生物計算機的介紹

1、第1頁，共11頁。簡介簡介生物計算機（生物計算機（ biological computerbiological computer）又稱仿）又稱仿生計算機生計算機(bionic computer)(bionic computer)。以生物芯片取。以生物芯片取代在半導(dǎo)體硅片上集成效以萬計的晶體管制成代在半導(dǎo)體硅片上集成效以萬計的晶體管制成的計算機。涉及計算機科學(xué)、腦科學(xué)、神經(jīng)生的計算機。涉及計算機科學(xué)、腦科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理、生物工程、電物學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理、生物工程、電子工程、物理學(xué)和化學(xué)等有關(guān)學(xué)科。研究生物子工程、物理學(xué)和化學(xué)等有關(guān)學(xué)科。研究生物芯片，研究有關(guān)大腦和神經(jīng)

2、元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息芯片，研究有關(guān)大腦和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息處理、加工原理，以及建立全新的生物計算機處理、加工原理，以及建立全新的生物計算機原理，探討適于制作芯片的生物大分子的結(jié)構(gòu)原理，探討適于制作芯片的生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能。以及如何通過生物工程和功能。以及如何通過生物工程( (用脫氧核糖用脫氧核糖核酸核酸A A重組技術(shù)和蛋白質(zhì)工程重組技術(shù)和蛋白質(zhì)工程) )來組裝這些生物來組裝這些生物分子功元件。分子功元件。 第2頁，共11頁。生物計算機有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)于以下幾個方生物計算機有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)于以下幾個方面：面：1.它體積小，功效高。它體積小，功效高。 2.生物計算機的元件是由有機分子組成

3、的生物化學(xué)元件，生物計算機的元件是由有機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，不會像電子計算機那樣，工作一就可以工作了，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，而生物計算機的電路間也沒有段時間后，機體會發(fā)熱，而生物計算機的電路間也沒有信號干擾。信號干擾。 生物芯片仍處于研制階段，但在生物元件，特別是在生物生物芯片仍處于研制階段，但在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實際成果。這將會促使計算傳感器的研制方面已取得不少實際成果。這將會促使計算機、電子工程和生物工程這三

4、個學(xué)科的專家通力合作，加機、電子工程和生物工程這三個學(xué)科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片?？煅芯块_發(fā)生物芯片。 生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。目前主要有：生物分子或超分子芯的計算機。目前主要有：生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算片、自動機模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。法等幾種類型。 第3頁，共11頁。生物計算機作為即將完善的新一代生物計算機作為即將完善的新一代計算機，其優(yōu)點是十分明顯的。但計算機，其優(yōu)點是十分明顯的。但它也有自身難以克服的缺點。其中它也有自身難以克服的缺點。其中最主要的便是最主

5、要的便是從中提取信息困難從中提取信息困難。一種生物計算機一種生物計算機24小時就完成了人小時就完成了人類迄今全部的計算量，但從中提取類迄今全部的計算量，但從中提取一個信息卻花費了一個信息卻花費了1周。這也是目前周。這也是目前生物計算機沒有普及的最主要原因。生物計算機沒有普及的最主要原因。 第4頁，共11頁。生物計算機目前有以下幾類：生物計算機目前有以下幾類：1.生物分子或超分子芯片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)與及信息傳遞體入手

6、，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)。功能做了大量的研究與開發(fā)?！吧锘瘜W(xué)電路生物化學(xué)電路” 即屬于此。即屬于此。 2.自動機模型自動機模型 以自動理論為基礎(chǔ)，致力與尋找新的計算機模式，特別是特以自動理論為基礎(chǔ)，致力與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)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(luò)、免疫網(wǎng)絡(luò)、細胞自動機等。不同自動機的區(qū)別主要是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接的差異，其基絡(luò)、免疫網(wǎng)絡(luò)、細胞自動機等。不同自動機的區(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

7、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。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。3.仿生算法仿生算法 以生物智能為基礎(chǔ)，用仿生的觀念致力于尋找新的算法模式，以生物智能為基礎(chǔ)，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。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。 4.生物化學(xué)反應(yīng)算法生物化學(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)同類分子高拷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)同類分子高拷貝數(shù)的優(yōu)勢，追求運算的高度并行化，從而提供運算的效率。

8、貝數(shù)的優(yōu)勢，追求運算的高度并行化，從而提供運算的效率。DNA計算機屬于此類。計算機屬于此類。 第5頁，共11頁。人類有一門學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過對自然界生物特性的研究人類有一門學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過對自然界生物特性的研究與模仿，來達到為人類社會更好地服務(wù)的目的。典型的例子與模仿，來達到為人類社會更好地服務(wù)的目的。典型的例子如，通過研究蜻蜓的飛行制造出了直升機；對青蛙眼睛的表如，通過研究蜻蜓的飛行制造出了直升機；對青蛙眼睛的表面面“視而不見視而不見”，實際，實際“明察秋毫明察秋毫”的認識，研制出了電子的認識，研制出了電子蛙眼；對蒼蠅飛行的研究，仿制出一種新型導(dǎo)航儀蛙眼；對蒼蠅飛行的研究，仿制出一種新

9、型導(dǎo)航儀振動振動陀螺儀，它能使飛機和火箭自動停止危險的陀螺儀，它能使飛機和火箭自動停止危險的“跟頭跟頭”飛行，飛行，當飛機強烈傾斜時，能自動得以平衡，使飛機在最復(fù)雜的急當飛機強烈傾斜時，能自動得以平衡，使飛機在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時也萬無一失；對蝙蝠沒有視力，靠發(fā)出超聲波來定向轉(zhuǎn)彎時也萬無一失；對蝙蝠沒有視力，靠發(fā)出超聲波來定向飛行的特性研究，制造出了雷達、超聲波定向儀等；對飛行的特性研究，制造出了雷達、超聲波定向儀等；對“變變色龍色龍”的研究，產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護色的應(yīng)用的研究，產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護色的應(yīng)用 第6頁，共11頁。仿生學(xué)同樣可應(yīng)用到計算機領(lǐng)域中仿生學(xué)同樣可應(yīng)用到計算機領(lǐng)域中 ?？茖W(xué)家通

10、過對生物組織體研究，發(fā)現(xiàn)組織體是由無數(shù)的細胞科學(xué)家通過對生物組織體研究，發(fā)現(xiàn)組織體是由無數(shù)的細胞組成，細胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機物組成，而有些組成，細胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機物組成，而有些有機物中的蛋白質(zhì)分子像開關(guān)一樣，具有有機物中的蛋白質(zhì)分子像開關(guān)一樣，具有“開開”與與“關(guān)關(guān)”的的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白功能。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?？茖W(xué)家把這種計算機叫質(zhì)分子，用來作為元件制成計算機?？茖W(xué)家把這種計算機叫做生物計算機。做生物計算機。 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)生物計算機

11、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，用蛋白質(zhì)分子作元件從而制成的生物芯片。其性能有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子作元件從而制成的生物芯片。其性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度來決定的。用蛋白質(zhì)制是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度來決定的。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十億倍。由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電存儲容量可以達到普通計算機的十億倍。由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路，其大小只相當于硅片集成電路的十萬分之一。而且運行速度路，其大小只相當于硅片集成電路的十萬分之一。而且運

12、行速度更快，只有更快，只有110(-11)秒，大大超過人腦的思維速度。秒，大大超過人腦的思維速度。 第7頁，共11頁。正如人類基因組計劃給予我們的啟示一樣，正如人類基因組計劃給予我們的啟示一樣，DNADNA（脫氧核（脫氧核糖核酸）的資料儲存及運算能力可能遠遠超過目前電腦糖核酸）的資料儲存及運算能力可能遠遠超過目前電腦所使用的硅晶片。目前，電腦科學(xué)家正致力于研發(fā)基因所使用的硅晶片。目前，電腦科學(xué)家正致力于研發(fā)基因超級電腦，用以建構(gòu)以超級電腦，用以建構(gòu)以DNA DNA 為基礎(chǔ)的資訊科技新世紀。為基礎(chǔ)的資訊科技新世紀。DNADNA又稱為脫氧核糖核酸，使細胞核中攜帶生物生長指令又稱為脫氧核糖核酸，使細

13、胞核中攜帶生物生長指令的遺傳物質(zhì)。的遺傳物質(zhì)。DNADNA擁有不可思議的資料存儲功能，很可能擁有不可思議的資料存儲功能，很可能比硅晶片更強。一般而言，比硅晶片更強。一般而言，1 1毫克毫克DNADNA的存儲功能大約相的存儲功能大約相當于當于1 1萬片的光碟片，更為不可思議的是，萬片的光碟片，更為不可思議的是，DNADNA還具有在還具有在同一時間處理數(shù)兆個運算指令的能力。研究者指出，將同一時間處理數(shù)兆個運算指令的能力。研究者指出，將生命活動的指令進行編碼的遺傳分子生命活動的指令進行編碼的遺傳分子DNADNA和和RNARNA里可以儲里可以儲存比常規(guī)存儲芯片多的數(shù)據(jù)，試管狀的生物計算機中含存比常規(guī)存

14、儲芯片多的數(shù)據(jù)，試管狀的生物計算機中含有大量的遺傳物質(zhì)片斷，每一個片斷就是一個微型計算有大量的遺傳物質(zhì)片斷，每一個片斷就是一個微型計算工具，因此生物計算機能同時進行數(shù)千次甚至上百萬次工具，因此生物計算機能同時進行數(shù)千次甚至上百萬次計算。對于生物計算機將來的用途，研究人員有種種設(shè)計算。對于生物計算機將來的用途，研究人員有種種設(shè)想。其中一項就是讓它代替人進行新藥物臨床試驗，它想。其中一項就是讓它代替人進行新藥物臨床試驗，它通過運算可以模擬人體的多種變化情況，只要把藥品的通過運算可以模擬人體的多種變化情況，只要把藥品的成分描述輸入生物計算機，就會得出反應(yīng)結(jié)果。成分描述輸入生物計算機，就會得出反應(yīng)結(jié)果

15、。第8頁，共11頁。生物計算機是人類期望在生物計算機是人類期望在21世世紀完成的偉大工程。是計算機紀完成的偉大工程。是計算機世界中最年輕的分支。目前的世界中最年輕的分支。目前的研究方向大致是兩個：一是研研究方向大致是兩個：一是研制分子計算機，即制造有機分制分子計算機，即制造有機分子元件去代替目前的半導(dǎo)體邏子元件去代替目前的半導(dǎo)體邏輯元件和存儲元件；另一方面輯元件和存儲元件；另一方面是深入研究人腦的結(jié)構(gòu)、思維是深入研究人腦的結(jié)構(gòu)、思維規(guī)律，再構(gòu)想生物計算機的結(jié)規(guī)律，再構(gòu)想生物計算機的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。第9頁，共11頁。美國加州理工學(xué)院（美國加州理工學(xué)院（California Institute of T

16、echnologyCalifornia Institute of Technology）的）的克里斯蒂娜克里斯蒂娜斯默爾克斯默爾克(Christina Smolke)(Christina Smolke)是該研究的合著作者是該研究的合著作者之一，他指出，像這樣的生物計算機有朝一日可使人類直接控制之一，他指出，像這樣的生物計算機有朝一日可使人類直接控制生物學(xué)計算系統(tǒng)。生物學(xué)計算系統(tǒng)。據(jù)美國國家地理雜志報道，最據(jù)美國國家地理雜志報道，最新研制的新型生物計算機可讓新研制的新型生物計算機可讓科學(xué)家對分子進行科學(xué)家對分子進行“編程編程”，并由活細胞執(zhí)行并由活細胞執(zhí)行“命令命令”。 這種新型計算機包括著裝配

17、在酵母細胞中的工程這種新型計算機包括著裝配在酵母細胞中的工程RNARNA片斷，片斷，RNARNA是是類似于類似于DNADNA的一種生物分子，它可以編碼遺傳基因信息，比如：如何制的一種生物分子，它可以編碼遺傳基因信息，比如：如何制造多樣化的蛋白質(zhì)。從計算工程角度來講，生物計算機的造多樣化的蛋白質(zhì)。從計算工程角度來講，生物計算機的“輸入輸入”是分是分子漂浮在細胞內(nèi)；子漂浮在細胞內(nèi)；“輸出輸出”是蛋白質(zhì)產(chǎn)物的變化。舉個例子，是蛋白質(zhì)產(chǎn)物的變化。舉個例子，RNARNA計算計算機很可能捆綁著兩種不同的分子，如果兩種不同分子附著在一起，將導(dǎo)機很可能捆綁著兩種不同的分子，如果兩種不同分子附著在一起，將導(dǎo)致出

18、現(xiàn)生物計算機的外形變化。改變形狀后的生物計算機對致出現(xiàn)生物計算機的外形變化。改變形狀后的生物計算機對DNADNA進行捆進行捆綁時，將直接影響基因表達，并減緩蛋白質(zhì)制造。綁時，將直接影響基因表達，并減緩蛋白質(zhì)制造。 第10頁，共11頁。許多科學(xué)家認為許多科學(xué)家認為生物計算機不太可能超越或者匹配現(xiàn)今的電子計算機生物計算機不太可能超越或者匹配現(xiàn)今的電子計算機。美國普林斯頓大學(xué)。美國普林斯頓大學(xué)電子工程師兼分子生物學(xué)家羅恩電子工程師兼分子生物學(xué)家羅恩韋斯韋斯(Ron Weiss)(Ron Weiss)說，說，“它們并不能像我們?nèi)粘５挠嬎銠C快速它們并不能像我們?nèi)粘５挠嬎銠C快速運行微軟運行微軟WindowsWindows系統(tǒng)，或者運行系統(tǒng)，或者運行WiiWii游戲。游戲?！迸c眾不同的是，生物計算機能夠潛在地修補或直接影與眾不同的是，生物計算機能夠潛在地修補或直接影響細胞進程響細胞進程。 ” ”韋斯稱，韋斯稱，它基本上采用一種它基本上采用一種“細胞語言細胞語言”，這項最新研究將拓展生物計算機的這項最新研究將拓展生物計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。之前的應(yīng)用領(lǐng)域。之前的RNARNA計算機并不是很復(fù)雜。計算機并不是很復(fù)雜。 以色列魏茲曼學(xué)院以色列魏茲曼學(xué)院(Weizmann Institute of Scie