日本研制出世界上最小計算機：僅有17個分子

2008.07.14??來自：新華網

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。人們設想將它裝入納米機械“盔甲”，注入人的血液，成為與癌細胞戰斗的“鋼鐵俠”。

日本國立材料科學研究所的安尼爾班-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”擁有六邊形苯環組成的“車身”，有4個圓錐體模樣的碳氫“車輪”聯接其上，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這樣的工作：讓這17輛“小汽車”在黃金基板做成的“訓練場”上排列成一個“車隊”，這一步驟必須在 -196℃的真空環境里進行。他將其中一個四甲基對苯醌分子放置在中央，充當控制部門，其他16個分子則環繞它排成一圈。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針對放置在中心的“小汽車”進行電脈沖調節。由于中心“小汽車”與周圍的16個“小汽車”存在微弱的物理關聯性，因此，當中心“小汽車”受到電脈沖調節而“掛檔”，其他的16個“小汽車”也被發動起來。整個裝置像一面蜘蛛網，位于中心的蜘蛛一旦移動，16根蜘蛛絲也會產生不同程度的顫動，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，會被利用來充當計算機運算的邏輯基礎。目前家庭中通用的晶體管計算機，僅能利用電脈沖的打開、關閉，構成運算需要的兩種邏輯狀態：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個碳氫圓錐體結構，本質上就有4個不同的方向，從而擁有四種邏輯狀態：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個不同結果，也就是近43億種結果。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分子環狀結構擴展至三維的1024分子球狀結構，就能同時執行1024個指令，比普通電腦快上1024倍。”

班德亞帕德耶承認，這項設計的靈感來源于人類的大腦細胞，大腦細胞呈現樹狀放射分支形狀，每一個分支都可用于與其他分支細胞進行溝通。“人類大腦比任何超級計算機都復雜，大腦的平行分支運算法是其中關鍵。”班德亞帕德耶自信地說，“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：在涉及到天氣預測、微生物基因掃描和需要處理大量微分子數據的納米領域，計算機的運算速度已經跟不上形勢。 19世紀愛爾蘭數學家威廉-哈米爾頓曾提出這樣一個問題：給出一系列任意的城市，每次只經過一個城市，連接所有城市的最短路徑是哪一條？不少數學家曾經試圖利用計算機來解答這一問題，但他們很快發現：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目的多少。但隨著芯片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數增長。一旦芯片上線條的寬度達到納米數量級時，這種情況下材料的物理、化學性能將發生質的變化，導致采用現行工藝的半導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，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識到，如果要制造和人腦一樣復雜的電腦，模仿生物學是他們的最佳選擇。”美國馬薩諸塞州庫日韋爾技術公司的雷?庫日韋爾說，“因此，電腦公司和大學研究人員都忙著學習生物學速成課程。”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學計算功能的分子計算機，這臺計算機只有一滴水滴大小，卻包含有數目繁多的器件。它用酶做硬件，用DNA分子作為軟件，內部包含有1萬億個活的細胞，每秒鐘可完成10億次計算，準確率高達99.8%。但夏皮羅的同事伊塔瑪爾-魏茲曼強調，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實現生物監控設備的作用，譬如，它植入人體內可以監控患者藥劑使用狀況和生理反應。”

有腦子的納米機器人

班德亞帕德耶對分子計算機在醫學領域的應用很感興趣：“設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的癌細胞。”2008年4月，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的研究人員在這方面領先了一步，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胞的分子裝置。該裝置由中孔硅納米粒子制成，其內部細孔涂覆了化學物質偶氮苯，抗癌藥物可以裝載在這種細孔中。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。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胞內，然后用光照射使它振動，分子裝置細孔中的抗癌藥物隨之被釋放出來攻擊癌細胞。

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”與分子構成的發動機、推進器、轉換裝置、電梯、傳感器等結合在一起，使它們有機地結合成一個整體。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。”

南巴黎大學分子光物理實驗室的迪雅爾丹教授認為，這種想法需要滿足苛刻的條件：“首先是化學領域創造出納米級的單分子機械機構，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。”

第一個條件已經漸漸成為現實：2007年被法國圖盧茲材料設計和結構研究中心與德國柏林大學的科學家們“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)的電子探針來驅動“車輪”旋轉。

電子探針位于SPM的終端，科學家像操縱游戲機杠桿一樣操縱它與樣品表面輕輕接觸，根據探針與樣品表面極其微弱的排斥力變化，再通過光學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所處的位置，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針實現對微型納米電腦的控制。“這樣第二、第三個條件也能滿足了。”

盡管總體上看，短時間內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域科學家們的樂觀：“在納米機器人產生前，人們會一直認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。

總結

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