Биокомпютър

Въведение

Биологичният компютър е нов компютърен модел, който използва молекули нуклеинова киселина като "данни" и биологични ензими и биологични операции като инструменти за обработка на информация.

Предимства

През 1983 г. Съединените щати предлагат концепцията за биологични компютри. Оттогава различни развити страни са започнали да разработват биологични компютри. Биолозите прилагат биониката в областта на биологичните компютри и са създали възгледа за биохимичната молекулярна архитектура на биологичните компютри. Биокомпютрите все още са в етап на разцвет и нови видове биочипове се разработват активно у нас и в чужбина. Въпреки че биокомпютрите все още не са постигнали значителен разрушителен напредък, някои учени дори посочиха серия от недостатъци на биокомпютрите, като биокомпютрите с генетичен материал се намесват от външни фактори на околната среда, резултатите от изчисленията не могат да бъдат открити и биохимичните реакции не могат да гарантират степента на успех. Освен това е трудно да се стартира текстов редактор на чип, доминиран от протеинови молекули. Но те не засягат бързото развитие на биологичните компютри, област с огромни изкушения. С непрекъснатия напредък на човешката технология тези проблеми в крайна сметка ще бъдат решени и ще дойде комерсиализацията на биологичните компютри.

Биокомпютърът е предмет с най-голяма жизненост и потенциал за развитие в световното високотехнологично поле. Този вид компютър включва различни дисциплини, включително компютърни науки, науки за мозъка, молекулярна биология, биофизика и биоинженерство. , електронно инженерство и други свързани дисциплини. Основната му суровина са протеинови молекули, произведени чрез биоинженерна технология, и използва това като биочип. Самият биологичен компютърен чип също има функцията на паралелна обработка. Неговата скорост на изчисление е 100 000 пъти по-бърза от тази на днешните компютри от последно поколение. Консумацията на енергия е само една част на милиард от тази на обикновените компютри, а пространството за съхранение на информация заема само десетки милиарди милиарди. един. Биологичните компютри имат много предимства, главно в следните аспекти:

1. Малък размер и висока ефективност.

The area of ​​a biological computer can accommodate hundreds of millions of circuits, which is hundreds of times higher than that of current electronic computers. At the same time, biological computers no longer have the shape of computers, and can be hidden in desk corners, walls or floors, and at the same time heat generation and electromagnetic interference are greatly reduced.

2. Устойчивостта на чиповете и надеждността на биологичните компютри

Биологичните компютри имат постоянство и висока надеждност. Ако механизмът за биологично възстановяване може да бъде включен в действие, той може да се поправи дори ако чипът се повреди. (Това е изключително привлекателно потенциално предимство на биологичните компютри) Протеиновите молекули могат да се сглобяват, могат да генерират микросхеми и са активни, така че биологичните компютри имат биологични свойства. Биологичните компютри вече не са като електронните компютри. След като чипът е повреден, той не може да бъде автоматично поправен. Биологичните компютри могат да упражняват функцията за биологично регулиране, за да поправят автоматично повредени чипове. Следователно биологичният компютър е много надежден и не се поврежда лесно. Дори ако чипът се повреди, той може да бъде автоматично ремонтиран. Следователно биологичният компютърен чип има известна степен на постоянство.

3. Съхранение и паралелна обработка на биологични компютри

Биологичните компютри имат огромни предимства пред традиционните електронни компютри по отношение на съхранението. Един грам ДНК може да съхранява информация, еквивалентна на един трилион CD-та, а плътността на съхранение е 100 милиарда до 1000 милиарда пъти по-голяма от тази на дисковото съхранение. Биологичните компютри също имат супер силни възможности за паралелна обработка. Логическите операции могат да се реализират чрез биохимични реакции в малка област. Десетки милиарди ДНК молекули образуват голям брой ДНК компютри, които работят паралелно. Особено биологичните невронни компютри имат добра паралелно разпределена памет за съхранение и обща толерантност към грешки. Той показва голям потенциал при работа с автоматични модели на Болцман и някои нечислови проблеми. Наистина отхвърлете модела на фон Нойман и наистина осъзнайте интелигентността.

Биологичните компютри имат прости процеси за предаване на данни и комуникация, а техните възможности за паралелна обработка са сравними със суперкомпютрите. Различната последователност от ДНК молекулярни бази се използва като оригинални данни на компютъра и съответните ензими се съпоставят чрез биохимични промени. ДНК базите изпълняват основни операции и могат да реализират различни функции на електронните компютри.

Биологичният компютър съдържа голям брой инструменти за генетичен материал, които могат да извършват милиони изчисления едновременно. Традиционният електронен компютър проверява всички възможни решения едно по едно с текущата скорост. Биологичният компютър обработва всички молекули във всяка библиотека с молекули едновременно, без да се налага да анализира възможните отговори по ред. Електронният компютър е еквивалентен на набор от ключове, един ключ наведнъж се използва за отключване на ключалката, а биологичният компютър използва няколко милиона ключа, за да отключи ключалката наведнъж и неговата скорост на изчисление също ще бъде 1 милион пъти по-бърза отколкото съществуващия суперкомпютър. Броят на изчисленията на биологичните компютри може да бъде толкова голям, колкото за секунда или повече. По-нататъшно развитие и интегриране на други високи и нови технологии, биологичните компютри имат широки перспективи.

4. Нагряване и смущения в сигнала

Компонентите на биологичните компютри са биохимични компоненти, съставени от органични молекули. Те използват химически реакции, за да работят, така че се нуждаят от много малко енергия. Може да работи. Следователно няма да бъде като електронен компютър. След работа за определен период от време тялото ще се нагрее и няма смущения в сигнала между веригите на биологичния компютър.

5. Процент на грешки в данните

Друго важно свойство на ДНК нишките е структурата на двойната спирала. База и T основа, C основа и G основа образуват базови двойки. Всяка ДНК последователност има комплементарна последователност. Това взаимно допълване е уникалното предимство на биологичните компютри. Ако грешката възникне в определена последователност на двойна спирала на ДНК, модифициращият ензим може да се обърне към допълнителната последователност, за да поправи грешката. Структурата с двойна спирала е еквивалентна на компютърен твърд диск RAID1 масив. Един твърд диск е огледален образ на друг твърд диск. Когато първият твърд диск е повреден, данните могат да бъдат поправени чрез втория твърд диск. Самият биологичен компютър има функцията да коригира грешки, така че процентът на грешки в данните от биологичния компютър е нисък.

Недостатъци

Като компютър от ново поколение, който предстои да бъде усъвършенстван, предимствата на биологичните компютри са много очевидни. Но има и своите непреодолими недостатъци. Най-важното е трудността при извличане на информация от него. Биологичен компютър е извършил всички изчисления на човешки същества досега за 24 часа, но е отнела 1 седмица, за да извлече част от информацията от него. Това е и основната причина биологичните компютри да не са популярни в момента.

Тип

Биомолекула или супрамолекулен чип

Въз основа на традиционния компютърен модел, той започва с намирането на високоефективни и микроскопични електронни носители на информация и тела за пренос на информация. Понастоящем са направени много изследвания и разработки върху структурата и функцията на малки молекули, макромолекули и супрамолекулни биочипове в организмите. „Биохимичните вериги“ принадлежат към това.

Модел автомат

Въз основа на теорията на автоматите, ние се ангажираме да намерим нови компютърни модели, особено нечислови компютърни модели за специални цели. Настоящите изследвания се фокусират върху аналогията на основни биологични явления, като невронни мрежи, имунни мрежи и клетъчни автомати. Разликата между различните автомати е главно разликата във вътрешната връзка на мрежата. Основната му характеристика е колективното изчисление, известно още като колективизъм, което има голям потенциал в нечисловите изчисления, симулацията и идентификацията.

Бионичен алгоритъм

Based on biological intelligence, with the concept of bionics, we are dedicated to finding new algorithm models. Although similar to the idea of ​​automata, it is based on algorithms and does not pursue Changes in hardware.

Алгоритъм на биохимична реакция

Базиран на контролируема биохимична реакция или реакционна система, той се възползва от големия брой копия на подобни молекули в малък обем и преследва висока степен на паралелизиране на изчисленията. Осигурете изчислителна ефективност. ДНК компютрите попадат в тази категория.

Клетъчен компютър

Използвайки принципи на системната генетика, синтетична биотехнология, изкуствен дизайн и синтез на гени, генни вериги, мрежи за сигнална трансдукция и др., системното биоинженерство на клетките (системно биоинженерство) трансформация и препрограмиране може да направи сложни изчисления и обработка на информация. Клетъчните компютри се наричат ​​още мокри компютри. Сегашните компютри са сухи компютри.

През 1994 г. Китайската академия на науките Zeng Bangzhe публикува интегрираните концепции на биониката и генното инженерство, като дизайн на план на генома и биомашинно сглобяване на системно биоинженерство, биомолекулярни компютри и инженерство на клетъчна бионика. Китайската академия на науките Zeng Bangzhe (Zeng Jie) предложи през 1999 г. да се разглежда генетичната информационна система като геномна интелигентност (геномна интелигентност), изкуствено компилиране на генетични програми, препроектиране на сложната мрежа за взаимодействие на биомолекули в клетките и превръщане на клетките в изкуствени биосистеми. Обяви концептуалната диаграма на изкуствено проектираната вътреклетъчна молекулярна верига, за да я разграничи от „изкуствен живот“, като по този начин предложи изследване на дизайна и сглобяването на клетъчни молекулярни машини в компютърната бионика и генното инженерство. През 2002 г. той предлага молекулярни модули, органели, Gene group проектира клетки и проектира биологични компютърни модели на клетъчна сигнална комуникация, като по този начин разширява концепцията за многоклетъчен компютър и йерархия. Изследването и разработването на биокомпютри се превърна във важна част от съвременната синтетична биология.

Процес на развитие

Ранната концепция за биологичното изчисление започва през 1959 г., когато носителят на Нобелова награда Файнман предлага да се използва молекулен мащаб за разработване на компютри;

1970 г. Оттогава е открито, че дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е в различни състояния, което може да доведе до информационни и неинформативни промени. Учените са открили, че биологичните компоненти могат да реализират 0 и 1 в логически схеми, включване или изключване на транзистори, високо или ниско напрежение, наличие или отсъствие на импулсни сигнали и т.н. Изработеният след специална култивация биочип може да се използва като нов тип високоскоростна компютърна интегрална схема.

През 1994 г. носителят на наградата Turing Adleman предложи изчислителен модел на ДНК, базиран на механизма на биохимичната реакция;

Пробивът в биокомпютрите беше паралелният тип, предложен от Пекинския университет през 2007 г. ДНК изчислителният модел решава всички 48 3-оцветявания на 3-цветна графика с 61 върха. Алгоритъмът е сложен и този брой търсения изисква 13. Може да бъде завършен само за 217 години и резултатът изглежда предвещава настъпването на ерата на биологичните компютри.

Основната суровина са протеинови молекули, произведени по биоинженерна технология, които се използват като биочипове. Биочиповете са много по-малки от електронните компоненти на силиконовите чипове, а самите биочипове имат естествена и уникална триизмерна структура и тяхната плътност е с пет порядъка по-висока от тази на планарните силициеви интегрални схеми. Оставянето на трилиони ДНК молекули да претърпят химически реакции под действието на определени ензими, може да накара биологичните компютри да работят милиарди пъти по едно и също време. Самият биологичен компютърен чип също има функцията за паралелна обработка, като скоростта му на работа е по-висока от тази на последното поколение компютри. След като биочипът се повреди, той може да се възстанови сам, така че има способността да се самовъзстановява. Биокомпютрите са биологично активни и могат да бъдат органично интегрирани с човешките тъкани, особено с мозъка и нервната система. По този начин биологичният компютър може директно да приеме цялостната команда на мозъка, да се превърне в спомагателно устройство или разширителна част на човешкия мозък и може да абсорбира хранителни вещества и да допълва енергията от човешките клетки, така че не се нуждае от външна енергия. Той ще се превърне в идеалния партньор, който може да бъде имплантиран в човешкото тяло и да помага на хората да учат, мислят, създават и изобретяват. Освен това, тъй като възможността за сблъсъци между протичащи електрони в биочипа е изключително малка и почти няма съпротивление, консумацията на енергия на биокомпютъра е изключително малка.

През март 2021 г. изследователски екип от университета на Помпей Фабра в Испания проектира „биологичен компютър“, който може да отпечатва клетки върху лист хартия.

Приложение на биониката

Човечеството има предмет, наречен бионика, който служи по-добре на човешкото общество чрез изучаване и имитиране на биологичните характеристики на естествения свят. Типичен пример е създаването на хеликоптер чрез изследване на полета на водни кончета; осъзнаването на „затварянето на очите“ за повърхността на очите на жабата и действителното „наблюдаване на детайлите“ е разработило електронно жабешко око; изследването на летателния полет имитира нов тип навигационен инструмент - вибриращ жироскоп, той може автоматично да спре опасния "салто" полет на самолети и ракети. Когато самолетът се накланя силно, той може автоматично да балансира, така че самолетът да бъде безупречен при най-сложните остри завои; няма визия за прилепи. Изследванията на характеристиките на насочения полет чрез излъчване на ултразвукови вълни са създали радари, ултразвукови инструменти за насочване и др.; изследванията върху "хамелеоните" са довели до прилагането на стелт науката и защитните цветове...

Биониката може да се приложи и в компютърната област.

Чрез изучаване на биологични тъкани учените са открили, че тъканите са съставени от безброй клетки. Клетките са съставени от вода, сол, протеин, нуклеинова киселина и други органични вещества. Белтъчните молекули в някои органични вещества са като превключватели. Функции "включване" и "изключване". Следователно хората могат да използват технологията на генното инженерство, за да имитират тази протеинова молекула и да я използват като компонент за направата на компютър. Учените наричат ​​този вид компютър биологичен компютър.

Биологичните компютри са предимно компютри, изградени с биологични електронни компоненти. Той използва превключващите свойства на протеините и използва протеинови молекули като компоненти за производството на биочипове. Неговата производителност се определя от скоростта на включване и изключване на тока между компонентите. Компютърен чип, направен от протеин, има място за съхранение с размер само на една молекула, така че неговият капацитет за съхранение може да достигне един милиард пъти повече от този на обикновен компютър. Интегрална схема, направена от протеин, е еквивалентна само на една стохилядна от силиконова интегрална схема. И работи по-бързо, само 1×10^(-11) секунди, което значително надвишава скоростта на мислене на човешкия мозък.

Ключови фактори

Точно както ни даде Проектът за човешкия геном, съхранението на данни и изчислителната мощност на ДНК (дезоксирибонуклеиновата киселина) може далеч да надвиши силициевите чипове, използвани в момента в компютрите. В момента компютърните учени работят върху разработването на генетични суперкомпютри, за да изградят нов век на информационните технологии, базирани на ДНК. ДНК, известна още като дезоксирибонуклеинова киселина, кара клетъчното ядро ​​да носи генетичния материал за инструкции за биологичен растеж. ДНК има невероятни възможности за съхранение на данни и вероятно ще бъде по-здрава от силиконовите пластини. Най-общо казано, функцията за съхранение на 1 милиграм ДНК е приблизително еквивалентна на 10 000 оптични диска. Още по-невероятното е, че ДНК също има способността да обработва трилиони изчислителни инструкции едновременно. Изследователите посочиха, че генетичните молекули ДНК и РНК, които кодират инструкции за жизнени дейности, могат да съхраняват повече данни от конвенционалните чипове с памет. Биологичният компютър в епруветката съдържа голям брой фрагменти от генетичен материал и всеки фрагмент е микрокомпютърен инструмент. Следователно биологичните компютри могат да извършват хиляди или дори милиони изчисления едновременно. За бъдещото използване на биологични компютри изследователите имат различни идеи. Един от тях е да му позволим да замени хората в клиничните изпитвания на нови лекарства. Той може да симулира различни промени в човешкото тяло чрез изчисления. Докато описанието на съставките на лекарството е въведено в биологичния компютър, резултатът от отговора ще бъде получен.

Изследователска посока

Биологичният компютър е страхотен проект, който човечеството очаква да бъде завършен през 21 век. Това е най-младият клон в компютърния свят. Настоящите изследователски посоки са приблизително две: едната е разработването на молекулярни компютри, тоест производството на органични молекулярни компоненти, които да заменят настоящите полупроводникови логически компоненти и компоненти за съхранение; другото е задълбочено изследване на структурата на човешкия мозък и законите на мисленето и преосмисляне на структурата на биологичните компютри.

Нови продукти

Според списание National Geographic, новоразработеният биокомпютър позволява на учените да „програмират“ молекули и да изпълняват „команди“ от живи клетки.

Кристина Смолке от Калифорнийския технологичен институт е един от съавторите на изследването. Той посочи, че биологични компютри като този един ден хората директно контролират биологичните изчислителни системи. Изследването ще бъде публикувано в списание "Science" на 17 октомври 2008 г. Биокомпютрите в крайна сметка ще имат интелект за генериране на биогорива от клетки. Например, те могат ефективно да контролират „умните лекарства“ при определени специални условия. Smerke каза: "Ако се открие определена болест, интелигентно лекарство може да вземе проба от клетъчна среда и да формира структура на последователност за самозащита."

Този нов тип биологичен компютър включва конструирани РНК фрагменти в дрождеви клетки. РНК е биологична молекула, подобна на ДНК. Той може да кодира генетична информация, като например как да се правят различни протеини. От гледна точка на изчислителното инженерство, „входът“ на биологичния компютър са молекулите, плаващи в клетката; "изходът" е промяната на протеиновите продукти. Например РНК компютърът вероятно ще свърже две различни молекули. Ако двете различни молекули са прикрепени заедно, това ще доведе до промяна на външния вид на биологичния компютър. Когато променената форма на биологичния компютър свърже ДНК, това ще повлияе пряко на генната експресия и ще забави производството на протеини.

Тези протеини ще повлияят на клетките по различни начини. Например, ако тези клетки са ракови клетки, протеините ще убият раковите клетки. Изследователският екип е проектирал различните части на компютъра RNA да бъдат модулни, така че тези компоненти да могат да се смесват и съчетават.

Смолк каза: „В зависимост от различните ни комбинации ще бъдат постигнати различни ефекти.“ Природата е склонна да образува сложни молекулни структури и тези сложни молекули могат да постигнат изключителни независими функции. . Трудно е да се установят някои взаимозаменяеми компоненти за изпълнение на разнообразни изчислителни функции, но този вид биологичен компютър има висока ефективност и постепенно ще узрее в бъдещи изследвания.

Много учени смятат, че е малко вероятно биологичните компютри да надминат или да се сравнят с днешните електронни компютри. Рон Вайс, електронен инженер и молекулярен биолог от Принстънския университет в Съединените щати, каза: "Те не могат да стартират Microsoft Windows или Wii игри толкова бързо, колкото нашите ежедневни компютри." Това, което прави биологичните компютри различни е, че могат потенциално да поправят или директно да повлияят на клетъчните процеси.

Вайс каза, че основно използва "клетъчен език" и това последно изследване ще разшири приложението на биологичните компютри. Предишният РНК компютър не беше много сложен.

Ехуд Шапиро, компютърен учен и биокомпютърен учен в Научния институт Weizmann в Израел, не участва в изследването на Smirk. , Изследователският екип, който той ръководи, успешно използва ДНК за изграждане на биологичен компютър, който може да работи в епруветка и да извършва някои прости математически операции.

Но биологичният компютър на Шапиро е различен от най-новия РНК компютър. Неговият молекулярен компютър от епруветка лесно се влияе и се намесва от външната среда. Шапиро каза: „Последните изследвания на Smolk показват, че нов тип биологичен компютър може да реализира работата на молекулите в клетките.“ Той се надява, че в бъдеще РНК компютрите могат да заменят сложните устройства, направени от протеини, които са най-естественото нещо, което познаваме. Ефективни устройства, ние знаем как да накараме РНК молекулите да изпълняват прости задачи, но не знаем как задвижват протеините. Това ще бъде цел на важни изследвания в бъдеще.