生物計算機（biological computer）指使用脫氧核糖核酸(DNA)或者諸如蛋白質(zhì)的生物分子、檢索、用于處理數(shù)據(jù)的計算系統(tǒng)。生物計算機包含一系列代謝途徑，旨在代表根據(jù)輸入狀態(tài)做出反應(yīng)的生物材料，這些代謝反應(yīng)構(gòu)成了計算的輸出。生物計算機的分子集成密度和超大規(guī)模并行處理能力使其在運算速度、信息存儲密度、與傳統(tǒng)的電子計算機相比，它在能量損耗和體積方面有很大的優(yōu)勢。

生物計算機

生物計算機可以分為三種主要類型：生物化學(xué)計算機、生物力學(xué)計算機和生物電子計算機。它們分別利用生物分子的化學(xué)反應(yīng)、機械響應(yīng)和電響應(yīng)實現(xiàn)信息處理功能。生物計算機具有各種功能能力，目前包括二進制邏輯運算和數(shù)學(xué)計算。

有一門人類學(xué)科叫仿生學(xué)，就是通過對自然界生物特性的研究和模仿，達到更好地服務(wù)于人類社會的目的。一個典型的例子是通過研究蜻蜓的飛行來制造直升機；在青蛙 的表面上的眼睛“視而不見”，實際“明察秋毫”了解，開發(fā)了電子蛙眼；在對蒼蠅飛行研究的基礎(chǔ)上，仿制了一種新型導(dǎo)航儀——振動陀螺儀，能使飛機火箭自動停止危險“跟頭”飛行，當飛機強烈傾斜時，可以自動平衡，這樣飛機在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎中也萬無一失；通過研究蝙蝠沒有視覺，通過發(fā)射超聲波定向飛行的特性，制成了雷達、超聲波定向儀等；對變色龍的研究產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護色的應(yīng)用…

仿生學(xué)也可以應(yīng)用到計算機領(lǐng)域。通過對生物組織的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)組織是由無數(shù)的細胞組成的，而細胞是由水組成的、鹽、蛋白質(zhì)核酸和其他有機化合物，以及有機物質(zhì)中的一些蛋白質(zhì)分子，像開關(guān)，都有“開”與“關(guān)”的功能。因此，人類可以利用基因工程技術(shù)復(fù)制這種蛋白質(zhì)分子，并以此為元件制造計算機?？茖W(xué)家稱這種計算機為生物計算機。

正如人類基因組計劃啟發(fā)我們的那樣，DNA（脫氧核糖核酸）的數(shù)據(jù)存儲和計算能力可能遠遠超過目前計算機使用的硅芯片。目前，計算機科學(xué)家正在努力開發(fā)基因超級計算機，以建立基于DNA的信息技術(shù)的新世紀。DNA又稱脫氧核糖核酸，使細胞核攜帶生物生長指令的遺傳物質(zhì)。DNA有著不可思議的數(shù)據(jù)存儲功能，大概比硅片還要強。一般來說，1毫克DNA的存儲功能相當于1萬張左右的光盤更不可思議的是，DNA還具有同時處理萬億條運算指令的能力。研究人員指出，編碼生命活動指令的遺傳分子DNA和RNA可以存儲比常規(guī)存儲芯片更多的數(shù)據(jù)試管生物計算機含有大量遺傳物質(zhì)的片段，每個片段都是一個微型計算工具，因此生物計算機可以同時進行數(shù)千甚至數(shù)百萬次計算。研究人員對生物計算機的未來用途有各種各樣的想法。其中之一就是讓它在新藥臨床試驗中代替人它可以通過計算模擬人體的多種變化只要把藥物的成分描述輸入生物計算機，就會得到反應(yīng)結(jié)果。

生物計算的早期概念始于1959年，當時諾貝爾獎得主費曼提議在分子尺度上開發(fā)計算機；

自20世紀70年代以來，人們發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸（DNA）在不同的狀態(tài)下，有信息和無信息都可能發(fā)生變化?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)生物元素可以在邏輯電路中實現(xiàn)0和1、晶體管的開或關(guān)、電壓的高或低、脈沖信號的存在或不存在等。經(jīng)過特殊培養(yǎng)后制成的生物芯片可用作新型高速計算機的集成電路。

1994年，圖靈獎獲得者阿德曼提出了基于生化反應(yīng)機制的DNA計算模型；

生物計算機方面的突破性工作是2007年北京大學(xué)提出的并行DNA計算模型，它將有一個61個頂點的a 3-所有48個3 顏色圖表的s-所有的顏色都解決了，它的算法復(fù)雜度是，而這個搜索數(shù)，即使是當今最快的超級計算機，也需要13217年才能完成，這似乎預(yù)示著生物計算機的時代即將到來。

它的主要原料是生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子，用作生物芯片。生物芯片比硅片上的電子元件小得多，而且生物芯片本身具有天然獨特的三維結(jié)構(gòu)，密度比平面硅集成電路高五個數(shù)量級。讓數(shù)萬億個DNA分子在一種酶的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以讓生物計算機同時運行數(shù)十億次。生物計算機芯片本身也具有并行處理的功能，運算速度比最新一代計算機更快。一旦生物芯片出現(xiàn)故障，它可以自我修復(fù)，因此具有自愈能力。生物計算機具有生物活性，可以與人體組織有機結(jié)合，特別是與大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。這樣，生物計算機就可以直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴展部分，可以通過人體細胞吸收營養(yǎng)和補充能量，因此不需要外部能量。它將被植入人體，幫助人類學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的理想伙伴。此外，由于生物芯片中流動的電子之間發(fā)生碰撞的可能性極小，幾乎沒有阻力，因此生物計算機的能耗極小。

2021年3月，西班牙龐貝·法布拉大學(xué)的一個研究小組設(shè)計了“生物計算機”可以在紙上打印細胞。

生物分子或超分子芯片

基于傳統(tǒng)的計算機模式，從尋找高效率、目前，生物體內(nèi)的小分子已被電子信息載體和信息傳遞器所研究、大分子、人們對超分子生物芯片的結(jié)構(gòu)和功能進行了大量的研究和開發(fā)。生物化學(xué)電路”即屬于此。

自動機模型

基于自動化理論，我們努力尋找新的計算機模型，特別是用于特殊目的的非數(shù)值計算機模型。目前的研究主要集中在基本生物現(xiàn)象的類比上，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫網(wǎng)絡(luò)、細胞自動機等。不同自動機的區(qū)別主要是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接的區(qū)別它的基本特征是集體計算，也叫集體主義，在非數(shù)值計算中、模擬、認可的潛力很大。

仿生算法

我們以生物智能為基礎(chǔ)，致力于尋找一種新的具有仿生概念的算法模式雖然類似于自動機的思想，但是基于算法，不追求硬件的變化。

生化反應(yīng)算法

基于可控的生化反應(yīng)或反應(yīng)體系，利用小體積內(nèi)相似分子的高拷貝數(shù)，追求運算的高并行性，從而提高運算效率。DNA計算機就屬于這一類。

細胞計算機

采用系統(tǒng)遺傳學(xué)（系統(tǒng) 遺傳學(xué)）原理、合成生物技術(shù)人工設(shè)計和合成基因、基因鏈、信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)化的生物工程細胞（系統(tǒng) 生物-工程）通過改造和重新編程，可以完成復(fù)雜的計算和信息處理，蜂窩計算機也被稱為濕式計算機（濕 計算機）現(xiàn)在的電腦是干貨電腦（干 計算機）

1994年，中國科學(xué)院曾邦哲發(fā)表了系統(tǒng)生物工程的基因組藍圖設(shè)計和生物機器組裝、仿生學(xué)與基因工程的融合概念，如生物分子計算機細胞仿生工程等。中科院曾邦哲（曾杰）1999年，有人提出應(yīng)將遺傳信息系統(tǒng)視為基因組智能（基因組 智力）人工編程基因，重新設(shè)計細胞內(nèi)生物分子復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，使細胞成為人工生命系統(tǒng)（人工 生物系統(tǒng)），并在網(wǎng)上公布了人工設(shè)計細胞內(nèi)分子電路系統(tǒng)的概念圖，與“人工生命”從而提出計算機仿生學(xué)、研究了基因工程細胞分子機器的設(shè)計和組裝，2002年德國提出了分子模塊、細胞器、基因組設(shè)計細胞，設(shè)計細胞信號通訊的生物計算機模型，從而擴展了多細胞計算機和層次的概念。生物計算機的研究和開發(fā)已經(jīng)成為現(xiàn)代合成生物學(xué)的重要組成部分。

生物計算機具有各種功能能力，目前包括二進制邏輯運算和數(shù)學(xué)計算。

麻省理工學(xué)院(MIT)人工智能實驗室的Tom Knight首先提出了一個生物計算模型，在這個模型中，蛋白質(zhì)濃度被用作邏輯運算的二進制信號。生物計算機的化學(xué)路徑中的生化產(chǎn)物的濃度等于或超過一定水平，這表明“1”和“一個信號值，濃度低于這個水平表示“1”和“另一個信號值在。利用這種方法進行計算和分析，生物計算機可以進行邏輯運算，只有當初始條件滿足特定的邏輯約束時，才會出現(xiàn)合適的二進制輸出。換句話說，適當?shù)亩M制輸出是從一組初始條件中得出的結(jié)論。

除了上述類型的邏輯運算，生物計算機還可以展示其他功能，如數(shù)學(xué)計算。一個例子是，W.L.Ditto.1999年Georgia Tech制造了一臺生物計算機它由水蛭神經(jīng)元組成，可以進行簡單的加法運算。

這些只是生物計算機被設(shè)計來執(zhí)行的一些著名的用途。生物計算機的功能變得越來越復(fù)雜。由于與生物分子和生物計算機的生產(chǎn)相關(guān)的可行性和潛在的經(jīng)濟效益，生物計算機技術(shù)的發(fā)展是一個熱門的和迅速增長的研究課題，并且在未來可以看到更多的進展。

優(yōu)點

1983年，美國提出了生物計算機的概念。此后，各個發(fā)達國家開始研制生物計算機。生物學(xué)家將仿生學(xué)應(yīng)用于生物計算機領(lǐng)域，產(chǎn)生了生化分子框架生物計算機的觀點。目前，生物計算機仍處于蓬勃發(fā)展階段，國內(nèi)外都在積極開發(fā)新的生物芯片。雖然生物計算機并沒有取得重大的顛覆性進展，但一些學(xué)者甚至提出了目前生物計算機的一系列缺點，比如遺傳物質(zhì)的生物計算機受外界環(huán)境因素的干擾、無法檢測到計算結(jié)果、生化反應(yīng)可以 不能保證成功率等此外，很難在基于蛋白質(zhì)分子的芯片上運行文本編輯器。但是，這些問題并不會影響生物計算機這個極具誘惑的領(lǐng)域的快速發(fā)展隨著人類技術(shù)的不斷進步，這些問題終將得到解決，生物計算機的商業(yè)化將會到來。

生物計算機是全球高技術(shù)領(lǐng)域中最具生命力和發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科，涉及包括計算機科學(xué)在內(nèi)的多個學(xué)科、腦科學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理、生物工程、電子工程等相關(guān)學(xué)科。它的主要原料是生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子，用作生物芯片。生物計算機芯片本身也具有并行處理的功能，運算速度比最新一代計算機快10萬倍，能耗只有普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間只占十億分之一。生物計算機有很多優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.體積小，功效高。

生物計算機的面積可容納數(shù)億個電路，比目前的電子計算機高出數(shù)百倍。同時，不再具有計算機形狀的生物計算機可以隱藏在桌子的角落里、墻或地板等地方，同時發(fā)熱和電磁干擾大大降低。

2.生物計算機的芯片持久性和可靠性

生物計算機是永久性的，高度可靠。如果能發(fā)揮生物體本身的修復(fù)機制，即使芯片失效也能自我修復(fù)。這是生物計算機極具吸引力的潛在優(yōu)勢）蛋白質(zhì)分子可以自我組裝，可以生成新的微電路，而且是活性的，所以生物計算機具有生物特性。生物計算機不再像電子計算機一樣，電子計算機可以t自動修復(fù)損壞的芯片生物計算機可以發(fā)揮生物調(diào)節(jié)功能，自動修復(fù)受損芯片。因此，生物計算機可靠性高，不易損壞，即使芯片出現(xiàn)故障，也能自動修復(fù)。因此，生物計算機芯片具有一定的持久性。

3.生物計算機的存儲和并行處理

與傳統(tǒng)的電子計算機相比，生物計算機在存儲方面有很大的優(yōu)勢。一克DNA可以存儲一萬億張光盤那么多的信息，存儲密度是常用磁盤存儲的1000億到1萬億倍。生物計算機還具有超強的并行處理能力邏輯運算可以通過狹窄區(qū)域內(nèi)的生化反應(yīng)實現(xiàn)，數(shù)百億個DNA分子構(gòu)成大量DNA計算機進行并行運算。特別是生物神經(jīng)計算機具有良好的并行分布式存儲和廣義容錯性。它在處理Boltzmann自動機模型和一些非數(shù)值問題方面顯示出巨大的潛力。真正擺.擺脫馮諾依曼模式，真正實現(xiàn)智能化。

生物計算機的數(shù)據(jù)傳輸和通信過程簡單，并行處理能力可與超級電子計算機相媲美DNA分子堿基的不同排列順序作為計算機的原始數(shù)據(jù)，相應(yīng)的酶通過生化變化對DNA堿基進行基本操作，可以實現(xiàn)電子計算機的各種功能。

生物計算機包含大量遺傳物質(zhì)工具，可以同時進行數(shù)百萬次計算。傳統(tǒng)的電子計算機以目前的速度逐個測試所有可能的解，生物計算機同時處理每個分子庫中的所有分子，而不是依次分析可能的答案。電子計算機相當于有一串鑰匙，每次用一把鑰匙開鎖，而生物計算機一次用幾百萬把鑰匙，計算速度會比現(xiàn)有的超級計算機快100萬倍。生物計算機的運算時間可高達每秒或更高進一步發(fā)展并與其他高新技術(shù)相結(jié)合將有廣闊的前景。

4.發(fā)熱與信號干擾

生物計算機組件是由有機分子組成的生化組件，通過化學(xué)反應(yīng)工作，所以；它只需要一點能量就能工作，所以它贏了不要像電子計算機一樣工作一段時間后，身體會發(fā)熱，生物計算機的電路之間沒有信號干擾。

5.數(shù)據(jù)錯誤率

DNA鏈的另一個重要性質(zhì)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，a堿基和t堿基、c堿基和G堿基形成一個堿基對。每個DNA序列都有一個互補序列。這種互補性是生物計算機的獨特優(yōu)勢。如果DNA的雙螺旋序列出現(xiàn)錯誤，修飾酶可以參考互補序列來修復(fù)錯誤。雙螺旋結(jié)構(gòu)相當于電腦硬盤的RAID1陣列，一個硬盤是另一個硬盤的鏡像當?shù)谝粋€硬盤損壞時，可以通過第二個硬盤修復(fù)數(shù)據(jù)。生物計算機本身具有修改錯誤的特性，所以生物計算機的數(shù)據(jù)錯誤率低。

缺點

作為有待完善的新一代計算機，生物計算機優(yōu)勢明顯。但它也有自己不可克服的缺點。其中最重要的是從中提取信息的難度。一臺生物計算機在24小時內(nèi)完成了人類所有的計算，卻要花一周的時間才能從中提取出一條信息。這也是生物計算機目前不流行的主要原因。

生物計算系統(tǒng)的研究包括兩個方面設(shè)備和系統(tǒng)。

利用有機(或生物)材料在分子尺度上形成有序系統(tǒng)，通過分子水平上的物理和化學(xué)過程提供信息檢測、處理、傳輸和存儲的基本單位稱為分子器件。1974年，Ａ.Ｌ.阿維拉姆和M.Ａ.拉特納首先提出了分子整流器模型。1978年，Ｆ.卡特明確提出了分子器件的概念。雖然生物處理器芯片的研究仍處于實驗室階段，但在生物元件特別是生物傳感器的開發(fā)中，已經(jīng)取得了許多實用的成果和應(yīng)用。目前對生物處理器芯片的研究表明，其尺寸有望超過VLSI工藝的極限，并且具有很高的適應(yīng)性、豐富的時變特性，有利于大規(guī)?；ヂ?lián)。2013年，由Drew   Endy領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)生物工程小組宣布，他們已經(jīng)制造出了一種生物等效的晶體管。本發(fā)明是構(gòu)建全功能計算機的三個基本要素(數(shù)據(jù)存儲、信息傳輸、基本邏輯系統(tǒng))中的最后一個。

生物計算系統(tǒng)不僅對設(shè)備有新的要求，而且其結(jié)構(gòu)和計算原理也不同于傳統(tǒng)計算系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)一般是平行分布的。信息的儲存往往是短期記憶(快過程)和長時記憶(慢過程)的結(jié)合，是通過學(xué)習(xí)來完成的。它的計算是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，沒有精確的時間同步，只能在分形時間尺度上描述。1994年，美國南加州大學(xué)提出了研制DNA計算機的設(shè)想，并通過DNA計算解決了7點哈密爾頓路徑問題，顯示了DNA計算的巨大潛力。以色列魏茨曼科學(xué)中心2002年實現(xiàn)了由酶和DNA組成的可編程分子計算機，2004年實現(xiàn)了具有輸入輸出部件的DNA計算機。

生物計算機是人類期望在21世紀完成的偉大工程。是計算機世界最年輕的分支。目前研究方向大致有兩個：一方面是發(fā)展分子計算機，即制造有機分子元件來代替現(xiàn)在的半導(dǎo)體邏輯元件和存儲元件；另一方面是深入研究人腦的結(jié)構(gòu)、思維規(guī)律，進而構(gòu)思生物計算機的結(jié)構(gòu)。

據(jù)美國國家地理雜志報道，新開發(fā)的新型生物計算機允許科學(xué)家進行分子研究“編程”并由活細胞執(zhí)行“命令”

加州理工學(xué)院（加州 研究所 技術(shù)）的克里斯蒂娜·斯默爾克（克里斯蒂娜 斯莫爾克）是這項研究的合作者之一，他指出，像這樣的生物計算機有一天將使人類能夠直接控制生物計算系統(tǒng)。這項研究將發(fā)表在2008年10月17日的《科學(xué)》雜志上。

生物計算機最終將擁有從細胞中產(chǎn)生生物燃料的智能，例如：能在特殊情況下實現(xiàn)有效控制“智能藥物”斯默爾克說，“如果檢測到疾病，智能藥物可以從細胞環(huán)境中取樣，形成自我防御序列結(jié)構(gòu)。

這種新的生物計算機包括在酵母細胞中組裝的工程RNA片段RNA是一種類似于DNA的生物分子，可以編碼遺傳信息，如：如何制作一個多樣化的蛋白質(zhì)。從計算工程的角度來看，生物計算機“輸入”It 漂浮在細胞中的s分子；輸出”It 這是蛋白質(zhì)產(chǎn)品的變化。例如，RNA計算機很可能與兩種不同的分子綁定在一起如果將兩種不同的分子連接在一起，生物計算機的外觀將會發(fā)生變化。當DNA被改變形狀的生物計算機束縛時，它將直接影響基因表達并減緩蛋白質(zhì)中的制造。

這些蛋白質(zhì)會以不同方式影響細胞，例如：如果這些細胞是癌細胞，蛋白質(zhì)會殺死它們。研究小組設(shè)計的RNA計算機的不同部分可以由模塊組成，因此這些組件可以混合和組裝。

斯默爾克說，“根據(jù)我們不同的組合，會達到不同的效果。自然界往往會形成復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，但這些復(fù)雜的分子卻能實現(xiàn)非凡的獨立功能。很難建立一些可互換的組件來執(zhí)行多樣化的計算功能，但這種生物計算機效率高，將在今后的研究中逐漸成熟。

許多科學(xué)家認為，生物計算機不太可能超越或匹敵今天 電子計算機。美國普林斯頓大學(xué)電子工程師分子生物學(xué)家羅恩·韋斯（Ron Weiss）說，“他們可以 不能像我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X一樣運行微軟的Windows或Wii游戲。與其他人不同，生物計算機可以潛在地修復(fù)或直接影響細胞過程。

維斯說它基本上使用了一種“細胞語言”這項最新研究將拓展生物計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。以前的RNA計算機并不是很復(fù)雜。

以色列魏茨曼學(xué)院（魏茨曼科學(xué)研究所）埃胡德，計算機科學(xué)家和生物計算機科學(xué)家·沙皮羅（埃胡德 夏皮羅）他沒有參加Merke 的研究在此之前，他的研究小組成功地利用DNA建造了一臺生物計算機，它可以在試管中工作，并執(zhí)行一些簡單的數(shù)學(xué)運算。

然而，夏皮羅 s的生物計算機不同于最新的RNA計算機，他的試管分子計算機很容易受到外界環(huán)境的影響和干擾。沙皮羅說，“默克公司最新研究表明，新的生物計算機可以實現(xiàn)細胞中分子的操作。他希望未來RNA計算機可以取代蛋白質(zhì)制造的復(fù)雜裝置蛋白質(zhì)是目前我們所知道的自然界中最有效的裝置我們知道如何讓RNA分子執(zhí)行簡單的任務(wù)，但我們不知道如何讓RNA分子執(zhí)行簡單的任務(wù)我不知道它們?nèi)绾悟?qū)動蛋白質(zhì)。這將是未來重要研究的一個目標。

北京時間2021年3月25日消息，目前，西班牙龐貝·法布拉大學(xué)的一個研究小組設(shè)計了“生物計算機”可以在紙上打印細胞。這份最新研究報告發(fā)表在最近出版的《自然通訊雜志》上。