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        奇妙又高效的生物計算機

        2024-11-21 00:00:00李偉
        檢察風(fēng)云 2024年21期

        人工智能(AI)的發(fā)展不斷取得突破,展現(xiàn)出前所未有的智能水平,但它仍然依賴20世紀(jì)50年代奠定基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)。面對AI領(lǐng)域數(shù)據(jù)存儲量及能耗激增的挑戰(zhàn),研究人員將目光投向生物計算機這一新興領(lǐng)域。奇妙的生物計算機以細菌、細胞以及類器官作為硬件基礎(chǔ),其新型計算架構(gòu)在能效方面有望超越傳統(tǒng)計算機。

        細菌計算機

        據(jù)英國《自然》雜志報道,一項最新研究表明,經(jīng)過基因改造的細菌能夠識別出質(zhì)數(shù)、元音,并用特殊的方式加以表達。

        印度加爾各答薩哈核物理研究所專家桑格拉姆·巴格和他的團隊,對屬于大腸桿菌的一種細菌進行了基因改造,使其能以各種方式組合起來,解決一些問題。改造后形成的細菌神經(jīng)元,在隨后的實驗中以多種組合方式排列,完成了多達12項任務(wù)。研究人員表示,這是一種類似樂高積木的模塊化系統(tǒng)。它們不是多細胞生物,但能夠作為一個多細胞實體共同參與工作。

        眾所周知,傳統(tǒng)計算機用低電壓和高電壓表示的0和1傳遞信息。在細菌神經(jīng)元中,化學(xué)物質(zhì)成為傳遞信息的元素。經(jīng)過改造的細菌能對一些化學(xué)刺激作出反應(yīng)。通過一定的轉(zhuǎn)換機制,細菌能發(fā)出綠色或紅色的熒光。發(fā)光的細菌神經(jīng)元通過各種排列組合,可以顯示從0到9之間的某個數(shù)字是否為質(zhì)數(shù),或者從A到L之間的某個字母是否為元音字母,從而實現(xiàn)計算和輸出。

        每個細菌神經(jīng)元的長度在2—5微米。它們裝有“化學(xué)電源”,可以通過上述機制模擬輸入數(shù)據(jù)、計算和輸出數(shù)據(jù)的操作。研究人員指出,細菌計算機在體積、工作效率和成本方面都勝過傳統(tǒng)計算機。其體積比傳統(tǒng)計算機要小得多。由于能夠自我復(fù)制,細菌計算機經(jīng)過發(fā)展和改進可以實現(xiàn)大規(guī)模組裝,形成成本低廉的超級計算機。

        多個國家的科研人員都在研發(fā)細菌計算機。英國西英格蘭大學(xué)的阿達馬茨基教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊,在今年3月成功開發(fā)出一款以細菌為原材料的計算機。在這部計算機中,菌體可充當(dāng)導(dǎo)體和電子元件。它們能接收及發(fā)送電信號,并保存信息。“與傳統(tǒng)計算機相比,細菌計算機具有多項優(yōu)勢?!卑⑦_馬茨基表示,“其優(yōu)勢體現(xiàn)在便捷性、環(huán)境適應(yīng)性、成本效益以及與現(xiàn)有技術(shù)有效集成等方面?!?/p>

        阿達馬茨基表示,未來以細菌計算機作為硬件基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò),將表現(xiàn)出與神經(jīng)元系統(tǒng)類似的特性,比傳統(tǒng)計算機更高效,運算能力更強。他計劃利用細菌的電學(xué)特性創(chuàng)建類似人類大腦的計算機系統(tǒng),該系統(tǒng)將具備學(xué)習(xí)、存儲、計算、模式識別等多種功能。

        《自然》雜志指出,細菌計算機相當(dāng)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。未來組織結(jié)構(gòu)更龐大、更復(fù)雜的細菌計算機必將被納入ChatGPT等大型語言模型的核心。

        細胞計算機

        “生物計算有多種形式?!蔽靼嘌绹疑锛夹g(shù)中心研究員安赫爾·莫雷諾表示。莫雷諾和他的團隊致力于生物計算機的研發(fā)。他們的研究重點是細胞計算機,即利用經(jīng)過改造的活細胞創(chuàng)建能復(fù)制內(nèi)存并進行邏輯運算的系統(tǒng)。

        莫雷諾指出,細胞計算機能對環(huán)境作出反應(yīng),并通過計算給出應(yīng)對方案。它最初的應(yīng)用領(lǐng)域是促進生物修復(fù),特別有助于受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。

        細菌計算機工作原理模型
        類器官計算機接入傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)想象圖
        集成細胞計算機的硬件單元

        “這是傳統(tǒng)計算機難以涉及的領(lǐng)域?!蹦字Z說,“我們不能把一臺傳統(tǒng)計算機扔進湖里,然后讓它通過計算評估環(huán)境,再給出修復(fù)受損環(huán)境的方案。淹沒在水下的細胞計算機能隨著細胞對化學(xué)刺激和其他刺激的反應(yīng),對環(huán)境進行細致入微的解讀——這是細胞計算機一個可能的應(yīng)用場景?!?/p>

        莫雷諾的團隊利用單細胞生物創(chuàng)建了一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并完成了簡單的輸入、運算和輸出實驗。研究人員表示,接下來將嘗試組建能夠解決更復(fù)雜問題的可編程細胞計算機。

        類器官計算機

        瑞士FinalSpark公司是生物計算機研發(fā)領(lǐng)域的先行者之一。今年5月,該公司推出了“神經(jīng)平臺”(Neuroplatform)。它是世界上第一部類器官計算機,由16個類器官組成。該公司將這種“活體計算機”定位為傳統(tǒng)硅基計算機的接班者。

        據(jù)《科學(xué)美國人》雜志報道,“神經(jīng)平臺”的耗電量是傳統(tǒng)數(shù)字處理器的百萬分之一,展現(xiàn)出驚人的能效比。該平臺擁有一系列處理單元,每個單元包含4個直徑為0.5毫米的球形類腦器官。每個類腦器官都與8個電極相連。這些電極能夠?qū)︻惼鞴賰?nèi)的神經(jīng)元實施電刺激,并將類器官接入傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元有選擇性地暴露在神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺中,以模仿人類大腦的“自然獎賞”系統(tǒng)。

        FinalSpark公司研發(fā)人員表示,這種雙重設(shè)計,即多巴胺“獎賞”和電刺激,能夠訓(xùn)練類器官的神經(jīng)元,這與人腦的學(xué)習(xí)方式非常相似。如果這項技術(shù)進一步得到完善,就有望讓類器官模仿硅基人工智能,形成與CPU(中央處理器)和GPU(圖形處理器)功能類似的處理單元。

        要讓類器官計算機與傳統(tǒng)硅基計算機競爭,仍存在一些難點。首先是沒有標(biāo)準(zhǔn)化的制造體系;其次是活體類器官會死亡。FinalSpark公司的類器官平均只能存活100天,這已是相當(dāng)大的進步。FinalSpark公司聯(lián)合創(chuàng)始人弗雷德·喬丹表示:“‘神經(jīng)平臺’優(yōu)化了類器官的制造流程。該設(shè)施未來有望納入2000—3000個類器官,不斷更新?lián)Q代?!?/p>

        上述生物計算機的相關(guān)理論研究和開發(fā)實踐仍在推進中。一方面,擺脫傳統(tǒng)束縛,創(chuàng)造出由生物材料構(gòu)成的計算機,必將大幅提升數(shù)據(jù)運算系統(tǒng)的效率。另一方面,有科學(xué)家認(rèn)為生物計算機相當(dāng)于實驗室中創(chuàng)造出的“有意識的微型大腦”,因此關(guān)于類腦器官、智能細菌和智能細胞是否能夠獲得意識的生物倫理爭論從未停止。奇妙又高效的生物計算機,其未來發(fā)展之路值得關(guān)注。

        編輯:姚志剛 winter-yao@163.com

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