生物计算机

常　红

目前，计算机工业飞速发展，计算机技术日益成熟。然而晶体管的密度已接近当前技术的理论极限，发展空间似乎越来越小，因此人们不断寻找新的计算机结构。为了实现高集成度，使计算机得到进一步发展，科学家们把目光转向了分子生物学方面，并借鉴生物界的各种处理问题的方式(生物算法)，提出了一些生物计算机的模型。

在过去的半个多世纪中，分子生物学将生命现象分解成大量基因和蛋白质的组成。英国《自然》杂志报道，英国剑桥大学研究发现了“生物电路”。他们对一种细菌中的蛋白质进行研究发现，细菌内部存在着由蛋白质构成的信息处理网络，该网络可根据分子密度和形状等性质的变化传递和处理信息，并根据接收到的信息而驱使细菌游向营养物质所在的地方。同样，美国斯坦福大学的专家在细菌中也发现了“生物电路”，并在生物利用能量糖酵解过程中发现了-逻辑运算现象，找到了有关的“逻辑门”。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。

上世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，科学家们激发了研制生物元件的灵感。在此基础上，1995年，来自世界各国的200多位有关专家共同探讨了DNA计算机的可行性，认为DNA分子间在酶的作用下通过生物化学反应可以从某种基因代码转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程也可以制成新型的生物计算机。

生物计算机目前主要有以下几类：

生物分子或超分子芯片：立，足于传统计算机模式，从寻找高效、体微的电子信息载体及信息传递体入手，目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物芯片的结构与功能做了大量的研究与开发。“生物化学电路”即属于此。

自动机模型：以自动理论为基础，致力于寻找新的计算机模式，特别是特殊用途的非数值计算机模式。目前研究的热点集中在基本生物现象的类比，如神经网络、免疫网络、细胞自动机等。不同自动机的区别主要是网络内部连接的差异，其基本特征是集体计算，又称集体主义，在非数值计算、模拟、识别方面有极大的潜力。

仿生算法：以生物智能为基础，用仿生的观念致力于寻找新的算法模式，虽然类似于自动机思想，但立足点在算法上，不追求硬件上的变化。

生物化学反应算法：立足于可控的生物化学反应或反应系统，利用小容积内同类分子高拷贝数的优势，追求运算的高度并行化，从而提高运算的效率。DNA计算机属于此类。

生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用生物工程技术产生蛋白质分子：并以它们做元件制成集成电路一也就是生物芯片。生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型的硅集成电路高5个数量级，因此生物元件比硅芯片上的电子元件要小很多，甚至可以小到几十亿分之一米。如用血红素制成的生物芯片，1平方毫米能容纳10亿个门电路，其开关速度达到10皮秒(十万亿分之一秒)。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。并且；用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机的10亿倍。

此外，由于生物具有自我修复功能，生物芯片一旦出现故障，不需要人工修理也可以进行自我修复。所以，生物计算机具有“半永久性”和很高的可靠性。再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了。因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而且它的电路间也没有信号干扰。

生物计算机具有较高的人工智能，能够如同人脑那样进行思维、推理，能认识文字、图形，能理解人的语言，因而可以担任各种工作。更令人惊异的是，生物计算机的元件密度比人的神经元密度还要高100万倍，其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。而且，由于具有生物活性，它能够和人体的组织有机地结合起来，既可以从人体细胞吸收营养来补充能量，还可以与大脑和神经系统相连，从而直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分。未来，它将成为能植入人体内，帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。例如：把生物电脑植入人的大脑内，可以使盲人“复明”，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若是植入血管中，则可以监视人体内_的化学变化，使人的体质增强，使残疾人重新站立起来。

目前最新一代实验生物计算机正在模拟人类的大脑。人们正努力寻找神经元与硅芯片之间的相似处，研制基于神经网络的计算机。尽管目前研制出来的最先进的神经网络拥有的智力还非常有限，但大多数科学家认为，生物计算机是未来的发展之路。(文章代码：2012)

责任编辑赵新宇