日本科學(xué)家研制出世界上最小的計算機，由17個分子構(gòu)成(新浪科技配圖)

　　17個四甲基對苯醌分子就是它的全部零件。這個世界上最小的計算機有望讓一切納米裝置具備智能。人們設(shè)想將它裝入納米機械“盔甲”，注入人的血液，成為與癌細(xì)胞戰(zhàn)斗的“鋼鐵俠”。

　　日本國立材料科學(xué)研究所的安尼爾班-班德亞帕德耶博士這樣形容四甲基對苯醌：“它看上去就像小汽車。”他通常會在特殊的電子顯微鏡下研究這種有機物分子。在鏡頭下，這輛“小汽車”擁有六邊形苯環(huán)組成的“車身”， 有4個圓錐體模樣的碳?xì)洹败囕啞甭?lián)接其上，而整個分子直徑小于1納米，比可見光的波長還要小數(shù)百倍。班德亞帕德耶希望用17個這樣的分子拼湊出一部計算機。

　　只有17個分子的微型大腦

　　在日本筑波市的實驗室里，班德亞帕德耶每天在重復(fù)這樣的工作：讓這17輛“小汽車”在黃金基板做成的“訓(xùn)練場”上排列成一個“車隊”，這一步驟必須在-196℃的真空環(huán)境里進行。他將其中一個四甲基對苯醌分子放置在中央，充當(dāng)控制部門，其他16個分子則環(huán)繞它排成一圈。裝置完成之后，這個17個分子組成的“車隊”就能在室溫條件下正常工作了。

　　接著，班德亞帕德耶用一個非常鋒利的帶電傳導(dǎo)針對放置在中心的“小汽車”進行電脈沖調(diào)節(jié)。由于中心“小汽車”與周圍的16個“小汽車”存在微弱的物理關(guān)聯(lián)性，因此，當(dāng)中心“小汽車”受到電脈沖調(diào)節(jié)而“掛檔”，其他的16個“小汽車”也被發(fā)動起來。整個裝置像一面蜘蛛網(wǎng)，位于中心的蜘蛛一旦移動，16根蜘蛛絲也會產(chǎn)生不同程度的顫動，這種顫動隨著不同強度的電脈沖變化，形成不同的“信息”。

　　這些電脈沖的變化，會被利用來充當(dāng)計算機運算的邏輯基礎(chǔ)。目前家庭中通用的晶體管計算機，僅能利用電脈沖的打開、關(guān)閉，構(gòu)成運算需要的兩種邏輯狀態(tài)：0和1，即俗稱“二進制”。而班德亞帕德耶的“分子晶體管”則擁有4個碳?xì)鋱A錐體結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上就有4個不同的方向，從而擁有四種邏輯狀態(tài)：0，1，2，3。“最亮的是3，而0是最暗的。”班德亞帕德耶指著電腦屏幕上的圖像上講解道。從理論上計算：一個電脈沖信號可以得出416個不同結(jié)果，也就是近43億種結(jié)果。目前這部納米計算機的運算速度是普通晶體管計算機的16倍，“如果將這個分子裝置從二維16分子環(huán)狀結(jié)構(gòu)擴展至三維的1024 分子球狀結(jié)構(gòu)，就能同時執(zhí)行1024個指令，比普通電腦快上1024倍?！?

　　班德亞帕德耶承認(rèn)，這項設(shè)計的靈感來源于人類的大腦細(xì)胞，大腦細(xì)胞呈現(xiàn)樹狀放射分支形狀，每一個分支都可用于與其他分支細(xì)胞進行溝通。“人類大腦比任何超級計算機都復(fù)雜，大腦的平行分支運算法是其中關(guān)鍵?！卑嗟聛喤恋乱孕诺卣f，“我們的研究做到了一個處理器在作出指令時，也必須同時影響其他處理器。這意味著什么？意味著每一個分子都能獨立思考并彼此溝通，這將是人類創(chuàng)造的第一個納米大腦?！?

　　電子計算機“黔驢技窮”

　　班德亞帕德耶不止一次聽到人工智能專家的抱怨：在涉及到天氣預(yù)測、微生物基因掃描和需要處理大量微分子數(shù)據(jù)的納米領(lǐng)域，計算機的運算速度已經(jīng)跟不上形勢。19世紀(jì)愛爾蘭數(shù)學(xué)家威廉-哈米爾頓曾提出這樣一個問題：給出一系列任意的城市，每次只經(jīng)過一個城市，連接所有城市的最短路徑是哪一條？不少數(shù)學(xué)家曾經(jīng)試圖利用計算機來解答這一問題，但他們很快發(fā)現(xiàn)：如果城市有100個，連目前最快的超級計算機也要耗費上億年的時間去計算。

　　每個人都希望發(fā)展出運算能力更強的電子計算機。計算機運算速度的快慢，取決于芯片上集成晶體管數(shù)目的多少。但隨著芯片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長。一旦芯片上線條的寬度達到納米數(shù)量級時，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，導(dǎo)致采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作。

　　這種情況讓美國邁特公司的納米技術(shù)專家詹姆斯-埃倫博根教授堅信，班德亞帕德耶博士的成果具有重大的意義：“一旦我們掌握了制造這種體積不超過鹽粒大的計算機的技術(shù)，我們就會從根本上處于一種新的形勢。自然界有各種分子，到目前為止，直接利用自然界中的分子來制造計算機，是我所知道的突破計算機運算極限的唯一方式?！?

　　“人工智能專家們已開始認(rèn)識到，如果要制造和人腦一樣復(fù)雜的電腦，模仿生物學(xué)是他們的最佳選擇?！泵绹R薩諸塞州庫日韋爾技術(shù)公司的雷? 庫日韋爾說，“因此，電腦公司和大學(xué)研究人員都忙著學(xué)習(xí)生物學(xué)速成課程?！?2003年，以色列魏茲曼研究院耶胡達-夏皮羅教授在試管中研制出具有數(shù)學(xué)計算功能的分子計算機，這臺計算機只有一滴水滴大小，卻包含有數(shù)目繁多的器件。它用酶做硬件，用DNA分子作為軟件，內(nèi)部包含有1 萬億個活的細(xì)胞，每秒鐘可完成10 億次計算，準(zhǔn)確率高達99.8%。但夏皮羅的同事伊塔瑪爾-魏茲曼強調(diào)，研究的主要意圖并不在于突出分子計算機的運算速度：“我們希望分子計算機能夠?qū)崿F(xiàn)生物監(jiān)控設(shè)備的作用，譬如，它植入人體內(nèi)可以監(jiān)控患者藥劑使用狀況和生理反應(yīng)?！?

　　有腦子的納米機器人

　　班德亞帕德耶對分子計算機在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用很感興趣：“設(shè)想裝配這樣的分子儀器并植入血液中，或許能夠摧毀人體內(nèi)的癌細(xì)胞。”2008 年4 月，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的研究人員在這方面領(lǐng)先了一步，他們造出了可以儲藏、輸送抗癌藥物并在光的作用下釋放藥物攻擊癌細(xì)胞的分子裝置。該裝置由中孔硅納米粒子制成，其內(nèi)部細(xì)孔涂覆了化學(xué)物質(zhì)偶氮苯，抗癌藥物可以裝載在這種細(xì)孔中。由于偶氮苯具有光致變色特性，在光的作用下具有兩種振動形態(tài)。研究人員首先讓上述裝置在黑暗中進入置于玻璃器皿中的人類癌細(xì)胞內(nèi)，然后用光照射使它振動，分子裝置細(xì)孔中的抗癌藥物隨之被釋放出來攻擊癌細(xì)胞。

　　這套操作裝置有個時髦的稱呼：“納米機器人”。班德亞帕德耶還有更有趣的想法：造一個納米計算機，然后將“主機”與分子構(gòu)成的發(fā)動機、推進器、轉(zhuǎn)換裝置、電梯、傳感器等結(jié)合在一起，使它們有機地結(jié)合成一個整體。他開始為分子計算機尋找一種與其他裝置對接的方法，“目前它已經(jīng)可以與8 種混合裝置對接，工作起來就像一個微型工廠。我還要把它變成有記憶和行動能力的納米機器人?！?

　　南巴黎大學(xué)分子光物理實驗室的迪雅爾丹教授認(rèn)為，這種想法需要滿足苛刻的條件：“首先是化學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造出納米級的單分子機械機構(gòu)，其次是找到精確控制單分子的方法，第三是研制出可傳遞信息的機器人‘大腦’裝置?！?

　　第一個條件已經(jīng)漸漸成為現(xiàn)實：2007 年被法國圖盧茲材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)研究中心與德國柏林大學(xué)的科學(xué)家們“組裝”出來的納米機器“分子輪”，就由兩個直徑為0.7 納米的三苯甲基分子“車輪”組成。研究人員借助掃描探針式顯微鏡(SPM)的電子探針來驅(qū)動“車輪”旋轉(zhuǎn)。

　　電子探針位于SPM 的終端，科學(xué)家像操縱游戲機杠桿一樣操縱它與樣品表面輕輕接觸，根據(jù)探針與樣品表面極其微弱的排斥力變化，再通過光學(xué)或電流原理將其進行放大和分析，測定出樣品表面的形貌信息和探針?biāo)幍奈恢?，并把它的活動放大上億倍后在電腦屏幕上顯示出來。SPM 探針帶有電性，因此人們通常順便用它來控制操作鏡頭下的單分子，1989 年，IBM公司操縱35 個氙原子，在鎳金屬表面拼出“IBM”三個字母，開了納米微操作先河。

　　班德亞帕德耶同樣采用了這種方法，但它并非理想的首選。SPM 探針明顯比他的分子“小汽車”要大上許多，用來操縱他的“小汽車”，就如同現(xiàn)實世界中用樹枝來撥弄小螞蟻的每一條腿一樣困難。班德亞帕德耶希望未來可以使用分子代替帶電傳導(dǎo)針實現(xiàn)對微型納米電腦的控制?！斑@樣第二、第三個條件也能滿足了?！?

　　盡管總體上看，短時間內(nèi)制造出科幻中的高智能納米機器人似乎不大可能，但迪雅爾丹教授的話代表了納米領(lǐng)域科學(xué)家們的樂觀：“在納米機器人產(chǎn)生前，人們會一直認(rèn)為研制它們是不可思議的事，其實好好想一下，不可思議的不是研究本身，而正是人類自己的思想。來源：新浪科技