奇妙又高效的生物计算机
2024-11-21 00:00:00李伟
检察风云 2024年21期
人工智能（AI）的发展不断取得突破，展现出前所未有的智能水平，但它仍然依赖20世纪50年代奠定基础的传统计算机硬件系统。面对AI领域数据存储量及能耗激增的挑战，研究人员将目光投向生物计算机这一新兴领域。奇妙的生物计算机以细菌、细胞以及类器官作为硬件基础，其新型计算架构在能效方面有望超越传统计算机。
细菌计算机
据英国《自然》杂志报道，一项最新研究表明，经过基因改造的细菌能够识别出质数、元音，并用特殊的方式加以表达。
印度加尔各答萨哈核物理研究所专家桑格拉姆·巴格和他的团队，对属于大肠杆菌的一种细菌进行了基因改造，使其能以各种方式组合起来，解决一些问题。改造后形成的细菌神经元，在随后的实验中以多种组合方式排列，完成了多达12项任务。研究人员表示，这是一种类似乐高积木的模块化系统。它们不是多细胞生物，但能够作为一个多细胞实体共同参与工作。
众所周知，传统计算机用低电压和高电压表示的0和1传递信息。在细菌神经元中，化学物质成为传递信息的元素。经过改造的细菌能对一些化学刺激作出反应。通过一定的转换机制，细菌能发出绿色或红色的荧光。发光的细菌神经元通过各种排列组合，可以显示从0到9之间的某个数字是否为质数，或者从A到L之间的某个字母是否为元音字母，从而实现计算和输出。
每个细菌神经元的长度在2—5微米。它们装有“化学电源”，可以通过上述机制模拟输入数据、计算和输出数据的操作。研究人员指出，细菌计算机在体积、工作效率和成本方面都胜过传统计算机。其体积比传统计算机要小得多。由于能够自我复制，细菌计算机经过发展和改进可以实现大规模组装，形成成本低廉的超级计算机。
多个国家的科研人员都在研发细菌计算机。英国西英格兰大学的阿达马茨基教授领导的团队，在今年3月成功开发出一款以细菌为原材料的计算机。在这部计算机中，菌体可充当导体和电子元件。它们能接收及发送电信号，并保存信息。“与传统计算机相比，细菌计算机具有多项优势。”阿达马茨基表示，“其优势体现在便捷性、环境适应性、成本效益以及与现有技术有效集成等方面。”
阿达马茨基表示，未来以细菌计算机作为硬件基础的通信网络，将表现出与神经元系统类似的特性，比传统计算机更高效，运算能力更强。他计划利用细菌的电学特性创建类似人类大脑的计算机系统，该系统将具备学习、存储、计算、模式识别等多种功能。
《自然》杂志指出，细菌计算机相当于人工神经网络。未来组织结构更庞大、更复杂的细菌计算机必将被纳入ChatGPT等大型语言模型的核心。
细胞计算机
“生物计算有多种形式。”西班牙国家生物技术中心研究员安赫尔·莫雷诺表示。莫雷诺和他的团队致力于生物计算机的研发。他们的研究重点是细胞计算机，即利用经过改造的活细胞创建能复制内存并进行逻辑运算的系统。
莫雷诺指出，细胞计算机能对环境作出反应，并通过计算给出应对方案。它最初的应用领域是促进生物修复，特别有助于受损生态系统的修复。
“这是传统计算机难以涉及的领域。”莫雷诺说，“我们不能把一台传统计算机扔进湖里，然后让它通过计算评估环境，再给出修复受损环境的方案。淹没在水下的细胞计算机能随着细胞对化学刺激和其他刺激的反应，对环境进行细致入微的解读——这是细胞计算机一个可能的应用场景。”
莫雷诺的团队利用单细胞生物创建了一个人工神经网络，并完成了简单的输入、运算和输出实验。研究人员表示，接下来将尝试组建能够解决更复杂问题的可编程细胞计算机。
类器官计算机
瑞士FinalSpark公司是生物计算机研发领域的先行者之一。今年5月，该公司推出了“神经平台”（Neuroplatform）。它是世界上第一部类器官计算机，由16个类器官组成。该公司将这种“活体计算机”定位为传统硅基计算机的接班者。
据《科学美国人》杂志报道，“神经平台”的耗电量是传统数字处理器的百万分之一，展现出惊人的能效比。该平台拥有一系列处理单元，每个单元包含4个直径为0.5毫米的球形类脑器官。每个类脑器官都与8个电极相连。这些电极能够对类器官内的神经元实施电刺激，并将类器官接入传统的计算机网络。神经元有选择性地暴露在神经递质多巴胺中，以模仿人类大脑的“自然奖赏”系统。
FinalSpark公司研发人员表示，这种双重设计，即多巴胺“奖赏”和电刺激，能够训练类器官的神经元，这与人脑的学习方式非常相似。如果这项技术进一步得到完善，就有望让类器官模仿硅基人工智能，形成与CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）功能类似的处理单元。
要让类器官计算机与传统硅基计算机竞争，仍存在一些难点。首先是没有标准化的制造体系；其次是活体类器官会死亡。FinalSpark公司的类器官平均只能存活100天，这已是相当大的进步。FinalSpark公司联合创始人弗雷德·乔丹表示：“‘神经平台’优化了类器官的制造流程。该设施未来有望纳入2000—3000个类器官，不断更新换代。”
上述生物计算机的相关理论研究和开发实践仍在推进中。一方面，摆脱传统束缚，创造出由生物材料构成的计算机，必将大幅提升数据运算系统的效率。另一方面，有科学家认为生物计算机相当于实验室中创造出的“有意识的微型大脑”，因此关于类脑器官、智能细菌和智能细胞是否能够获得意识的生物伦理争论从未停止。奇妙又高效的生物计算机，其未来发展之路值得关注。
编辑：姚志刚 winter-yao@163.com
