生物理论

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1.人类有一门学科叫仿生学,即通过对自然界生物特性的研究与模仿,来达到为人类社会更好地服务的目的。典型的例子如,通过研究蜻蜒的飞行制造出了直升机;对青蛙眼睛的表面“视而不见”,实际“明察秋毫”的认识,研制出了电子蛙眼;对苍蝇飞行的研究,仿制出一种新型导航仪——振动陀螺仪,它能使飞机和火箭自动停止危险的“跟头”飞行,当飞机强烈倾斜时,能自动得以平衡,使飞机在最复杂的急转弯时也万无一失;对蝙蝠没有视力,靠发出超声波来定向飞行的特性研究,制造出了雷达、超声波定向仪等;对“变色龙”的研究,产生了隐身科学和保护色的应用……
  2.仿生学同样可应用到计算机领域中。
  3. 科学家通过对生物组织体研究,发现组织体是由无数的细胞组成,细胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成,而有些有机物中的蛋白质分子像开关一样,具有“开”与“关”的功能。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。科学家把这种计算机叫做生物计算机。  生物计算机有很多优点,主要表现在以下几个方面:
  4.首先,它体积小,功效高。在一平方毫米的面积上,可容纳几亿个电路,比目前的集成电路小得多,用它制成的计算机,已经不像现在计算机的形状了,可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方。
  5.其次,当我们在运动中,不小心碰伤了身体,有的上点儿药,有的年轻人甚至药都不上,过几天,伤口就愈合了。这是因为人体具有自我修复功能。同样,生物计算机也有这种功能,当它的内部芯片出现故障时,不需要人工修理,能自我修复,所以,生物计算机具有永久性和很高的可靠性。
  6.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,而它的电路间也没有信号干扰。
  7.1983年,美国公布了研制生物计算机的设想之后,立即激起了发达国家的研制热潮。当前,美国、日本、德国和俄罗斯的科学家正在积极开展生物芯片的开发研究。从1984年开始,日本每年用于研制生物计算机的科研投资为86亿日元。
  目前,生物芯片仍处于研制阶段,但在生物元件,特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作,加快研究开发生物芯片。
  生物计算机一旦研制成功,可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。
  生物计算机是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。目前主要有:生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、生物化学反应算法等几种类型。
  计算机工业在近几十年内飞速发展,其速度令人瞠目。然而目前晶体管的密度已近当前所用技术的理论极限,晶体管计算机能否继续发展下去?所以,人们在不断寻找新的计算机结构。另一方面,人们在研究人工智能的同时,借鉴生物界的各种处理问题的方式,即所谓生物算法,提出了一些生物计算机的模型,部分模型已经解决了一些经典计算机难以解决的问题。  生物计算机目前主要有以下几类:
  1. 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。
  2. 自动机模型:以自动理论为基础,致力与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。
  3. 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。
  4. 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,从而提供运算的效率。DNA计算机属于此类。
  5. 细胞计算机:采用系统遗传学(system genetics)原理、合成生物技术,人工设计与合成基因、基因链、信号传导网络等,对细胞进行系统生物工程(system bio-engineering)改造与重编程序,可以做复杂的计算与信息处理,细胞计算机又称为湿计算机(wet computer),目前的计算机是干计算机(dry computer)。中科院曾邦哲(曾杰)1999年提出把遗传信息系统看作基因组智能(genomic intelligence)可以人工编程,重新设计细胞内复杂生物分子相互作用网络,从而使细胞成为人工生命系统(artificial biosystem),2002年在德国提出分子模块、细胞器、基因群设计细胞并设计细胞信号通讯的生物计算机模型,从而拓展了多元细胞计算机与层次的概
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