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【工业之美】这台犹如书本大小的迷你超级计算机是由生物细胞来传递信号

尽管这台生物超级计算机能够处理复杂的经典数学问题,但不具备传统超级计算机的全面功能,不能独自处理天气预报、生命科学的基因分析和航天等高科技领域的难题。

图片来源:视觉中国

如今仿生学运用于机械设备中已不再罕见,生命与机器的结合给予人们灵感,创造了很多作品。相比较而言,仿生学在计算机中的运用则少很多。科学家们往往将这种生命与计算机结合而成的新设备称为生物计算机或者DNA计算机。

与传统电子计算机的本质区别在于,生物计算机并不依靠电流来传递信号,而是通过生物体内的材料——主要包括脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和蛋白质分子这三种材料来进行信号传递。人体的细胞也主要由上述三种生物体材料构成。

据《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,PNS)报道,生物计算机并不需要直接使用生物体材料,人们可以利用遗传工程技术模仿制造出DNA、RNA和蛋白质分子,来作为计算机的生产材料。

生物电子计算机想象图 来源:科学网

正因生物计算机的生产材料体积非常微小,自身体积也非常小;又由于生物体材料能够通过化学反应来工作,需要的能量非常少。传统电子计算机需要源源不断的电力来支撑工作;而生物体材料因可以自身修复,所以生物计算机也继承了自我修复的功能。

生物计算机的另一个显着特点就是存储量极大。单个细菌细胞大小只有1立方微米左右,却能容纳超过1M字节的DNA存储器。

人体活细胞和传统电子计算机的晶体管相似 来源:《美国科学院院报》

2016年3月,加拿大麦基尔大学(McGill University)的科学家Dan Nicolau与所在团队研发了一款生物超级计算机模型,它不仅和一般的电子超级计算机一样快速且精准地处理信息,而且体积只有一本书大小。

食铁磁性细菌用于制造超级计算机硬盘的显微镜图 来源:麦基尔大学官网

超级计算机的体积一般都极为庞大,以全球运行速度最快的中国超级计算机天河二号为例,它由170个机柜组成,包括125个计算机柜、8个服务机柜、13个通信机柜和24个存储机柜,占地面积720平方米。

“天河二号”超级计算机 来源:百度百科
“天河二号”超级计算机 来源:百度百科

超级计算机的基本组成组件与个人电脑无太大差异,能够计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题,主要特点表现为高速度和大容量,现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一太(即Trillion,万亿)次以上。

Dan Nicolau所研发的生物超级计算机,基本上是由细胞中的蛋白质分子和提供细胞能量的三磷酸腺苷(ATP)来进行信号传递。在生物超级计算机一平方毫米的面积上,可容纳几亿个电路,比我们见到的集成电路要小得多,而且电路间也没有信号干扰。也不会向传统电子计算机一样大量产生热量。

蛋白质分子和ATP进行信号传递图 来源:科学网

麦基尔大学官网消息称,生物超级计算机模型电路看起来像有组织的繁华大城市的道路地图,实际上它是纳米工程组成的一个几何模型。

其中最重要的零部件之一——生物超级计算机的芯片只有1.5立方厘米,主要由各种蛋白质分子构成。“我们的目的是在很小的空间内创建复杂的网络系统。”Dan Nicolau说道。他还表示,其团队在芯片上蚀刻了完整的电路渠道,以电荷取代电子在传统计算机的芯片中移动,并用ATP来驱动蛋白质分子在电路中移动,从而产生能量。“就像城市中不同尺寸的汽车和卡车需要不同种类的马达来驱动一样,我们的设计也是类似的,通过消耗燃料以持续在建立好的道路上前进。”Dan Nicolau解释道。

ATP来驱动蛋白质分子在电路中移动模拟图 来源:麦基尔大学官网

不过,Dan Nicolau也指出,虽然这台生物超级计算机能够处理复杂的经典数学问题,但不具备传统超级计算机的全面功能,难以独自处理天气预报、生命科学的基因分析和航天等高科技领域的难题。他认为面对这些问题生物超级计算机需要结合传统超级计算机一起来解决。

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