景。”

莫雷諾的團(tuán)隊利用單細(xì)胞生物創(chuàng)建了一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并完成了簡單的輸入、運算和輸出實驗。研究人員表示，接下來將嘗試組建能夠解決更復(fù)雜問題的可編程細(xì)胞計算機(jī)。

類器官計算機(jī)

瑞士FinalSpark公司是生物計算機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的先行者之一。今年5月，該公司推出了“神經(jīng)平臺”（Neuroplatform）。它是世界上第一部類器官計算機(jī)，由16個類器官組成。該公司將這種“活體計算機(jī)”定位為傳統(tǒng)硅基計算機(jī)的接班者。

據(jù)《科學(xué)美國人》雜志報道，“神經(jīng)平臺”的耗電量是傳統(tǒng)數(shù)字處理器的百萬分之一，展現(xiàn)出驚人的能效比。該平臺擁有一系列處理單元，每個單元包含4個直徑為0.5毫米的球形類腦器官。每個類腦器官都與8個電極相連。這些電極能夠?qū)︻惼鞴賰?nèi)的神經(jīng)元實施電刺激，并將類器官接入傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元有選擇性地暴露在神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺中，以模仿人類大腦的“自然獎賞”系統(tǒng)。

FinalSpark公司研發(fā)人員表示，這種雙重設(shè)計，即多巴胺“獎賞”和電刺激，能夠訓(xùn)練類器官的神經(jīng)元，這與人腦的學(xué)習(xí)方式非常相似。如果這項技術(shù)進(jìn)一步得到完善，就有望讓類器官模仿硅基人工智能，形成與CPU（中央處理器）和GPU（圖形處理器）功能類似的處理單元。

要讓類器官計算機(jī)與傳統(tǒng)硅基計算機(jī)競爭，仍存在一些難點。首先是沒有標(biāo)準(zhǔn)化的制造體系；其次是活體類器官會死亡。FinalSpark公司的類器官平均只能存活100天，這已是相當(dāng)大的進(jìn)步。FinalSpark公司聯(lián)合創(chuàng)始人弗雷德·喬丹表示：“‘神經(jīng)平臺’優(yōu)化了類器官的制造流程。該設(shè)施未來有望納入2000—3000個類器官，不斷更新?lián)Q代。”

上述生物計算機(jī)的相關(guān)理論研究和開發(fā)實踐仍在推進(jìn)中。一方面，擺脫傳統(tǒng)束縛，創(chuàng)造出由生物材料構(gòu)成的計算機(jī)，必將大幅提升數(shù)據(jù)運算系統(tǒng)的效率。另一方面，有科學(xué)家認(rèn)為生物計算機(jī)相當(dāng)于實驗室中創(chuàng)造出的“有意識的微型大腦”，因此關(guān)于類腦器官、智能細(xì)菌和智能細(xì)胞是否能夠獲得意識的生物倫理爭論從未停止。奇妙又高效的生物計算機(jī)，其未來發(fā)展之路值得關(guān)注。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com