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揭密世界上最小的计算机:仅有17个分子

时间:2010-09-03 15:25 作者:湘乡科协 点击:

17个四甲基对苯醌分子就是它的全部零件。这个世界上最小的计算机有望让一切纳米装置具备智能。人们设想将它装入纳米机械“盔甲”,注入人的血液,成为与癌细胞战斗的“钢铁侠”。

日本科学家研制出世界上最小的计算机,由17个分子构成。

  日本国立材料科学研究所的安尼尔班-班德亚帕德耶博士这样形容四甲基对苯醌:“它看上去就像小汽车。”他通常会在特殊的电子显微镜下研究这种有机物分子。在镜头下,这辆“小汽车”拥有六边形苯环组成的“车身”,有4个圆锥体模样的碳氢“车轮”联接其上,而整个分子直径小于1纳米,比可见光的波长还要小数百倍。   
  班德亚帕德耶希望用17个这样的分子拼凑出一部计算机。   
  只有17个分子的微型大脑   
  在日本筑波市的实验室里,班德亚帕德耶每天在重复这样的工作:让这17辆“小汽车”在黄金基板做成的“训练场”上排列成一个“车队”,这一步骤必须在-196℃的真空环境里进行。他将其中一个四甲基对苯醌分子放置在中央,充当控制部门,其他16个分子则环绕它排成一圈。装置完成之后,这个17个分子组成的“车队”就能在室温条件下正常工作了。   
  接着,班德亚帕德耶用一个非常锋利的带电传导针对放置在中心的“小汽车”进行电脉冲调节。由于中心“小汽车”与周围的16个“小汽车”存在微弱的物理关联性,因此,当中心“小汽车”受到电脉冲调节而“挂档”,其他的16个“小汽车”也被发动起来。整个装置像一面蜘蛛网,位于中心的蜘蛛一旦移动,16根蜘蛛丝也会产生不同程度的颤动,这种颤动随着不同强度的电脉冲变化,形成不同的“信息”。   
  这些电脉冲的变化,会被利用来充当计算机运算的逻辑基础。目前家庭中通用的晶体管计算机,仅能利用电脉冲的打开、关闭,构成运算需要的两种逻辑状态:0和1,即俗称“二进制”。而班德亚帕德耶的“分子晶体管”则拥有4个碳氢圆锥体结构,本质上就有4个不同的方向,从而拥有四种逻辑状态:0,1,2,3。“最亮的是3,而0是最暗的。”班德亚帕德耶指着电脑屏幕上的图像上讲解道。从理论上计算:一个电脉冲信号可以得出416个不同结果,也就是近43亿种结果。目前这部纳米计算机的运算速度是普通晶体管计算机的16倍,“如果将这个分子装置从二维16分子环状结构扩展至三维的1024分子球状结构,就能同时执行1024个指令,比普通电脑快上1024倍。”   
  班德亚帕德耶承认,这项设计的灵感来源于人类的大脑细胞,大脑细胞呈现树状放射分支形状,每一个分支都可用于与其他分支细胞进行沟通。“人类大脑比任何超级计算机都复杂,大脑的平行分支运算法是其中关键。”班德亚帕德耶自信地说,“我们的研究做到了一个处理器在作出指令时,也必须同时影响其他处理器。这意味着什么?意味着每一个分子都能独立思考并彼此沟通,这将是人类创造的第一个纳米大脑。”   
  电子计算机“黔驴技穷”   
  班德亚帕德耶不止一次听到人工智能专家的抱怨:在涉及到天气预测、微生物基因扫描和需要处理大量微分子数据的纳米领域,计算机的运算速度已经跟不上形势。19世纪爱尔兰数学家威廉-哈米尔顿曾提出这样一个问题:给出一系列任意的城市,每次只经过一个城市,连接所有城市的最短路径是哪一条?不少数学家曾经试图利用计算机来解答这一问题,但他们很快发现:如果城市有100个,连目前最快的超级计算机也要耗费上亿年的时间去计算。   
  每个人都希望发展出运算能力更强的电子计算机。计算机运算速度的快慢,取决于芯片上集成晶体管数目的多少。但随着芯片上线路密度的增加,其复杂性和差错率也将呈指数增长。一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时,这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化,导致采用现行工艺的半导体器件不能正常工作。   
  这种情况让美国迈特公司的纳米技术专家詹姆斯-埃伦博根教授坚信,班德亚帕德耶博士的成果具有重大的意义:“一旦我们掌握了制造这种体积不超过盐粒大的计算机的技术,我们就会从根本上处于一种新的形势。自然界有各种分子,到目前为止,直接利用自然界中的分子来制造计算机,是我所知道的突破计算机运算极限的唯一方式。”   
  “人工智能专家们已开始认识到,如果要制造和人脑一样复杂的电脑,模仿生物学是他们的最佳选择。”美国马萨诸塞州库日韦尔技术公司的雷?库日韦尔说,“因此,电脑公司和大学研究人员都忙着学习生物学速成课程。”2003年,以色列魏兹曼研究院耶胡达-夏皮罗教授在试管中研制出具有数学计算功能的分子计算机,这台计算机只有一滴水滴大小,却包含有数目繁多的器件。它用酶做硬件,用DNA分子作为软件,内部包含有1万亿个活的细胞,每秒钟可完成10亿次计算,准确率高达99.8%。但夏皮罗的同事伊塔玛尔-魏兹曼强调,研究的主要意图并不在于突出分子计算机的运算速度:“我们希望分子计算机能够实现生物监控设备的作用,譬如,它植入人体内可以监控患者药剂使用状况和生理反应。”   
  有脑子的纳米机器人   
  班德亚帕德耶对分子计算机在医学领域的应用很感兴趣:“设想装配这样的分子仪器并植入血液中,或许能够摧毁人体内的癌细胞。”2008年4月,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员在这方面领先了一步,他们造出了可以储藏、输送抗癌药物并在光的作用下释放药物攻击癌细胞的分子装置。该装置由中孔硅纳米粒子制成,其内部细孔涂覆了化学物质偶氮苯,抗癌药物可以装载在这种细孔中。由于偶氮苯具有光致变色特性,在光的作用下具有两种振动形态。研究人员首先让上述装置在黑暗中进入置于玻璃器皿中的人类癌细胞内,然后用光照射使它振动,分子装置细孔中的抗癌药物随之被释放出来攻击癌细胞。   
  这套操作装置有个时髦的称呼:“纳米机器人”。班德亚帕德耶还有更有趣的想法:造一个纳米计算机,然后将“主机”与分子构成的发动机、推进器、转换装置、电梯、传感器等结合在一起,使它们有机地结合成一个整体。他开始为分子计算机寻找一种与其他装置对接的方法,“目前它已经可以与8种混合装置对接,工作起来就像一个微型工厂。我还要把它变成有记忆和行动能力的纳米机器人。”   
  南巴黎大学分子光物理实验室的迪雅尔丹教授认为,这种想法需要满足苛刻的条件:“首先是化学领域创造出纳米级的单分子机械机构,其次是找到精确控制单分子的方法,第三是研制出可传递信息的机器人"大脑"装置。”   
  第一个条件已经渐渐成为现实:2007年被法国图卢兹材料设计和结构研究中心与德国柏林大学的科学家们“组装”出来的纳米机器“分子轮”,就由两个直径为0.7纳米的三苯甲基分子“车轮”组成。研究人员借助扫描探针式显微镜(SPM)的电子探针来驱动“车轮”旋转。   
  电子探针位于SPM的终端,科学家像操纵游戏机杠杆一样操纵它与样品表面轻轻接触,根据探针与样品表面极其微弱的排斥力变化,再通过光学或电流原理将其进行放大和分析,测定出样品表面的形貌信息和探针所处的位置,并把它的活动放大上亿倍后在电脑屏幕上显示出来。SPM探针带有电性,因此人们通常顺便用它来控制操作镜头下的单分子,1989年,IBM公司操纵35个氙原子,在镍金属表面拼出“IBM”三个字母,开了纳米微操作先河。   
  班德亚帕德耶同样采用了这种方法,但它并非理想的首选。SPM探针明显比他的分子“小汽车”要大上许多,用来操纵他的“小汽车”,就如同现实世界中用树枝来拨弄小蚂蚁的每一条腿一样困难。班德亚帕德耶希望未来可以使用分子代替带电传导针实现对微型纳米电脑的控制。“这样第二、第三个条件也能满足了。”   
  尽管总体上看,短时间内制造出科幻中的高智能纳米机器人似乎不大可能,但迪雅尔丹教授的话代表了纳米领域科学家们的乐观:“在纳米机器人产生前,人们会一直认为研制它们是不可思议的事,其实好好想一下,不可思议的不是研究本身,而正是人类自己的思想。
 

 


(责任编辑:湘乡科协)
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