书城科普仿生试验
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第55章 神经网络计算机和生物芯片

曾有人使用一台有翻译功能的电脑,将一句话从英语译成俄语,再回过来译成英语。原句是“心有余而力不足”,想不到,一个来回后面目全非,成了“伏特加酒很凶,但肉已发臭”。

这是真实的,不是笑话。它说明,电脑尽管有惊人的运算速度和贮存信息的能力,却仍然不及人脑聪明。由140亿个神经细胞组成的人脑,在学习、联想、整体判别、优化控制等方面,是电脑望尘莫及的。

80年代以来,许多电脑专家转而致力于研究人脑的结构和功能,期望用最尖端的材料和电子线路来模仿人脑的功能,包括神经细胞的兴奋和控制,神经网络的联通和整合,大脑的思维、判别和反射等等。在此基础上,就可能制造出新一代计算机——神经网络计算机。和过去的所有计算机不一样,神经网络计算机有学习能力,会积累经验,增长知识,在记忆、联想、模糊识别等方面逼近或超过人脑。它被称为第六代计算机。

1992年,日本的一家公司宣布研制出一部“通用神经网络计算机”。这部计算机模仿人脑神经细胞传递信息的方式,使用32个有学习能力的大规模集成电路,不用软件,不需要解读软件命令的线路。它的处理速度奇快,人脑要一个多小时读完的文字,它在千分之几秒内就能读完。

在当代的高新技术中,计算机技术和生物技术是两大主力。神经网络计算机可说是这两大技术融汇的产物,但它是宏观方面的产品。在微观方面,生物技术也同样为计算机技术作出了巨大的贡献,那就是近年来各发达国家都在加紧研制的生物芯片。

作为计算机核心元件的芯片,至今仍是以半导体为材料的。但半导体芯片的发展已快要达到理论上的极限。它面临的困境是半导体的集成密度受到限制。一块硅片上最多只能排列几千万个晶体管元器件,否则就会有发热、漏电等问题。这样,芯片的存储容量就有限了,而芯片容量的限制直接会影响到计算机处理信息的速度。所以,要使计算机技术再次取得新的突破,必然的趋势是用新一代的芯片——生物芯片来取代半导体芯片。

生物芯片的主体是生物大分子。蛋白质、核酸等生物大分子都具有像半导体那样的光电转换功能和开关功能,但目前为各国科学家看好的是蛋白质分子。蛋白质分子具有低阻抗、低能耗的性质,不存在散热问题。它的三维立体排列使它具有较大的存储容量。使用蛋白质芯片的计算机,处理信息的速度可望提高几个数量级。另外,蛋白质分子还有自行组装和再生的能力,为计算机全面模仿人脑、实现高智能化提供了可能。

选择哪种蛋白质分子来担当这一重任呢?这可是各国科学家在努力攻关的核心问题。一种嗜盐菌的紫膜中的蛋白质分子(代号叫bR)看来是选作生物芯片的理想材料,因为它来源广泛,具备作为光电转换和开关元件的优良性能。而紫膜是目前唯一的结晶状生物膜,稳定性很好。我国科学家在紫膜蛋白质分子的研究中也有不少建树,有可能为生物芯片的问世作出自己的贡献。

制作生物芯片除了直接选用天然蛋白质分子之外,一种更为奇妙的手段是制造人工蛋白质分子。这有两种途径。一种是通过DNA重组,使某种微生物“分泌”出合乎要求的蛋白质分子;另一种是直接用蛋白质的基本材料氨基酸来进行组装。人工蛋白质分子是根据理想的蓝图来进行构筑的,性能当然比天然蛋白质分子优异,但同时也存在着更多的困难,目前尚处于实验研制阶段,离实际应用还有不小的距离。