生物計算機

常　紅

目前，計算機工業飛速發展，計算機技術日益成熟。然而晶體管的密度已接近當前技術的理論極限，發展空間似乎越來越小，因此人們不斷尋找新的計算機結構。為了實現高集成度，使計算機得到進一步發展，科學家們把目光轉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象分解成大量基因和蛋白質的組成。英國《自然》雜志報道，英國劍橋大學研究發現了“生物電路”。他們對一種細菌中的蛋白質進行研究發現，細菌內部存在著由蛋白質構成的信息處理網絡，該網絡可根據分子密度和形狀等性質的變化傳遞和處理信息，并根據接收到的信息而驅使細菌游向營養物質所在的地方。同樣，美國斯坦福大學的專家在細菌中也發現了“生物電路”，并在生物利用能量糖酵解過程中發現了-邏輯運算現象，找到了有關的“邏輯門”。因此，人類可以利用遺傳工程技術，仿制出這種蛋白質分子，用來作為元件制成計算機。

上世紀70年代以來，人們發現脫氧核糖核酸(DNA)處在不同的狀態下，可產生有信息和無信息的變化。聯想到邏輯電路中的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變為另一種基因代碼，轉變前的基因代碼可以作為輸入數據，反應后的基因代碼可以作為運算結果。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，目前已對生物體內的小分子、大分子、超分子生物芯片的結構與功能做了大量的研究與開發。“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值計算機模式。目前研究的熱點集中在基本生物現象的類比，如神經網絡、免疫網絡、細胞自動機等。不同自動機的區別主要是網絡內部連接的差異，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，利用小容積內同類分子高拷貝數的優勢，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建的計算機。它利用蛋白質有開關特性，用生物工程技術產生蛋白質分子：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構，其密度要比平面型的硅集成電路高5個數量級，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合起來，既可以從人體細胞吸收營養來補充能量，還可以與大腦和神經系統相連，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，幫助人類學習、思考、創造、發明的最理想的伙伴。例如：把生物電腦植入人的大腦內，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，則可以監視人體內_的化學變化，使人的體質增強，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元與硅芯片之間的相似處，研制基于神經網絡的計算機。盡管目前研制出來的最先進的神經網絡擁有的智力還非常有限，但大多數科學家認為，生物計算機是未來的發展之路。(文章代碼：2012)

責任編輯趙新宇