我們?nèi)粘＝佑|到的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，利用生物分子來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的功能。

作為一個(gè)全新領(lǐng)域，DNA計(jì)算機(jī)就是一種生物形式的計(jì)算機(jī)。一支1.5毫升的試管中可容納1萬(wàn)億臺(tái)DNA計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度可達(dá)每秒10億次，而計(jì)算能耗僅有傳統(tǒng)電腦的10億分之一。發(fā)展至今，DNA計(jì)算機(jī)已能夠?qū)κ謱?xiě)的甲骨文、數(shù)字、希臘文字和英文進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)。

待到DNA計(jì)算技術(shù)成熟的那一天，它與人體的結(jié)合，或許會(huì)像貼上一片創(chuàng)可貼一樣簡(jiǎn)單。那時(shí)，它或可隨人意念而動(dòng)，利用人體本身的能量，來(lái)完成電子計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的醫(yī)療診斷和治療任務(wù)，或?qū)⒔o人類(lèi)文明帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

DNA計(jì)算機(jī)已能對(duì)手寫(xiě)的甲骨文、數(shù)字、希臘文字和英文進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)。

不同于常見(jiàn)的電子計(jì)算機(jī)，DNA計(jì)算機(jī)是一種生物形式的計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)中，一系列生物分子以溶液形態(tài)組合，因此也有人稱(chēng)之為“液態(tài)電腦”。

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

作為所有現(xiàn)存計(jì)算設(shè)備中最有望與人體良好融合、同時(shí)不對(duì)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(qiáng)“學(xué)習(xí)”和“記憶”能力，科學(xué)家用DNA人工智能實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫(xiě)字跡的識(shí)別。

試管里的“智慧混合物”

DNA計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(niǎo)嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)。其中，A、T和G、C之間彼此配對(duì)，兩條具有特定核苷酸組合的DNA單鏈可以構(gòu)成類(lèi)似于拉鏈的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

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

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

第一，DNA計(jì)算機(jī)的體積更小，一支1.5毫升的小試管就能容納1萬(wàn)億個(gè)DNA計(jì)算機(jī)。

第二，DNA計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更快，可達(dá)每秒10億次。所有電腦問(wèn)世以來(lái)的總運(yùn)算量只相當(dāng)于DNA計(jì)算機(jī)十幾小時(shí)的計(jì)算量，科學(xué)家已在嘗試多種方法，以進(jìn)一步加快DNA計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

第三，DNA計(jì)算機(jī)的能耗更低，僅相當(dāng)于普通電腦的10億分之一。

第四，DNA計(jì)算機(jī)具有并行性。電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算是按照指令順序進(jìn)行的，而DNA獨(dú)特的分子間作用形式，使得數(shù)以?xún)|計(jì)的DNA計(jì)算機(jī)可在同一試管中處理不同問(wèn)題，大大提高了計(jì)算效率。

1994年，DNA電腦與生物電腦之父、圖靈獎(jiǎng)得主、美國(guó)南加州大學(xué)教授雷納德·阿德勒曼建立了世界上第一臺(tái)DNA計(jì)算機(jī)，并用它解決了一個(gè)經(jīng)典數(shù)學(xué)問(wèn)題——“哈密頓路徑問(wèn)題”。

DNA電腦與生物電腦之父雷納德·阿德勒曼

這是一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的大事件。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家艾倫·米爾斯說(shuō)：“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(kāi)始互相尋找配對(duì)?！钡沁@個(gè)階段的計(jì)算機(jī)并不具備通用性，距離實(shí)際計(jì)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(jì)算機(jī)”這一概念?；诤?jiǎn)單的兩條單鏈DNA以堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成雙鏈DNA的過(guò)程，研究人員構(gòu)建了一系列簡(jiǎn)單的DNA計(jì)算機(jī)。

2006年，美國(guó)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(kāi)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(jì)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(guó)加州理工學(xué)院生物工程系錢(qián)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(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題——識(shí)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(gè)類(lèi)別，每個(gè)類(lèi)別代表從1到9的九個(gè)手寫(xiě)數(shù)字中的一個(gè)。這項(xiàng)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(shì)獨(dú)到的DNA計(jì)算機(jī)應(yīng)用前景十分樂(lè)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(shí)別的信號(hào)，例如顏色變化等。

顛覆性機(jī)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(jì)算是有聯(lián)系的。在這個(gè)化學(xué)、生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉領(lǐng)域里，還有著巨大的謎團(tuán)等待人們?nèi)ヌ剿骱徒沂尽?/p>

近年來(lái)，隨著技術(shù)的逐步發(fā)展和成熟，DNA測(cè)序與合成的成本不斷下降，DNA計(jì)算機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯現(xiàn)出極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(cè)細(xì)胞內(nèi)生物信息的變化，因此可以用于癌癥、心臟病、動(dòng)脈硬化等疾病的診斷，甚至還能幫助盲人恢復(fù)視覺(jué)。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，DNA計(jì)算機(jī)有望被用于研究邏輯、破譯密碼、情報(bào)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(jì)算能力破解密碼需要幾十年、幾百年時(shí)間，而DNA計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和并行性會(huì)使原本的安全系統(tǒng)“潰不成軍”。

DNA計(jì)算機(jī)甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子計(jì)算機(jī)的控制。有研究將DNA計(jì)算機(jī)隱藏在生物樣本中，通過(guò)預(yù)先編程，在檢測(cè)樣本的過(guò)程中入侵電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序，獲取其中信息，并使之按照DNA計(jì)算機(jī)的意圖運(yùn)行。

另一方面，隨著DNA計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)DNA分子能夠儲(chǔ)存海量信息，且具有驚人的并行計(jì)算能力。這使人們意識(shí)到，DNA計(jì)算機(jī)蘊(yùn)藏巨大商業(yè)價(jià)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(jì)算機(jī)。緊接著，美國(guó)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(kāi)發(fā)出了一種DNA計(jì)算機(jī)，可用于破譯存儲(chǔ)在DNA芯片中的加密圖像。

DNA計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理示意圖。圖/The Conversation Trust(UK)Limited

盡管發(fā)展迅速、充滿(mǎn)機(jī)遇，但DNA計(jì)算機(jī)還有很多問(wèn)題亟待克服。

首先，DNA計(jì)算機(jī)得依靠DNA級(jí)聯(lián)反應(yīng)完成復(fù)雜計(jì)算任務(wù)。DNA級(jí)聯(lián)反應(yīng)是指把前一個(gè)反應(yīng)的“輸出”作為“輸入”引發(fā)后一個(gè)反應(yīng)。隨著計(jì)算規(guī)模不斷擴(kuò)展，DNA級(jí)聯(lián)反應(yīng)的數(shù)目也會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致計(jì)算速度不斷下降，完成計(jì)算任務(wù)所消耗的時(shí)間就會(huì)不斷延長(zhǎng)。當(dāng)級(jí)聯(lián)反應(yīng)數(shù)為7時(shí)，通常需要6到10個(gè)小時(shí)來(lái)完成反應(yīng)。因此從目前來(lái)看，DNA計(jì)算機(jī)的規(guī)模及其復(fù)雜性還不能無(wú)限擴(kuò)大。

其次，大規(guī)模的DNA計(jì)算機(jī)需要在一支試管中使用大量（數(shù)萬(wàn)億個(gè)）DNA分子執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，這使得DNA計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)難度隨著規(guī)模的擴(kuò)大迅速上升，副反應(yīng)也會(huì)增加。因此，平衡計(jì)算機(jī)的規(guī)模、計(jì)算速度和執(zhí)行計(jì)算的DNA分子數(shù)目至關(guān)重要，構(gòu)建具有更強(qiáng)大計(jì)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(shí)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(lèi)強(qiáng)大的機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。科學(xué)家自然不會(huì)放過(guò)在這種模型上嘗試DNA分子計(jì)算。

華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴昊教授團(tuán)隊(duì)一直致力于DNA計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)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(jì)算機(jī)科學(xué)與分子生物學(xué)的交叉融合發(fā)展，課題組針對(duì)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)策略。簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)“學(xué)習(xí)”大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，“記憶”32個(gè)類(lèi)別的分子字跡。

最近，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·機(jī)器智能》報(bào)道了裴昊團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一種新的DNA計(jì)算模塊——“開(kāi)關(guān)門(mén)”，用以在分子水平上實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而完成對(duì)32類(lèi)圖譜的識(shí)別和分類(lèi)。

在計(jì)算任務(wù)中，手寫(xiě)字符首先被轉(zhuǎn)化為12 12的正方形網(wǎng)格上的25個(gè)像素格點(diǎn)，被稱(chēng)為“分子筆跡”。這意味著，每個(gè)“分子筆跡”都由144個(gè)DNA分子庫(kù)中的任意25個(gè)DNA分子組成。接下來(lái)，研究人員構(gòu)建了兩個(gè)簡(jiǎn)單的DNA計(jì)算機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了兩類(lèi)“分子筆跡”在360 平面上不同旋轉(zhuǎn)角度下的識(shí)別，以及以“火”“土”“木”“水”“天”“氣”“人”和“生”這八個(gè)甲骨文字作為目標(biāo)“記憶”模式的分類(lèi)任務(wù)。

在這項(xiàng)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(jì)算機(jī)，通過(guò)粗分類(lèi)（語(yǔ)言粗略分類(lèi)）和細(xì)分類(lèi)（特定的手寫(xiě)符號(hào)）兩個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了32個(gè)類(lèi)別的模式識(shí)別。這是現(xiàn)有的能夠識(shí)別最多種類(lèi)圖譜的DNA計(jì)算機(jī)。

值得一提的是，完成這項(xiàng)任務(wù)的整個(gè)DNA卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需512類(lèi)不同的DNA分子，這一數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于已經(jīng)被報(bào)道的DNA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正確運(yùn)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(jì)算機(jī)中有效減少使用的DNA分子數(shù)目，這對(duì)未來(lái)的DNA計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。

在這篇論文中，研究人員還提出了一種簡(jiǎn)單的循環(huán)凍融策略——將DNA計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間從幾小時(shí)縮短到幾分鐘。

這一DNA計(jì)算機(jī)具有超高的計(jì)算能力，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜信息的準(zhǔn)確分類(lèi)，并可能賦予DNA計(jì)算機(jī)類(lèi)似于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“智能”行為。原則上，基于DNA的計(jì)算設(shè)備可通過(guò)連接感官輸入，使用數(shù)百個(gè)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(kāi)始探索在分子體系中創(chuàng)造人工智能的方法，但DNA計(jì)算機(jī)的潛力不可低估?；蛟S在不遠(yuǎn)的將來(lái)，與人體合二為一的DNA計(jì)算機(jī)會(huì)成為人體的一部分，甚至是外部延伸，完成電子計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的醫(yī)療診斷和治療任務(wù)。

作者：曹夢(mèng)瑤（華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生）

編輯：許琦敏