网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《三体》水滴成真?DNA电脑问世,一滴水藏下超级算力

0
分享至



科学家成功研发出一款全新的“可程式化DNA电脑”,与传统电脑或常规生物计算系统不同,它完全不需要持续输入能量,就能精准执行算术运算。这项发表于国际权威期刊《自然》(Nature)的研究,运用物理学中的热力学定律,展现了分子计算的庞大潜力。

这套系统被命名为“支架式DNA电脑”(Scaffolded DNA Computer,SDC),由爱尔兰梅努斯大学(Maynooth University)电脑科学系教授戴米恩‧伍兹(Damien Woods)与助理教授阿比尔‧艾希拉(Abeer Eshra)领导的研究团队共同开发。他们用10个程式测试SDC,其中包括100位元的运算。有些计算,例如10+3,SDC大约花了30秒完成。

热力学驱动:让物理定律自动算出答案

传统的电子电脑需要靠微处理器持续消耗电能,强迫信号走完一连串逻辑处理步骤;而许多现有的生物电脑则需要添加“分子燃料”(如ATP或酵素)来驱动化学反应。

SDC创新之处在于,它直接利用了物理学中的“热力学平衡”原理——物理系统天生倾向于朝“能量最低、结构最稳定”的状态演变。

“这套系统的巧妙之处在于竞争性的结合过程”,研究共同作者伍兹教授解释,“无数DNA分子在溶液中相互推挤与竞争,结合力最强、结构最稳定的分子会胜出并接合到长支架上。这场微观层面的竞争过程,本质上就是在处理信息。最终,系统会稳定在热力学上最偏好的状态,而这个最终构型就编码了计算的正确答案。”

这意味着,SDC不需要外加能量去强迫推导结果,而是透过精密的分子序列设计,让“正确答案”恰好就是“能量最低的稳定状态”。换句话说,相较于需结合活细胞与传统硬体才能运算的其它生物电脑,这台电脑在设计上得出答案所需的能量更少。

用DNA打造的电脑:一滴水中的兆级并行运算

SDC的架构由数条短链DNA(作为“分子拼砖”,Tile)与一条长链DNA(作为“支架”,Scaffold)组成。

1. 编程阶段:研究人员透过设计短链DNA的碱基序列来编写计算规则。不同的DNA序列组合代表不同的输入数据或运算程式。研究团队笑称:“要换不同的计算程式或输入值,我们只要从冰箱取出不同的DNA溶液混合即可。”

2. 运算阶段:将DNA混合液加入微量盐水中,经过简单的加热后缓慢冷却。在冷却过程中,DNA链会依据碱基互补规则竞争组装。

3. 产出结果:当系统达到热力学平衡时,形成的最终DNA结构即代表计算结果。

虽然反应容器只是一滴微小的液体,但里面却含有数十亿甚至数兆条DNA链同时进行自我组装。艾希拉教授指出:“这种超高密度的分子并行运算,是传统硅晶电脑难以复制的优势。”

可重复使用的分子电脑

研究团队在实验中利用SDC成功演示了700多次运算,包含基本的加法、乘法(乘以3)、除法(除以2),以及电脑领域常用于错误侦测的“8位元同位检查(Parity check)”。

在效能表现上:
小型运算:如10+3等基础计算,SDC约在30秒至1分钟内完成。考量到运算必须经过化学反应,而这些反应本身就需要同样长甚至更长的时间,这样的速度相当惊人。
复杂运算:数值介于1,100万至3,400万之间的大型加法,最长则耗时14小时。

研究共同作者康斯坦丁·伊凡斯(Constantine Evans)坦言,这些简单计算用人工或硅晶片算快得多。但SDC的价值在于,“它仅凭少数几种分子、在没有固定程序与不可逆反应的前提下,完全靠热力学得到正确结果。”

更突破性的是“可重复使用性”。过去多数分子电脑皆属一次性消耗品,反应完毕即失效;而SDC只需要重新温控即可再次运算。团队甚至在实验室将SDC放置了一年半,即使样品已部分干涸,研究人员只需重新注入纯水,SDC便能立刻“复活”并重新执行运算,其中有三个程式重复成功执行了多达24次。

艾希拉说:“到目前为止,许多分子电脑都仰赖特别制备的元件、推动系统运作的分子燃料,或是需要精准时间控制的反应。我们的DNA电脑则是把分子全部丢在一起,让它自行松弛到平衡状态就能运作。”

未来展望:生物环境与DNA资料储存

虽然热力学DNA电脑目前尚无法在速度上与传统电子电脑抗衡,但其超低能耗与分子级体积,为未来应用带来无限想像:

• DNA归档与资料储存:艾希拉教授强调,SDC为DNA资料储存开辟了新方向。因为基于热力学平衡的系统具备“内建错误更正”特性——错误配对的DNA链接构不稳,会在平衡过程中自动被正确的DNA链替换掉。

• 生物体内智慧诊断:无需外加电源与毒性试剂的特性,使SDC极适合嵌入活细胞或生物相容性材料中,未来可用于医疗感测或精准药物释放。

“这项研究成功证明了热力学可以用来进行可靠且复杂的运算”,艾希拉总结道,“未来我们将继续优化DNA支架设计、提升结果读取速度,并进一步探索其在分子储存领域的潜在应用”。

声明:个人原创,仅供参考

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
苏提达日本观赛第2场,甩掉灰黑改换浅色套装,绿松石珠宝好贵气

苏提达日本观赛第2场,甩掉灰黑改换浅色套装,绿松石珠宝好贵气

夏末moent
2026-10-18 00:16:13
从“黑船来袭”到“销量停滞”:远渡日本的比亚迪海獭怎么了?

从“黑船来袭”到“销量停滞”:远渡日本的比亚迪海獭怎么了?

沙雕小琳琳
2026-10-16 09:55:35
2027年十二生肖全年运势完整版:有人暴富,有人稳顺,有人要避坑

2027年十二生肖全年运势完整版:有人暴富,有人稳顺,有人要避坑

千秋文化
2026-10-17 21:04:29
最快女护士!张水华西安马拉松破个人+赛会纪录夺冠 获10万元奖金

最快女护士!张水华西安马拉松破个人+赛会纪录夺冠 获10万元奖金

醉卧浮生
2026-10-18 12:08:11
任重夫妇带娃游乌镇,2岁女儿首曝光!孕肚明显四肢却细得不像话

任重夫妇带娃游乌镇,2岁女儿首曝光!孕肚明显四肢却细得不像话

枫尘余往逝
2026-10-18 00:25:45
5调2撤!北京公交迎来大洗牌,长线退场,接驳时代已经来了

5调2撤!北京公交迎来大洗牌,长线退场,接驳时代已经来了

智慧生活笔记
2026-10-17 09:55:59
社保体系中的不公与痛点

社保体系中的不公与痛点

沈勇平
2026-10-13 15:58:32
旺达·娜拉发大尺度裸照推广订阅平台引来争议

旺达·娜拉发大尺度裸照推广订阅平台引来争议

东方不败然多多
2026-10-16 08:06:43
大连英博紧追蓉城!媒体人热议:预算2亿冲双冠,蓉城是不是慌了

大连英博紧追蓉城!媒体人热议:预算2亿冲双冠,蓉城是不是慌了

奥拜尔
2026-10-17 21:00:58
遭本国网暴,被日本抛弃的羽球女神,真的选择来华追梦

遭本国网暴,被日本抛弃的羽球女神,真的选择来华追梦

乡野小珥
2026-10-18 13:38:10
1-0!43岁皇马弃帅保住帅位 登陆英超7轮后终获首胜 率队摆脱垫底

1-0!43岁皇马弃帅保住帅位 登陆英超7轮后终获首胜 率队摆脱垫底

我爱英超
2026-10-18 01:03:22
赛后激动落泪!黄荣奇重返四川男篮首秀轰16+6末节命中关键三分

赛后激动落泪!黄荣奇重返四川男篮首秀轰16+6末节命中关键三分

狼叔评论
2026-10-17 23:32:04
“花钱就可以搞死一家店铺”?岂能让“职业差评”扰乱市场秩序

“花钱就可以搞死一家店铺”?岂能让“职业差评”扰乱市场秩序

齐鲁壹点
2026-10-17 21:24:11
真可怜啊!网友同情明星,不火了只能接廉价商演,一场仅仅5万元左右!评论区被气得不轻!

真可怜啊!网友同情明星,不火了只能接廉价商演,一场仅仅5万元左右!评论区被气得不轻!

谭谈社会
2026-08-25 14:40:14
网红魏莹陪玩案后续:母亲曝不耻原因,连续陪3个大哥:她没离婚

网红魏莹陪玩案后续:母亲曝不耻原因,连续陪3个大哥:她没离婚

阅微札记
2026-10-15 10:11:44
段永平,被一根香蕉揭穿了

段永平,被一根香蕉揭穿了

睿博思
2026-10-13 20:05:05
当护士月薪1万!张水华10个月逆袭成百万富翁 难怪从未后悔辞职

当护士月薪1万!张水华10个月逆袭成百万富翁 难怪从未后悔辞职

兰亭墨未干
2026-10-18 14:35:19
最煎熬的不是失业没了工作,而是社保年限从15年涨到了20年

最煎熬的不是失业没了工作,而是社保年限从15年涨到了20年

职场资深秘书
2026-10-16 16:36:46
林彪为何多次探望远离政治的贺子珍?孔东梅:恐怕只有一个原因

林彪为何多次探望远离政治的贺子珍?孔东梅:恐怕只有一个原因

小豫讲故事
2026-09-14 00:15:07
建国后无实职无军衔,为何获得主席亲自特批?待遇高于开国大将

建国后无实职无军衔,为何获得主席亲自特批?待遇高于开国大将

纪史行者
2026-10-17 03:00:03
2026-10-18 15:52:49
来自星星的小胖子 incentive-icons
来自星星的小胖子
一个来自星星的小胖子
1017文章数 704关注度
往期回顾 全部

科技要闻

王江舟院士:6G到底是不是骗局 是不是收割

头条要闻

央视披露扶贫农业大棚被大量闲置荒废 吉林省长:严惩

头条要闻

央视披露扶贫农业大棚被大量闲置荒废 吉林省长:严惩

体育要闻

升级版杨瀚森再闯难关:当上开拓者第三中锋还得拼

娱乐要闻

曝郭麒麟与25岁知名女星已经结婚,女方回应关系

财经要闻

马斯克:美债问题只能靠AI和机器人解决

汽车要闻

星瑞L PLUS限时售价10.97万元起 开启智混3L时代

态度原创

数码
房产
游戏
公开课
军事航空

数码要闻

华为智能手表如何跨界做好医疗级血压监测?从长城会看华为WATCH D3的技术突围

房产要闻

利好密集落地+现房好房断档,广州楼市买入窗口,正在倒计时!

狼娘模拟《家庭时光》遭同名公然抄袭 登Steam愿望单前50

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

乌克兰全国超15处重要能源设施遭俄袭击 泽连斯基发声

无障碍浏览 进入关怀版