生物计算机

生物计算机（biological computer）指使用脱氧核糖核酸(DNA)或者诸如蛋白质的生物分子、检索、用于处理数据的计算系统。生物计算机包含一系列代谢途径，旨在代表根据输入状态做出反应的生物材料，这些代谢反应构成了计算的输出。生物计算机的分子集成密度和超大规模并行处理能力使其在运算速度、信息存储密度、与传统的电子计算机相比，它在能量损耗和体积方面有很大的优势。

生物计算机

生物计算机可以分为三种主要类型：生物化学计算机、生物力学计算机和生物电子计算机。它们分别利用生物分子的化学反应、机械响应和电响应实现信息处理功能。生物计算机具有各种功能能力，目前包括二进制逻辑运算和数学计算。

有一门人类学科叫仿生学，就是通过对自然界生物特性的研究和模仿，达到更好地服务于人类社会的目的。一个典型的例子是通过研究蜻蜓的飞行来制造直升机；在青蛙 的表面上的眼睛“视而不见”，实际“明察秋毫”了解，开发了电子蛙眼；在对苍蝇飞行研究的基础上，仿制了一种新型导航仪——振动陀螺仪，能使飞机火箭自动停止危险“跟头”飞行，当飞机强烈倾斜时，可以自动平衡，这样飞机在最复杂的急转弯中也万无一失；通过研究蝙蝠没有视觉，通过发射超声波定向飞行的特性，制成了雷达、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…

仿生学也可以应用到计算机领域。通过对生物组织的研究，科学家发现组织是由无数的细胞组成的，而细胞是由水组成的、盐、蛋白质核酸和其他有机化合物，以及有机物质中的一些蛋白质分子，像开关，都有“开”与“关”的功能。因此，人类可以利用基因工程技术复制这种蛋白质分子，并以此为元件制造计算机。科学家称这种计算机为生物计算机。

正如人类基因组计划启发我们的那样，DNA（脱氧核糖核酸）的数据存储和计算能力可能远远超过目前计算机使用的硅芯片。目前，计算机科学家正在努力开发基因超级计算机，以建立基于DNA的信息技术的新世纪。DNA又称脱氧核糖核酸，使细胞核携带生物生长指令的遗传物质。DNA有着不可思议的数据存储功能，大概比硅片还要强。一般来说，1毫克DNA的存储功能相当于1万张左右的光盘更不可思议的是，DNA还具有同时处理万亿条运算指令的能力。研究人员指出，编码生命活动指令的遗传分子DNA和RNA可以存储比常规存储芯片更多的数据试管生物计算机含有大量遗传物质的片段，每个片段都是一个微型计算工具，因此生物计算机可以同时进行数千甚至数百万次计算。研究人员对生物计算机的未来用途有各种各样的想法。其中之一就是让它在新药临床试验中代替人它可以通过计算模拟人体的多种变化只要把药物的成分描述输入生物计算机，就会得到反应结果。

生物计算的早期概念始于1959年，当时诺贝尔奖得主费曼提议在分子尺度上开发计算机；

自20世纪70年代以来，人们发现了脱氧核糖核酸（DNA）在不同的状态下，有信息和无信息都可能发生变化。科学家发现生物元素可以在逻辑电路中实现0和1、晶体管的开或关、电压的高或低、脉冲信号的存在或不存在等。经过特殊培养后制成的生物芯片可用作新型高速计算机的集成电路。

1994年，图灵奖获得者阿德曼提出了基于生化反应机制的DNA计算模型；

生物计算机方面的突破性工作是2007年北京大学提出的并行DNA计算模型，它将有一个61个顶点的a 3-所有48个3 颜色图表的s-所有的颜色都解决了，它的算法复杂度是，而这个搜索数，即使是当今最快的超级计算机，也需要13217年才能完成，这似乎预示着生物计算机的时代即将到来。

它的主要原料是生物工程技术生产的蛋白质分子，用作生物芯片。生物芯片比硅片上的电子元件小得多，而且生物芯片本身具有天然独特的三维结构，密度比平面硅集成电路高五个数量级。让数万亿个DNA分子在一种酶的作用下发生化学反应，可以让生物计算机同时运行数十亿次。生物计算机芯片本身也具有并行处理的功能，运算速度比最新一代计算机更快。一旦生物芯片出现故障，它可以自我修复，因此具有自愈能力。生物计算机具有生物活性，可以与人体组织有机结合，特别是与大脑和神经系统。这样，生物计算机就可以直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩展部分，可以通过人体细胞吸收营养和补充能量，因此不需要外部能量。它将被植入人体，帮助人类学习、思考、创造、发明的理想伙伴。此外，由于生物芯片中流动的电子之间发生碰撞的可能性极小，几乎没有阻力，因此生物计算机的能耗极小。

2021年3月，西班牙庞贝·法布拉大学的一个研究小组设计了“生物计算机”可以在纸上打印细胞。

生物分子或超分子芯片

基于传统的计算机模式，从寻找高效率、目前，生物体内的小分子已被电子信息载体和信息传递器所研究、大分子、人们对超分子生物芯片的结构和功能进行了大量的研究和开发。生物化学电路”即属于此。

自动机模型

基于自动化理论，我们努力寻找新的计算机模型，特别是用于特殊目的的非数值计算机模型。目前的研究主要集中在基本生物现象的类比上，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区别它的基本特征是集体计算，也叫集体主义，在非数值计算中、模拟、认可的潜力很大。

仿生算法

我们以生物智能为基础，致力于寻找一种新的具有仿生概念的算法模式虽然类似于自动机的思想，但是基于算法，不追求硬件的变化。

生化反应算法

基于可控的生化反应或反应体系，利用小体积内相似分子的高拷贝数，追求运算的高并行性，从而提高运算效率。DNA计算机就属于这一类。

细胞计算机

采用系统遗传学（系统 遗传学）原理、合成生物技术人工设计和合成基因、基因链、信号传导网络等系统化的生物工程细胞（系统 生物-工程）通过改造和重新编程，可以完成复杂的计算和信息处理，蜂窝计算机也被称为湿式计算机（湿 计算机）现在的电脑是干货电脑（干 计算机）

1994年，中国科学院曾邦哲发表了系统生物工程的基因组蓝图设计和生物机器组装、仿生学与基因工程的融合概念，如生物分子计算机细胞仿生工程等。中科院曾邦哲（曾杰）1999年，有人提出应将遗传信息系统视为基因组智能（基因组 智力）人工编程基因，重新设计细胞内生物分子复杂的相互作用网络，使细胞成为人工生命系统（人工 生物系统），并在网上公布了人工设计细胞内分子电路系统的概念图，与“人工生命”从而提出计算机仿生学、研究了基因工程细胞分子机器的设计和组装，2002年德国提出了分子模块、细胞器、基因组设计细胞，设计细胞信号通讯的生物计算机模型，从而扩展了多细胞计算机和层次的概念。生物计算机的研究和开发已经成为现代合成生物学的重要组成部分。

生物计算机具有各种功能能力，目前包括二进制逻辑运算和数学计算。

麻省理工学院(MIT)人工智能实验室的Tom Knight首先提出了一个生物计算模型，在这个模型中，蛋白质浓度被用作逻辑运算的二进制信号。生物计算机的化学路径中的生化产物的浓度等于或超过一定水平，这表明“1”和“一个信号值，浓度低于这个水平表示“1”和“另一个信号值在。利用这种方法进行计算和分析，生物计算机可以进行逻辑运算，只有当初始条件满足特定的逻辑约束时，才会出现合适的二进制输出。换句话说，适当的二进制输出是从一组初始条件中得出的结论。

除了上述类型的逻辑运算，生物计算机还可以展示其他功能，如数学计算。一个例子是，W.L.Ditto.1999年Georgia Tech制造了一台生物计算机它由水蛭神经元组成，可以进行简单的加法运算。

这些只是生物计算机被设计来执行的一些著名的用途。生物计算机的功能变得越来越复杂。由于与生物分子和生物计算机的生产相关的可行性和潜在的经济效益，生物计算机技术的发展是一个热门的和迅速增长的研究课题，并且在未来可以看到更多的进展。

优点

1983年，美国提出了生物计算机的概念。此后，各个发达国家开始研制生物计算机。生物学家将仿生学应用于生物计算机领域，产生了生化分子框架生物计算机的观点。目前，生物计算机仍处于蓬勃发展阶段，国内外都在积极开发新的生物芯片。虽然生物计算机并没有取得重大的颠覆性进展，但一些学者甚至提出了目前生物计算机的一系列缺点，比如遗传物质的生物计算机受外界环境因素的干扰、无法检测到计算结果、生化反应可以 不能保证成功率等此外，很难在基于蛋白质分子的芯片上运行文本编辑器。但是，这些问题并不会影响生物计算机这个极具诱惑的领域的快速发展随着人类技术的不断进步，这些问题终将得到解决，生物计算机的商业化将会到来。

生物计算机是全球高技术领域中最具生命力和发展潜力的学科，涉及包括计算机科学在内的多个学科、脑科学、分子生物学、生物物理、生物工程、电子工程等相关学科。它的主要原料是生物工程技术生产的蛋白质分子，用作生物芯片。生物计算机芯片本身也具有并行处理的功能，运算速度比最新一代计算机快10万倍，能耗只有普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间只占十亿分之一。生物计算机有很多优势，主要表现在以下几个方面：

1.体积小，功效高。

生物计算机的面积可容纳数亿个电路，比目前的电子计算机高出数百倍。同时，不再具有计算机形状的生物计算机可以隐藏在桌子的角落里、墙或地板等地方，同时发热和电磁干扰大大降低。

2.生物计算机的芯片持久性和可靠性

生物计算机是永久性的，高度可靠。如果能发挥生物体本身的修复机制，即使芯片失效也能自我修复。这是生物计算机极具吸引力的潜在优势）蛋白质分子可以自我组装，可以生成新的微电路，而且是活性的，所以生物计算机具有生物特性。生物计算机不再像电子计算机一样，电子计算机可以t自动修复损坏的芯片生物计算机可以发挥生物调节功能，自动修复受损芯片。因此，生物计算机可靠性高，不易损坏，即使芯片出现故障，也能自动修复。因此，生物计算机芯片具有一定的持久性。

3.生物计算机的存储和并行处理

与传统的电子计算机相比，生物计算机在存储方面有很大的优势。一克DNA可以存储一万亿张光盘那么多的信息，存储密度是常用磁盘存储的1000亿到1万亿倍。生物计算机还具有超强的并行处理能力逻辑运算可以通过狭窄区域内的生化反应实现，数百亿个DNA分子构成大量DNA计算机进行并行运算。特别是生物神经计算机具有良好的并行分布式存储和广义容错性。它在处理Boltzmann自动机模型和一些非数值问题方面显示出巨大的潜力。真正摆.摆脱冯诺依曼模式，真正实现智能化。

生物计算机的数据传输和通信过程简单，并行处理能力可与超级电子计算机相媲美DNA分子碱基的不同排列顺序作为计算机的原始数据，相应的酶通过生化变化对DNA碱基进行基本操作，可以实现电子计算机的各种功能。

生物计算机包含大量遗传物质工具，可以同时进行数百万次计算。传统的电子计算机以目前的速度逐个测试所有可能的解，生物计算机同时处理每个分子库中的所有分子，而不是依次分析可能的答案。电子计算机相当于有一串钥匙，每次用一把钥匙开锁，而生物计算机一次用几百万把钥匙，计算速度会比现有的超级计算机快100万倍。生物计算机的运算时间可高达每秒或更高进一步发展并与其他高新技术相结合将有广阔的前景。

4.发热与信号干扰

生物计算机组件是由有机分子组成的生化组件，通过化学反应工作，所以；它只需要一点能量就能工作，所以它赢了不要像电子计算机一样工作一段时间后，身体会发热，生物计算机的电路之间没有信号干扰。

5.数据错误率

DNA链的另一个重要性质是双螺旋结构，a碱基和t碱基、c碱基和G碱基形成一个碱基对。每个DNA序列都有一个互补序列。这种互补性是生物计算机的独特优势。如果DNA的双螺旋序列出现错误，修饰酶可以参考互补序列来修复错误。双螺旋结构相当于电脑硬盘的RAID1阵列，一个硬盘是另一个硬盘的镜像当第一个硬盘损坏时，可以通过第二个硬盘修复数据。生物计算机本身具有修改错误的特性，所以生物计算机的数据错误率低。

缺点

作为有待完善的新一代计算机，生物计算机优势明显。但它也有自己不可克服的缺点。其中最重要的是从中提取信息的难度。一台生物计算机在24小时内完成了人类所有的计算，却要花一周的时间才能从中提取出一条信息。这也是生物计算机目前不流行的主要原因。

生物计算系统的研究包括两个方面设备和系统。

利用有机(或生物)材料在分子尺度上形成有序系统，通过分子水平上的物理和化学过程提供信息检测、处理、传输和存储的基本单位称为分子器件。1974年，Ａ.Ｌ.阿维拉姆和M.Ａ.拉特纳首先提出了分子整流器模型。1978年，Ｆ.卡特明确提出了分子器件的概念。虽然生物处理器芯片的研究仍处于实验室阶段，但在生物元件特别是生物传感器的开发中，已经取得了许多实用的成果和应用。目前对生物处理器芯片的研究表明，其尺寸有望超过VLSI工艺的极限，并且具有很高的适应性、丰富的时变特性，有利于大规模互联。2013年，由Drew   Endy领导的斯坦福大学生物工程小组宣布，他们已经制造出了一种生物等效的晶体管。本发明是构建全功能计算机的三个基本要素(数据存储、信息传输、基本逻辑系统)中的最后一个。

生物计算系统不仅对设备有新的要求，而且其结构和计算原理也不同于传统计算系统。其结构一般是平行分布的。信息的储存往往是短期记忆(快过程)和长时记忆(慢过程)的结合，是通过学习来完成的。它的计算是一个复杂的动态过程，没有精确的时间同步，只能在分形时间尺度上描述。1994年，美国南加州大学提出了研制DNA计算机的设想，并通过DNA计算解决了7点哈密尔顿路径问题，显示了DNA计算的巨大潜力。以色列魏茨曼科学中心2002年实现了由酶和DNA组成的可编程分子计算机，2004年实现了具有输入输出部件的DNA计算机。

生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程。是计算机世界最年轻的分支。目前研究方向大致有两个：一方面是发展分子计算机，即制造有机分子元件来代替现在的半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律，进而构思生物计算机的结构。

据美国国家地理杂志报道，新开发的新型生物计算机允许科学家进行分子研究“编程”并由活细胞执行“命令”

加州理工学院（加州 研究所 技术）的克里斯蒂娜·斯默尔克（克里斯蒂娜 斯莫尔克）是这项研究的合作者之一，他指出，像这样的生物计算机有一天将使人类能够直接控制生物计算系统。这项研究将发表在2008年10月17日的《科学》杂志上。

生物计算机最终将拥有从细胞中产生生物燃料的智能，例如：能在特殊情况下实现有效控制“智能药物”斯默尔克说，“如果检测到疾病，智能药物可以从细胞环境中取样，形成自我防御序列结构。

这种新的生物计算机包括在酵母细胞中组装的工程RNA片段RNA是一种类似于DNA的生物分子，可以编码遗传信息，如：如何制作一个多样化的蛋白质。从计算工程的角度来看，生物计算机“输入”It 漂浮在细胞中的s分子；输出”It 这是蛋白质产品的变化。例如，RNA计算机很可能与两种不同的分子绑定在一起如果将两种不同的分子连接在一起，生物计算机的外观将会发生变化。当DNA被改变形状的生物计算机束缚时，它将直接影响基因表达并减缓蛋白质中的制造。

这些蛋白质会以不同方式影响细胞，例如：如果这些细胞是癌细胞，蛋白质会杀死它们。研究小组设计的RNA计算机的不同部分可以由模块组成，因此这些组件可以混合和组装。

斯默尔克说，“根据我们不同的组合，会达到不同的效果。自然界往往会形成复杂的分子结构，但这些复杂的分子却能实现非凡的独立功能。很难建立一些可互换的组件来执行多样化的计算功能，但这种生物计算机效率高，将在今后的研究中逐渐成熟。

许多科学家认为，生物计算机不太可能超越或匹敌今天 电子计算机。美国普林斯顿大学电子工程师分子生物学家罗恩·韦斯（Ron Weiss）说，“他们可以 不能像我们日常使用的电脑一样运行微软的Windows或Wii游戏。与其他人不同，生物计算机可以潜在地修复或直接影响细胞过程。

维斯说它基本上使用了一种“细胞语言”这项最新研究将拓展生物计算机的应用领域。以前的RNA计算机并不是很复杂。

以色列魏茨曼学院（魏茨曼科学研究所）埃胡德，计算机科学家和生物计算机科学家·沙皮罗（埃胡德 夏皮罗）他没有参加Merke 的研究在此之前，他的研究小组成功地利用DNA建造了一台生物计算机，它可以在试管中工作，并执行一些简单的数学运算。

然而，夏皮罗 s的生物计算机不同于最新的RNA计算机，他的试管分子计算机很容易受到外界环境的影响和干扰。沙皮罗说，“默克公司最新研究表明，新的生物计算机可以实现细胞中分子的操作。他希望未来RNA计算机可以取代蛋白质制造的复杂装置蛋白质是目前我们所知道的自然界中最有效的装置我们知道如何让RNA分子执行简单的任务，但我们不知道如何让RNA分子执行简单的任务我不知道它们如何驱动蛋白质。这将是未来重要研究的一个目标。

北京时间2021年3月25日消息，目前，西班牙庞贝·法布拉大学的一个研究小组设计了“生物计算机”可以在纸上打印细胞。这份最新研究报告发表在最近出版的《自然通讯杂志》上。