生物計算機（又叫分子計算機），即脫氧核糖核酸（DNA）分子計算機，是受人腦具有強大信息處理能力的啟發，以模擬人腦的生物功能進行數字計算的一類計算機，發展方向有神經網絡計算機、光神經計算機和生物芯片計算機等。生物計算機中信息以波的形式傳播，當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。
生物芯片計算機的主要原材料是由生物工程技術產生的蛋白質分子做成的生物芯片，用以替代半導體硅片，并利用有機化合物存儲數據。
生物計算機是根據圖靈機的模型設計的，圖靈機的操作與DNA鏈極為相似，閱讀開端從一個字母到另一個字母，在每個位點都執行4步操作：閱讀字母；用另一個字母替代該字母；改變它的內部形態；移動到下一個位置。一張指令表就是翻譯規則或翻譯軟件，指示這些操作，構成了圖靈機的簡化版。
生物計算機的主要優勢在于其生物特性。人們能把大量信息經過加密存儲在DNA芯片中，生物計算機處理單個步驟雖然比電子計算機要慢，但它能平行處理數萬億的化學步驟，使整體計算過程非常快。
概述
人類有一門學科叫仿生學，即通過對自然界生物特性的研究與模仿，來達到為人類社會更好地服務的目的。典型的例子如，通過研究蜻蜒的飛行制造出了直升機；對青蛙眼睛的表面“視而不見”，實際“明察秋毫”的認識，研制出了電子蛙眼；對蒼蠅飛行的研究，仿制出一種新型導航器——振動陀螺儀，它能使飛機和火箭自動停止危險的“跟頭”飛行，當飛機強烈傾斜時，能自動得以平衡，使飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失；對蝙蝠沒有視力，靠發出超聲波來定向飛行的特性研究，制造出了雷達、超聲波定向儀等；對變色龍的研究，產生了隱身科學和保護色的應用……
仿生學同樣可應用到計算機領域中。科學家通過對生物組織體研究，發現組織體是由無數的細胞組成，細胞由水、鹽、蛋白質和核酸等有機化合物組成，而有些有機物中的蛋白質分子像開關一樣，具有“開”與“關”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術，仿制出這種蛋白質分子，用來作為元件制成計算機。科學家把這種計算機叫做生物計算機。生物計算機主要是以生物電子元件構建的計算機。
正如人類基因組計劃給予我們的啟示一樣，脫氧核糖核酸（脫氧核糖核酸）的資料儲存及運算能力可能遠遠超過目前電腦所使用的硅晶片。目前，電腦科學家正致力于研發基因超級電腦，用以建構以DNA為基礎的信息技術新世紀。DNA又稱為脫氧核糖核酸，使細胞核中攜帶生物生長指令的遺傳物質。DNA擁有不可思議的資料存儲功能，很可能比硅晶片更強。一般而言，1毫克DNA的存儲功能大約相當于1萬片的光碟片，更為不可思議的是，DNA還具有在同一時間處理數兆個運算指令的能力。研究者指出，將生命活動的指令進行編碼的遺傳分子脫氧核糖核酸和核糖核酸里可以儲存比常規存儲芯片多的數據，試管狀的生物計算機中含有大量的遺傳物質片斷，每一個片斷就是一個微型計算工具，因此生物計算機能同時進行數千次甚至上百萬次計算。對于生物計算機將來的用途，研究人員有種種設想。其中一項就是讓它代替人進行新藥物臨床試驗，它通過運算可以模擬人體的多種變化情況，只要把藥品的成分描述輸入生物計算機，就會得出反應結果。
發展進程
生物計算的早期構想始于1959年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出利用分子尺度研制計算機；
20世紀70年代以來，人們發現脫氧核糖核酸（DNA）處在不同的狀態下，可產生有信息和無信息的變化。科學家們發現生物元件可以實現邏輯電路中的0與1、晶體管的通導或截止、電壓的高或低、脈沖信號的有或無等等。經過特殊培養后制成的生物芯片可作為一種新型高速計算機的集成電路。
1994年，圖靈獎獲得者Adleman提出基于生化反應機理的DNA計算模型；
在生物計算機方面突破性工作是北京大學在2007年提出的并行型DNA計算模型，將具有61個頂點的一個3-色圖的所有48個3-著色全部求解出來，其算法復雜度為，而此搜索次數，即使是當今最快的超級電子計算機，也需要13 217年方能完成。該結果似乎預示著生物計算機時代即將來臨。
其主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。生物芯片比硅芯片上的電子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然獨特的立體化結構，其密度要比平面型的硅集成電路高五個數量級。讓幾萬億個脫氧核糖核酸分子在某種酶的作用下進行化學反應就能使生物計算機同時運行幾十億次。生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅占百億億分之一。生物計算機芯片一旦出現故障，可以進行自我修復，所以具有自愈能力。生物計算機具有生物活性，能夠和人體的組織有機地結合起來，尤其是能夠與大腦和神經系統相連。這樣，生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴充部分，并能由人體細胞吸收營養補充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內，成為幫助人類學習、思考、創造、發明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片內流動電子間碰撞的可能極小，幾乎不存在電阻，所以生物計算機的能耗極小。
2021年3月，西班牙龐培·法布拉大學的一支研究小組設計了“生物計算機”，能夠在紙片上打印細胞。
種類
立足于傳統計算機模式，從尋找高效、體微的電子信息載體及信息傳遞體入手，目前已對生物體內的小分子、大分子、超分子生物芯片的結構與功能做了大量的研究與開發。“生物化學電路”即屬于此。
自動機模型
以自動理論為基礎，致力與尋找新的計算機模式，特別是特殊用途的非數值計算機模式。目前研究的熱點集中在基本生物現象的類比，如神經網絡、免疫網絡、細胞自動機等。不同自動機的區別主要是網絡內部連接的差異，其基本特征是集體計算，又稱集體主義，在非數值計算、模擬、識別方面有極大的潛力。
仿生算法
以生物智能為基礎，用仿生的觀念致力于尋找新的算法模式，雖然類似于自動機思想，但立足點在算法上，不追求硬件上的變化。
生物化學反應算法
立足于可控的生物化學反應或反應系統，利用小容積內同類分子高拷貝數的優勢，追求運算的高度并行化，從而提供運算的效率。脫氧核糖核酸計算機屬于此類。
細胞計算機
采用系統遺傳學（system genetics）原理、合成生物技術，人工設計與合成基因、基因鏈、信號傳導網絡等，對細胞進行系統生物工程學（system 生物工程學）改造與重編程序，可以做復雜的計算與信息處理，細胞計算機又稱為濕計算機（wet computer），目前的計算機是干計算機（dry computer）。
1994年中科院曾邦哲發表系統生物工程的基因組藍圖設計與生物機器裝配、生物分子電腦與細胞仿生工程等仿生學與基因工程的整合概念。中科院曾邦哲（曾杰）1999年提出把遺傳信息系統看作基因組智能（genomic intelligence）人工編制基因程序，重新設計細胞內復雜生物分子相互作用網絡，使細胞成為人工生命系統（artificial biosystem），并在線公布了人工設計細胞內分子電路系統的概念圖，與之區別于“artificial life”，從而提出計算機仿生學、基因工程的細胞分子機器的設計與裝配研究，2002年在德國提出分子模塊、細胞器、基因群設計細胞并設計細胞信號通訊的生物計算機模型，從而拓展了多元細胞計算機與層次的概念。生物計算機研究與開發成為現代合成生物學的重要內容。
具備能力
生物計算機存在各種功能性能力，目前主要包括二進制邏輯操作和數學計算。
麻省理工學院(MIT)人工智能實驗室的Tom Knight首先提出一種生物計算模式，蛋白質濃度用作最終用于邏輯操作的二進制信號。生物計算機的一個化學通路中的某個生化產品的濃度等于或者超過一定級別，表明“1”和“0”中的某個信號值，低于這個級別的濃度表明“1”和“0”中的另一個信號值。使用這種方法進行計算分析，生物計算機能夠執行邏輯操作，只有在初始條件滿足特定的邏輯約束時，合適的二進制輸出才會出現。換句話說，合適的二進制輸出是從一組初始條件中推導出來的結論。
除了上述類型的邏輯操作，生物計算機也能展示其他功能性能力，比如數學計算。一個例子是，W.L.Ditto.于1999年在Georgia Tech建造的一臺生物計算機，它由水蛭神經元組成，能夠執行簡單的加法。
這只是生物計算機已經工程化實現來執行的著名用途中的一些。生物計算機的能力正在變得越來越復雜。由于與生產生物分子和生物計算機相關的可行性和潛在的經濟效率，生物計算機技術發展是個受歡迎而又迅速增長的研究主題，將來可能看見更多進展。
優缺點
優點
1983年美國提出了生物計算機的概念。此后，各個發達國家開始研制生物計算機。生物學家將仿生學運用到生物計算機領域，產生了生物化學分子構架生物計算機的觀點。生物計算機目前仍舊處于蓬勃興起階段，國內外正在積極地研制新型生物芯片。盡管生物計算機尚未有取得重大顛覆性的進展，甚至部分學者提出生物計算機目前出現的一系列缺點，例如遺傳物質的生物計算機受外界環境因素的干擾、計算結果無法檢測、生物化學反應無法保證成功率等，此外，以蛋白質分子為主的芯片上很難運行文本編輯器。但這些并不影響生物計算機這個存在巨大誘惑的領域的快速發展，隨著人類技術的不斷進步，這些問題終究會被解決，生物計算機商業化繁榮將到來。
生物計算機是全球高科技領域最具活力和發展潛力的一門學科，該種計算機涉及多種學科領域，包括計算機科學、神經科學、分子生物學、生物物理、生物工程、電子工程等有關學科。它的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。用蛋白質制成的生物計算機芯片，其一個存儲點只有一個分子大小，存儲容量可以達到普通計算機的十億倍；同時芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅占百億億分之一。生物計算機有很多優點，主要表現在以下幾個方面：
1.體積小，功效高。
生物計算機的面積上可容納數億個電路，比目前的電子計算機提高了上百倍。同時，生物計算機，已經不再具有計算機的形狀，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方，同時發熱和電磁干擾都大大降低。
2.生物計算機的芯片永久性與可靠性
生物計算機具有永久性和很高的可靠性。即使芯片發生故障，也可以自動修復。（這是生物計算機極其誘人的潛在優勢）蛋白質分子可以自我組合，能夠新生出微型電路，具有活性，因此生物計算機擁有生物特性。生物計算機不再像電子計算機那樣，芯片損壞后無法自動修復，生物計算機能夠發揮生物調節機能，自動修復受損芯片。因此，生物計算機可靠性非常高，不易損壞，即使芯片發生故障，也可以自動修復。因此，生物計算機具有永久性。
3.生物計算機的存儲與并行處理
生物計算機在存儲方面與傳統電子學計算機相比具有巨大優勢。一克脫氧核糖核酸存儲信息量可與一萬億張CD相當，存儲密度是通常使用磁盤存儲器的1000億到10000億倍。生物計算機還具有超強的并行處理能力，通過一個狹小區域的生物化學反應可以實現邏輯運算，數百億個DNA分子構成大批DNA計算機并行操作。尤其是生物神經計算機，具備很好的并行式分布式存儲記憶，廣義容錯能力。在處理玻爾茲曼自動機模型和一些非數值型問題時表現出巨大潛力。真正擺.脫約翰·馮·諾依曼模型，真正實現智能。
生物計算機傳輸數據與通訊過程簡單，其并行處理能力可與超級電子計算機媲美，通過脫氧核糖核酸分子堿基不同的排列次序作為計算機的原始數據，對應的酶通過生物化學變化對DNA堿基進行基本操作，能夠實現電子學計算機的各種功能。
生物計算機中含有大量遺傳物質工具，能夠同時進行上百萬次計算。傳統電子計算機是以電流速度逐個檢驗所有可能的解決方案，生物計算機同時處理各分子庫中的所有分子，無需按照次序分析可能的答案。電子計算機相當于有一串鑰匙，一次用一把鑰匙開鎖，生物計算機在開鎖時一次用幾百萬把鑰匙，其計算速度也將比現有超級計算機快100萬倍。生物計算機運算次數可高達每秒或更高，進一步研制并結合其它高新技術，生物計算機具有廣闊前景。
4.發熱與信號干擾
生物計算機的元件是由有機化合物組成的生物化學元件，它們是利用化學反應工作的，所以；只需要很少的能量就可以工作了，因此，不會像電子計算機那樣，工作一段時間后，機體會發熱，而生物計算機的電路間也沒有信號干擾。
5.數據錯誤率
脫氧核糖核酸鏈的另一個重要性質是雙螺旋結構，A堿基與T堿基、C堿基與G堿基形成核苷酸堿基對。每個DNA序列有一個互補序列。這種互補性是生物計算機具備獨特優勢。如果錯誤發生在DNA某一雙螺旋序列中，修改酶能夠參考互補序列對錯誤進行修復。雙螺旋結構相當于計算機HDDRAID1陣列，一塊硬盤為另一塊硬盤的鏡像，當第一塊硬盤破壞時，可通過第二塊硬盤進行數據修復。生物計算機自身具備修改錯誤特性，因此，生物計算機數據錯誤率較低。
缺點
生物計算機作為即將完善的新一代計算機，其優點是十分明顯的。但它也有自身難以克服的缺點。其中最主要的便是從中提取信息困難。一種生物計算機24小時就完成了人類迄今全部的計算量，但從中提取一個信息卻花費了1周。這也是目前生物計算機沒有普及的最主要原因。
生物計算系統研究
生物計算系統研究包括器件和系統兩個方面。
利用有機(或生物)材料在分子尺度內構成有序體系，提供能通過分子層次上的物理化學過程完成信息檢測、處理、傳輸和存儲的基本單元，稱為分子器件。1974年，Ａ.Ｌ.Ａｖｉｒａｍ和Ｍ.Ａ.Ｒａｔｎｅｒ首次提出分子整流器模型。1978年，Ｆ.Ｃａｒｔｅｒ明確提出分子器件概念。盡管生物處理器芯片研究仍處于實驗室階段，但在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實際成果和應用。目前對生物處理器芯片的研究表明它的尺寸可望超越超大規模集成電路工藝的極限，而且它本身具有較高的自適應性、豐富的時變特性以及有利于大規模互連等優點。2013年，Ｄｒｅｗ Ｅｎｄｙ領導的Ｓｔａｎｆｏｒｄ大學生物工程組宣布，已經制造出晶體管的生物等效體。這一發明是用于建造全功能計算機的三個必要元素(數據存儲、信息傳輸、基本邏輯系統)中的最后一個。
生物計算系統不僅對器件有新的要求，其結構和計算原理也不同于傳統的計算系統。它的結構一般是并行分布式的。信息的存儲往往是短時記憶(快過程)和長時記憶(慢過程)的結合，是通過學習來完成的。它的計算則表現為復雜的動態過程，不存在精確的時間同步，甚至要在分維時間尺度上才能描述。1994年，南加州大學提出研制脫氧核糖核酸計算機的設想，并用DNA計算方式求解了７點哈米頓路徑問題，顯示了DNA計算的巨大潛力。以色列魏茲曼科學中心于2002年實現了一種由酶和DNA組成的可編程分子計算機，并于2004年實現了帶有輸入輸出組件的DNA計算機。
研究方向
生物計算機是人類期望在21世紀完成的偉大工程。是計算機世界中最年輕的分支。目前的研究方向大致是兩個：一方面是研制分子計算機，即制造有機化合物元件去代替目前的半導體邏輯元件和存儲元件；另一方面是深入研究人腦的結構、思維規律，再構想生物計算機的結構。
最新研究
據美國國家地理雜志報道，最新研制的新型生物計算機可讓科學家對分子進行“編程”，并由活細胞執行“命令”。
加州理工學院（加利福尼亞州 Institute of Technology）的克里斯蒂娜·斯默爾克（Christina Smolke）是該研究的合著作者之一，他指出，像這樣的生物計算機有朝一日可使人類直接控制生物學計算系統。該研究將發表在2008年10月17日出版的《科學》雜志上。
生物計算機最終將具有智能，從細胞中生成生物燃料，比如：可以實現在某種特殊狀況下有效控制“智能藥物”。斯默爾克說，“如果探測到某種疾病，一種智能藥物能夠從一個細胞環境中采樣，并形成自防御序列結構。”
這種新型生物計算機包括著裝配在酵母細胞中的工程核糖核酸片段，RNA是類似于脫氧核糖核酸的一種生物分子，它可以編碼遺傳基因信息，比如：如何制造多樣化的蛋白質。從計算工程角度來講，生物計算機的“輸入”是分子漂浮在細胞內；“輸出”是蛋白質產物的變化。舉個例子，RNA計算機很可能捆綁著兩種不同的分子，如果兩種不同分子附著在一起，將導致出現生物計算機的外形變化。改變形狀后的生物計算機對DNA進行捆綁時，將直接影響基因表達，并減緩蛋白質制造。
這些蛋白質將以不同方式影響細胞，比如：如果這些細胞是癌細胞，蛋白質將會把癌細胞殺死。研究小組設計核糖核酸計算機的不同部分可進行模件組成，因此這些組件可混合匹配組裝。
斯默爾克說，“依據我們不同的組合方式，將實現不同的效應。”自然界傾向于形成復雜的分子結構，而這些復雜的分子卻能夠實現非凡的獨立性功能。建立一些可互換性組件執行多樣化計算功能存在著困難，但是這種生物計算機卻具有較高的效率，在日后的研究中將逐漸成熟。
許多科學家認為生物計算機不太可能超越或者匹配現今的電子計算機。美國普林斯頓大學電子工程師兼分子生物學家羅恩·韋斯（Ron Weiss）說，“它們并不能像我們日常的計算機快速運行微軟Windows系統，或者運行Wii游戲。”與眾不同的是，生物計算機能夠潛在地修補或直接影響細胞進程。
韋斯稱，它基本上采用一種“細胞語言”，這項最新研究將拓展生物計算機的應用領域。之前的核糖核酸計算機并不是很復雜。
以色列魏茲曼學院（Weizmann Institute of Science）的計算機科學家兼生物計算機學家埃胡德·沙皮羅（Ehud Shapiro）并未參與斯默爾克的研究，在此之前，他帶領的研究小組成功地使用脫氧核糖核酸建立了一個生物計算機，可工作在試管之中，并執行一些簡單的數學運算。
但是沙皮羅的生物計算機不同于目前最新的RNA計算機，他的試管分子計算機很容易受到外界環境的影響和干擾。沙皮羅說，“斯默爾克的最新研究顯示新型生物計算機可實現分子在細胞內的運行。”他期望未來核糖核酸計算機能夠代替由蛋白質制造的復雜裝置，蛋白質是目前我們所知的自然界最有效的裝置，我們知道如何讓RNA分子執行簡單的任務，卻不知道它們是如何驅動蛋白質的。這將是今后重要研究的一個目標。
北京時間2021年3月25日消息，目前，西班牙龐培·法布拉大學的一支研究小組設計了“生物計算機”，能夠在紙片上打印細胞。這項最新研究報告發表在近期出版的《自然通訊雜志》上。
參考資料 >
中國科普博覽.中國科普博覽.2024-03-26
最新研制生物計算機：可在紙張上打印活細胞|生物_.新浪科技_新浪網.2021-03-25