生物計(jì)算機(jī)課件

生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)什么是生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要內(nèi)容生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)什么是生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要內(nèi)容1生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的瓶頸生物計(jì)算機(jī)的可能性有機(jī)分子的優(yōu)點(diǎn)生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的瓶頸生物計(jì)算機(jī)的可能性有機(jī)分子的2生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)人們驚嘆于錢鐘書先生超凡的記憶力。據(jù)說(shuō)有人從圖書館隨便翻出什么古典文集來(lái)，錢鐘書都能準(zhǔn)確無(wú)誤地復(fù)述其內(nèi)容。20世紀(jì)的人，只能為之興嘆，稱之為天才；但是，生活在21世紀(jì)的人們就有可能與錢鐘書在記憶力上一試高低。這種可能性來(lái)自即將成為21世紀(jì)人類生活新伙伴的生物電腦。生物計(jì)算機(jī)的由來(lái)人們驚嘆于錢鐘書先生超凡的記憶力。據(jù)說(shuō)有人從3傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的瓶頸目前以集成電路為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)快要發(fā)展到極限。按照目前的速度，計(jì)算機(jī)發(fā)展遵循的“摩爾定律”（每18個(gè)月芯片速度翻一番，價(jià)格降低一半）將會(huì)失效。從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長(zhǎng)，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測(cè)試幾乎成為不可能。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的瓶頸目前以集成電路為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)快要發(fā)展4傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的瓶頸一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作。目前最先進(jìn)的集成電路已含有17億個(gè)晶體管。再增加是很困難的，必須想別的出路。生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)姻的生物計(jì)算機(jī)成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)新的突破口。生物計(jì)算機(jī)就是利用生物分子代替硅，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的高度集成。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的瓶頸一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于5生物計(jì)算機(jī)的可能性人類有一門學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過(guò)對(duì)自然界生物特性的研究與模仿，來(lái)達(dá)到為人類社會(huì)更好地服務(wù)的目的。典型的例子如：通過(guò)研究蜻蜓的飛行制造出了直升機(jī)；對(duì)青蛙眼睛的表面“視而不見”，實(shí)際“明察秋毫”的認(rèn)識(shí)，研制出了電子蛙眼；對(duì)蝙蝠沒有視力，靠發(fā)出超聲波來(lái)定向飛行的特性研究，制造出了雷達(dá)、超聲波定向儀等；對(duì)“變色龍”的研究，產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護(hù)色的應(yīng)用……生物計(jì)算機(jī)的可能性人類有一門學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過(guò)對(duì)自然界生物6生物計(jì)算機(jī)的可能性蝙蝠用超聲波來(lái)定向，人類可以制造一臺(tái)這樣的超聲定向儀，其體積卻要比蝙蝠大上許多倍。生物體的這種高效能和超小型使科學(xué)家獲得啟發(fā)：能否也用有機(jī)物來(lái)制造計(jì)算機(jī)呢？電子計(jì)算機(jī)最基本的構(gòu)件是開關(guān)元件，正是這千百萬(wàn)只開關(guān)組成的電路顯現(xiàn)出各種奇妙的功能。電子計(jì)算機(jī)也恰與“關(guān)”和“開”相對(duì)應(yīng)。生物計(jì)算機(jī)的可能性蝙蝠用超聲波來(lái)定向，人類可以制造一臺(tái)這樣的7生物計(jì)算機(jī)的可能性早在20世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處于不同狀態(tài)時(shí)可以代表“有信息”或“無(wú)信息”。于是，科學(xué)家設(shè)想：假若有機(jī)物的分子也具有這種“開”和“關(guān)”的功能，那豈不可以把它們作為計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件，從而造出“有機(jī)物計(jì)算機(jī)”嗎?一些半醒類有機(jī)化合物的分子具備“開”和“關(guān)”2種電態(tài)功能，可以把它當(dāng)成一個(gè)開關(guān)；蛋白質(zhì)分子中的氫也具備“開”和“關(guān)”2種電態(tài)功能，因而也可以把一個(gè)蛋白質(zhì)分子當(dāng)成一個(gè)開關(guān)。生物計(jì)算機(jī)的可能性早在20世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核8有機(jī)分子的優(yōu)點(diǎn)由于有機(jī)分子構(gòu)成的生物化學(xué)元件的特殊性，從而使有機(jī)計(jì)算機(jī)具有三大顯著優(yōu)點(diǎn)：體積小，功效高以分子水平的線路為目標(biāo)的生物化學(xué)元件其大小可能達(dá)到幾百埃（一萬(wàn)萬(wàn)分之一厘米

），1平方毫米的面積上可容數(shù)億個(gè)電路，比目前的電子計(jì)算機(jī)提高了上百倍。使生物本身固有的自我修復(fù)機(jī)能得到發(fā)揮，這樣即使芯片出了故障也能自我修復(fù)，所以有機(jī)計(jì)算機(jī)具有半永久性，可靠性很高。有機(jī)分子的優(yōu)點(diǎn)由于有機(jī)分子構(gòu)成的生物化學(xué)元件的特殊性，從9有機(jī)分子的優(yōu)點(diǎn)從根本上說(shuō)來(lái)，由有機(jī)分子構(gòu)成的生物化學(xué)元件是利用化學(xué)反應(yīng)工作的，所以只需很少能量就可工作，不存在發(fā)熱問(wèn)題。有機(jī)計(jì)算機(jī)目前也正處于研制階段，它一旦制造成功，將使現(xiàn)有的一切電子計(jì)算機(jī)大為遜色。

有機(jī)分子的優(yōu)點(diǎn)從根本上說(shuō)來(lái)，由有機(jī)分子構(gòu)成的生物化學(xué)元件是利10什么是生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)DNA計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)什么是生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)DNA計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)11生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)主要是以生物電子元件構(gòu)建的計(jì)算機(jī)。它利用蛋白質(zhì)有開關(guān)的特性，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(lái)決定的。用蛋白質(zhì)制成的計(jì)算機(jī)芯片，它的一個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)只有一個(gè)分子大小，所以它的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通計(jì)算機(jī)的十億倍。由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路，其大小只相當(dāng)于硅片集成電路的十萬(wàn)分之一。而且運(yùn)行速度更快，只有10-11秒，大大超過(guò)人腦的思維速度。生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)主要是以生物電子元件構(gòu)建的計(jì)算機(jī)。12DNA計(jì)算機(jī)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸（DNA）有一種特性，能夠攜帶生物體的大量基因物質(zhì)。從中得到啟迪，正在合作研究制造未來(lái)的液體DNA電腦。DNA電腦的工作原理是以瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)和酶的相互作用，將發(fā)生過(guò)程進(jìn)行分子編碼，把二進(jìn)制數(shù)翻譯成遺傳密碼的片段，每一個(gè)片段就是著名的雙螺旋的一個(gè)鏈，然后對(duì)問(wèn)題以新的DNA編碼形式加以解答。DNA計(jì)算機(jī)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸（DNA）有一種特性13生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)密集度高它體積小，功效高。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個(gè)電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計(jì)算機(jī)，已經(jīng)不像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的形狀了，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方。

速度快分子邏輯元件的開關(guān)速度比目前的硅半導(dǎo)體邏輯元件開關(guān)速度高出1000倍以上。如果讓幾萬(wàn)億個(gè)DNA分子在某種酶的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，就能使生物計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行幾十億次，這就意味著運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)快十萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一。生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)密集度高它體積小，功效高。在一平方毫米的14生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可靠性高由生物分子構(gòu)成的分子集成電路(生物芯片)也同一般的生物體一樣，具有“自我修復(fù)”的機(jī)能，也就是說(shuō)，即便這種芯片出了點(diǎn)故障也無(wú)關(guān)大局，它能夠慢慢地自動(dòng)恢復(fù)過(guò)來(lái)，達(dá)到“自我修復(fù)”。所以，這種生物計(jì)算機(jī)的可靠性非常高，經(jīng)久耐用，具有“半永久性”。這對(duì)于目前的電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是一件不可思議的事情。擬人性生物計(jì)算機(jī)的主要原材料是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，生物計(jì)算機(jī)具有生物活性，能夠和人體的組織有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，尤其是能夠與大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可靠性高由生物分子構(gòu)成的分子集成電路(生15生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)這樣，生物計(jì)算機(jī)就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴(kuò)充部分，并能由人體細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內(nèi)，成為幫助人類學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片內(nèi)流動(dòng)電子間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計(jì)算機(jī)的能耗極小。由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，比如能模仿人腦的思考機(jī)制。生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)這樣，生物計(jì)算機(jī)就可直接接受大腦的綜合指揮，16生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)自我修復(fù)性當(dāng)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中，不小心碰傷了身體，有的上點(diǎn)兒藥，有的年輕人甚至藥都不上，過(guò)幾天，傷口就愈合了。這是因?yàn)槿梭w具有自我修復(fù)功能。同樣，生物計(jì)算機(jī)也有這種功能，當(dāng)它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時(shí)，不需要人工修理，能自我修復(fù)，所以，生物計(jì)算機(jī)具有永久性和很高的可靠性。生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)自我修復(fù)性當(dāng)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中，不小心碰傷了身17生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)生物計(jì)算機(jī)最終會(huì)促使電腦與人腦的融合，目前最新一代實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)正在模擬人類的大腦。英國(guó)劍橋大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了“生物電路”，一些蛋白質(zhì)的主要功能不是構(gòu)成生物的某些結(jié)構(gòu)，而是用于傳輸和處理信息。人們正努力尋找神經(jīng)原與硅芯片之間的相似處，研制基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)。盡管目前研制出來(lái)的最先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有的智力還非常有限，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，仿生計(jì)算機(jī)是未來(lái)發(fā)展之路。國(guó)外有科學(xué)家預(yù)言，到2020年，運(yùn)算速度更快的生物將取代硅芯片。

生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)生物計(jì)算機(jī)最終會(huì)促使電腦與人腦的融合，目18生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)生物計(jì)算機(jī)能夠如同人腦那樣進(jìn)行思維、推理，能認(rèn)識(shí)文字、圖形，能理解人的語(yǔ)言，因而可以成為人們生活中最好的伙伴，擔(dān)任各種工作，如可應(yīng)用于通訊設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航、工業(yè)控制領(lǐng)域，發(fā)揮它重要的作用。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室生物計(jì)算機(jī)部的物理學(xué)家們正在研制由芯片構(gòu)成的人造耳朵和人造視網(wǎng)膜，這項(xiàng)技術(shù)的成功有望使聾盲人康復(fù)。生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)生物計(jì)算機(jī)能夠如同人腦那樣進(jìn)行思維、