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【摘 要】随着科学技术的发展,现有的电子计算机在许多领域渐渐显得捉襟见肘,功能越来越有限.与此同时,众多更先进的新型计算机技术正如雨后春笋般涌现出来,高速超导计算机、激光计算机、分子计算机、量子计算机,甚至有神经元计算机、DNA计算机等,科技发展让一切成为可能.DNA是生物最主要的遗传物质,既然它能贮存数量如此巨大的遗传信息,那么,它是否也能被设计成计算机的芯片呢?高瞻远瞩的科学家们早已认识到这一点,并且正在努力把这种奇思妙想付诸实践.
【关 键 词】DNA计算机研究现状发展畅想
一、DNA计算机的研究现状
DNA计算机的基本原理.DNA计算机研究的基础是不断发展的生物技术,它的基本原理是：将DNA分子中的密码子作为存储的数据,当DNA分子间在某些酶的作用下瞬间完成某些生物化学反映时,可以从一种基因代码变为另一种基因代码.如果将反应前的基因代码作为输入数据,反应后的基因代码就可以作为运算结果.这样,通过对DNA分子进行丰富的精确可控的化学反应,包括标记、扩增或者破坏原有链等操作来完成各种不同的运算过程,就可以研制成一种以DNA作为芯片的新型计算机.
DNA计算机的研制过程.DNA计算机的研制过程分为可行性论证、速度提升、实用性3个阶段,其对应的计算模型分别为试管DNA计算模型、表面DNA计算模型、芯片DNA计算模型.
试管计算机模型是指在一个或多个试管的溶液里DNA分子和相关生物酶等进行生化反应的DNA计算.在这种计算模型中,DNA分子漂浮在溶液中给样品操作带来困难,而且在某些生物操作中容易丢失DNA链,因此,操作结果的稳定性不高,其主要任务是进行可行性认证.
表面DNA计算模型是将对应于问题解空间的DNA分子固定在
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芯片DNA计算模型的主要任务是在表面模型的基础上提高实用性,使之能像电子计算机中的芯片一样大规模生产,使DNA计算机能走向实际应用.
二、DNA计算机面临的主要困难
尽管科技的发展已经允许我们将DNA计算机的研究付诸实践,这个过程仍困难重重.由于计算机技术的发展需要其他学科、技术的支持,因而困难是来自多方面的.
分子生物学技术的制约.DNA计算机要求在分子水平上进行操作,而目前的分子生物学技术的研究还处于发展阶段,不能完全达到分子尺度运算的要求.举例来说,常规DNA重组技术中的分子连接效率远远低于DNA计算机的要求,这往往成为错误运算的源头.目前在试管里进行的DNA计算实际上就是DNA重组技术,而目前成功的DNA计算实验都是采用PCR技术来扩增反应中间物的.但真正要实现高精度DNA计算机的制造成功,实验的难度需要大大地提高.
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解空间指数爆炸问题.随着DNA计算机研究的逐渐深入,现有的基于穷举方法的DNA计算机算法中存在的解空间指数爆炸问题日益突出,这已成为限制DNA超级计算机应用的瓶颈.降低DNA计算机空间的复杂性牵涉到算法设计与编码,因此考虑将传统电子计算机并行处理的策略、方法和技术引入DNA超级计算机是一条重要的途径.另外,也可以结合其他算法如进化算法、遗传算法、神经网络算法等,甚至可以创造出新的算法.
总而言之,就目前来说,DNA计算机的大量研究还停留在表面上,很多设想和方案都是理想化的,还没有条件付诸实践,如何实现DNA计算并制造DNA计算机,还存在许多技术障碍.对于DNA计算构造的现实性及计算潜力、计算中错误的减少、有效的通用算法以及人机交互等问题都需要进行进一步的研究.
三、DNA计算机应用前景的展望
DNA计算机与DNA芯片技术的结合.目前生物芯片的技术已经获得了很大的进展.DNA计算机与DNA芯片技术相结合,有可能应用组合化学的方法.自动设计与合成大量的编码的DNA序列,并使DNA的计算操作进一步自动化.这将使DNA计算机向实用化方向大大前进一步.未来的DNA计算机并不仅仅是为了解决数学上的难解问题,而更主要的是,它将以真正的生物大分子计算机芯片的方式,植入生物体内,共同对生命的基本过程进行调节和控制,用以治疗各种机能性障碍疾病.
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多样化DNA芯片.芯片是计算机的关键部件,关于这项技术的开发也有不少方向.各个方向的芯片技术有其专门的特殊用途.如果把多个方向的芯片整合到一张芯片上又会产生怎样的效果呢?那就是一台全能计算机.如果实现了这一点,计算机的生产就可以完全地模式化,产品的规格可以达到一致,大大地提高生产效率.
与生物信息学相结合.大量的事实表明,大规模并行运算是生物体内普遍存在的基本法则.例如,大脑神经元网络能对大量的外界输入信息同时进行大规模的并行运算和加工,从而做出正确的判断,细胞的信号转导系统,能对作用于细胞膜表面受体的多种化学因子的作用进行并行处理,从而调控细胞的整体功能活动.
四、总结
DNA是计算的未来,无数科学家、学者和计算机专业人士正是坚信这一点才努力为之奋斗.我们有理由相信,一旦DNA计算机的技术全面成熟,整个IT行业,整个科学界,甚至整个人类社会都会为之改变.DNA计算机还可以通过人体接口直接接受人脑的指挥,那么届时真正的“人机合一”将会实现.可见,未来的DNA计算机将给人类的生活带来质的飞跃.
参考文献：
[1]崔光照,刘玉琳,张勋才.数据存储新方向[J].DNA分子存储技术,2005,（7）.
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