1.5毫升試管可容納1萬億臺，這種“液態(tài)電腦”或?qū)砣祟愇拿鞯娘w躍

我們?nèi)粘＝佑|到的計算機大多是由硅和晶體管構(gòu)成。隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家已在嘗試超越電子計算機，利用生物分子來實現(xiàn)計算機的功能。

作為一個全新領(lǐng)域，DNA計算機就是一種生物形式的計算機。一支1.5毫升的試管中可容納1萬億臺DNA計算機，運算速度可達(dá)每秒10億次，而計算能耗僅有傳統(tǒng)電腦的10億分之一。發(fā)展至今，DNA計算機已能夠?qū)κ謱懙募坠俏摹?shù)字、希臘文字和英文進(jìn)行識別和分類。

待到DNA計算技術(shù)成熟的那一天，它與人體的結(jié)合，或許會像貼上一片創(chuàng)可貼一樣簡單。那時，它或可隨人意念而動，利用人體本身的能量，來完成電子計算機難以實現(xiàn)的醫(yī)療診斷和治療任務(wù)，或?qū)⒔o人類文明帶來質(zhì)的飛躍。

▲DNA計算機已能對手寫的甲骨文、數(shù)字、希臘文字和英文進(jìn)行識別和分類。

不同于常見的電子計算機，DNA計算機是一種生物形式的計算機，以DNA分子作為“硬件”，以分子之間的化學(xué)反應(yīng)作為“算法”。在DNA計算機中，一系列生物分子以溶液形態(tài)組合，因此也有人稱之為“液態(tài)電腦”。

相較于傳統(tǒng)電子計算機，DNA計算機具有體積小、運算速度快、能耗極低等優(yōu)勢。自1994年“DNA計算機”的概念誕生以來，其優(yōu)點被越來越多的科學(xué)家所認(rèn)識，紛紛投入到該領(lǐng)域的研究中。

作為所有現(xiàn)存計算設(shè)備中最有望與人體良好融合、同時不對人體產(chǎn)生副作用的智能設(shè)備，DNA人工智能的發(fā)展?jié)摿χ蟛豢上蘖?。最近，利用DNA分子的超強“學(xué)習(xí)”和“記憶”能力，科學(xué)家用DNA人工智能實現(xiàn)了對手寫字跡的識別。

試管里的“智慧混合物”

DNA計算機設(shè)計和構(gòu)建的基石是DNA分子特殊的結(jié)構(gòu)。

眾所周知，DNA是由四種基本核苷酸組成：腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)。其中，A、T和G、C之間彼此配對，兩條具有特定核苷酸組合的DNA單鏈可以構(gòu)成類似于拉鏈的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

在科學(xué)家看來，正是這些特定的配對模式使得DNA分子具備了構(gòu)建計算設(shè)備的巨大潛力。人們可以將運算對象編碼到DNA的核苷酸序列中，再通過不同DNA分子之間的化學(xué)反應(yīng)來完成計算。

以DNA分子為“硬件”的DNA計算機，相較于傳統(tǒng)的電子計算機有著多重優(yōu)勢：

第一，DNA計算機的體積更小，一支1.5毫升的小試管就能容納1萬億個DNA計算機。

第二，DNA計算機的運算速度更快，可達(dá)每秒10億次。所有電腦問世以來的總運算量只相當(dāng)于DNA計算機十幾小時的計算量，科學(xué)家已在嘗試多種方法，以進(jìn)一步加快DNA計算機的運行速度。

第三，DNA計算機的能耗更低，僅相當(dāng)于普通電腦的10億分之一。

第四，DNA計算機具有并行性。電子計算機的運算是按照指令順序進(jìn)行的，而DNA獨特的分子間作用形式，使得數(shù)以億計的DNA計算機可在同一試管中處理不同問題，大大提高了計算效率。

1994年，DNA電腦與生物電腦之父、圖靈獎得主、美國南加州大學(xué)教授雷納德·阿德勒曼建立了世界上第一臺DNA計算機，并用它解決了一個經(jīng)典數(shù)學(xué)問題——“哈密頓路徑問題”。

▲DNA電腦與生物電腦之父雷納德·阿德勒曼

這是一個開創(chuàng)性的大事件。美國貝爾實驗室的物理學(xué)家艾倫·米爾斯說：“我們所做的不再是連線路，而是將大量的DNA裝進(jìn)罐子，加入鹽和酶，然后加以培養(yǎng)，于是不同的DNA分子就開始互相尋找配對。”但是這個階段的計算機并不具備通用性，距離實際計算還差得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。

2004年，日本學(xué)者岡本秋光、田中一雄和齋藤勛正式提出了“通用性DNA計算機”這一概念。基于簡單的兩條單鏈DNA以堿基互補配對原則形成雙鏈DNA的過程，研究人員構(gòu)建了一系列簡單的DNA計算機。

2006年，美國加州理工學(xué)院教授埃里克·溫弗里提出了一種全新的反應(yīng)體系，開創(chuàng)了一種新的邏輯電路構(gòu)建途徑。在這一反應(yīng)體系中，不存在各種非DNA物質(zhì)輔助的DNA計算。溫弗里和他的研究在科學(xué)史上留下了濃墨重彩的一筆。

2011年，美國加州理工學(xué)院生物工程系錢璐璐博士使用DNA構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，解決了經(jīng)典的機器學(xué)習(xí)問題——識別潦草的數(shù)字字跡。DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可將輸入的分子字跡分為九個類別，每個類別代表從1到9的九個手寫數(shù)字中的一個。這項工作成為人工智能與合成生物分子電路成功“合體”的重要里程碑。

優(yōu)勢獨到的DNA計算機應(yīng)用前景十分樂觀，它的“輸入”可以是細(xì)胞質(zhì)中的RNA、蛋白質(zhì)或其他化學(xué)物質(zhì)，而“輸出”則是很容易被識別的信號，例如顏色變化等。

顛覆性機遇與挑戰(zhàn)并存

雷納德·阿德勒曼的偉大發(fā)現(xiàn)，證明了生命細(xì)胞和計算是有聯(lián)系的。在這個化學(xué)、生物學(xué)和計算機科學(xué)的交叉領(lǐng)域里，還有著巨大的謎團等待人們?nèi)ヌ剿骱徒沂尽?/p>

近年來，隨著技術(shù)的逐步發(fā)展和成熟，DNA測序與合成的成本不斷下降，DNA計算機在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯現(xiàn)出極強的競爭力。目前，它已經(jīng)能夠被用于人工培養(yǎng)腎細(xì)胞，以及快速準(zhǔn)確診斷禽流感、西尼羅河等病毒感染。由于它能檢測細(xì)胞內(nèi)生物信息的變化，因此可以用于癌癥、心臟病、動脈硬化等疾病的診斷，甚至還能幫助盲人恢復(fù)視覺。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，DNA計算機有望被用于研究邏輯、破譯密碼、情報分析或超大規(guī)模信息處理等業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有安全系統(tǒng)的安全性和可靠性主要源于以現(xiàn)有計算能力破解密碼需要幾十年、幾百年時間，而DNA計算機的計算速度和并行性會使原本的安全系統(tǒng)“潰不成軍”。

DNA計算機甚至可以實現(xiàn)對電子計算機的控制。有研究將DNA計算機隱藏在生物樣本中，通過預(yù)先編程，在檢測樣本的過程中入侵電子計算機的應(yīng)用程序，獲取其中信息，并使之按照DNA計算機的意圖運行。

另一方面，隨著DNA計算機的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)DNA分子能夠儲存海量信息，且具有驚人的并行計算能力。這使人們意識到，DNA計算機蘊藏巨大商業(yè)價值。2002年，日本公司首次研制出能夠投入到商業(yè)應(yīng)用的DNA計算機。緊接著，美國加州斯克里普斯研究所和以色列理工學(xué)院的科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)出了一種DNA計算機，可用于破譯存儲在DNA芯片中的加密圖像。

▲DNA計算機運行原理示意圖。

盡管發(fā)展迅速、充滿機遇，但DNA計算機還有很多問題亟待克服。

首先，DNA計算機得依靠DNA級聯(lián)反應(yīng)完成復(fù)雜計算任務(wù)。DNA級聯(lián)反應(yīng)是指把前一個反應(yīng)的“輸出”作為“輸入”引發(fā)后一個反應(yīng)。隨著計算規(guī)模不斷擴展，DNA級聯(lián)反應(yīng)的數(shù)目也會不斷增加，從而導(dǎo)致計算速度不斷下降，完成計算任務(wù)所消耗的時間就會不斷延長。當(dāng)級聯(lián)反應(yīng)數(shù)為7時，通常需要6到10個小時來完成反應(yīng)。因此從目前來看，DNA計算機的規(guī)模及其復(fù)雜性還不能無限擴大。

其次，大規(guī)模的DNA計算機需要在一支試管中使用大量（數(shù)萬億個）DNA分子執(zhí)行計算任務(wù)，這使得DNA計算機的設(shè)計難度隨著規(guī)模的擴大迅速上升，副反應(yīng)也會增加。因此，平衡計算機的規(guī)模、計算速度和執(zhí)行計算的DNA分子數(shù)目至關(guān)重要，構(gòu)建具有更強大計算能力的人工分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)仍存在極大挑戰(zhàn)。

邁出復(fù)雜識別第一步

目前人工智能中常用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一類強大的機器學(xué)習(xí)模型，網(wǎng)絡(luò)具有稀疏連接和權(quán)重共享的特征。與大多數(shù)機器學(xué)習(xí)模型相比，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以更低的復(fù)雜度實現(xiàn)更復(fù)雜的計算任務(wù)?？茖W(xué)家自然不會放過在這種模型上嘗試DNA分子計算。

華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴昊教授團隊一直致力于DNA計算機的設(shè)計和開發(fā)?；谠诤怂峄瘜W(xué)方面的研究基礎(chǔ)，面向分析化學(xué)、計算機科學(xué)與分子生物學(xué)的交叉融合發(fā)展，課題組針對發(fā)展超大規(guī)模DNA分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)這一關(guān)鍵科學(xué)難題，與長期從事人工智能與分子科學(xué)研究的朱通課題組合作，建立了一種DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)實現(xiàn)策略。簡言之，就是使用模仿人腦功能的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓DNA計算機“學(xué)習(xí)”大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，“記憶”32個類別的分子字跡。

最近，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·機器智能》報道了裴昊團隊設(shè)計的一種新的DNA計算模塊——“開關(guān)門”，用以在分子水平上實現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而完成對32類圖譜的識別和分類。

在計算任務(wù)中，手寫字符首先被轉(zhuǎn)化為12×12的正方形網(wǎng)格上的25個像素格點，被稱為“分子筆跡”。這意味著，每個“分子筆跡”都由144個DNA分子庫中的任意25個DNA分子組成。接下來，研究人員構(gòu)建了兩個簡單的DNA計算機，成功實現(xiàn)了兩類“分子筆跡”在360°平面上不同旋轉(zhuǎn)角度下的識別，以及以“火”“土”“木”“水”“天”“氣”“人”和“生”這八個甲骨文字作為目標(biāo)“記憶”模式的分類任務(wù)。

在這項工作中，裴昊研究組進(jìn)一步構(gòu)建了具有兩層電路結(jié)構(gòu)的DNA計算機，通過粗分類（語言粗略分類）和細(xì)分類（特定的手寫符號）兩個步驟，實現(xiàn)了32個類別的模式識別。這是現(xiàn)有的能夠識別最多種類圖譜的DNA計算機。

值得一提的是，完成這項任務(wù)的整個DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需512類不同的DNA分子，這一數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于已經(jīng)被報道的DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正確運行所需的DNA分子數(shù)，揭示了利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在大規(guī)模DNA計算機中有效減少使用的DNA分子數(shù)目，這對未來的DNA計算機設(shè)計具有重要意義。

在這篇論文中，研究人員還提出了一種簡單的循環(huán)凍融策略——將DNA計算機在液氮中迅速冷凍之后再在37℃下解凍，并多次循環(huán)這一操作。循環(huán)凍融策略成功地將DNA計算機的計算時間從幾小時縮短到幾分鐘。

這一DNA計算機具有超高的計算能力，且能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜信息的準(zhǔn)確分類，并可能賦予DNA計算機類似于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“智能”行為。原則上，基于DNA的計算設(shè)備可通過連接感官輸入，使用數(shù)百個目標(biāo)作為輸入，促進(jìn)在疾病診斷、表達(dá)模式分析和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的更廣泛應(yīng)用。

盡管科學(xué)家們才剛剛開始探索在分子體系中創(chuàng)造人工智能的方法，但DNA計算機的潛力不可低估?；蛟S在不遠(yuǎn)的將來，與人體合二為一的DNA計算機會成為人體的一部分，甚至是外部延伸，完成電子計算機難以實現(xiàn)的醫(yī)療診斷和治療任務(wù)。

來源：宇宙解碼