量子计算机比目前最快的硅基计算机快10亿倍，而且没有能量消耗
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量子计算机比目前最快的硅基计算机快10亿倍，而且没有能量消耗
认识量子计算机一些真正的计算机老用户可能会有印象，十几年前，在2001年Intel发布Pentium 4后，有长达4年的时间，Intel没有发布新的CPU，大众期待的Pentium 5迟迟没能出现。在保持体积不变的情况下，芯片能力每18个月番一番的摩尔定律首次被打破，已经屡试不爽了25年的摩尔定律为什么会被打破，原因其实很简单——因为硬币已经叠得过高。我们大多都玩过这样的游戏，把硬币一个叠在一个上面，尽量让它们的边缘完美地重合，看最终可以叠到多高。无论我们多么努力，最终总有一个极限，因为硬币的表面不是完美的平面，细微的凹凸在许多次的累计后被放大，以致终于会让硬币叠起的微型摩天大楼坍塌。同样的，随着芯片中晶体管的密度越来越大，热力学问题变得越来越严重，电子如热锅上的蚂蚁一样抱头鼠窜，由于在尺度上越来越接近原子水平，量子效应也开始显现它的真实面目。限于当时的技术，挑战更高密度晶体管的CPU的设计工作困难重重，为了不失去市场，Intel转变设计思路，在继续压榨物理极限的同时，在保持基本工艺不变的情况下，于2005年推出了Pentium 4之后的新一代CPU——Pentium D——全球首款双核CPU。既然无法把晶体管的密度做得更小，那就先做成两个内核吧。Pentium 4的工艺是90纳米，Pentium D其实也是90纳米，但由于拥有双核，因此它确实几乎快了一倍。随后，CPU工艺技术取得突破，2006年Intel推出了全新一代的CPU——45纳米的酷睿处理器，将原有的90纳米工艺提高了一倍。但接下来，又过了足足5年，直到2011年，Intel才憋出了它的新大招——采用22纳米工艺的第二代酷睿处理器。摩尔定律一次次被亵渎似乎意味着这定律已经走到了尽头。事实似乎表明极限已经近在眼前。但贝尔实验室的科学家们的研究成果表明，利用现有材料制造电脑芯片所能达到的尺寸极限是五个原子的厚度。这意味着，硅芯片处理速度达到10 GHz应该不成问题。该厚度是电脑心脏中硅二氧化物薄膜所需的最小厚度，不过这是在薄膜理想平滑度下的极限尺寸。在实际用途中，这层薄膜的厚度可能得加倍才能够达到必需的平滑度。目前，芯片制造商采用的栅氧化物薄膜大概有二十五个原子那么厚。这些科学家们还表示，五个原子厚的极限是由物理规律决定的，是无法通过提高生产工艺的方法来加以克服的。尽管如此，科学家们的这一最新发现对于芯片制造商来说还应算是一个好消息，因为五个原子的厚度要比原来所估计的十五个原子的厚度要低得多。理论上这似乎意味着，芯片制造商将可以在今后十年内，仍可以按照目前的速度继续缩小芯片的尺寸。但理论归理论，事实是，硬币在坍塌前很长一段时间就已经摇摇欲坠了。不管怎么说，我们已经望见电子计算机的尽头了，它没什么前途可言了。那么，有没有什么新式的计算设备可以取代电子计算机呢，不是那种一般的替代，而是彻底的超越。答案是鼓舞人心的——有！而且还不少。已经有多种全新的计算机模型被提出，并随着时间的推移在不断地进化和淘汰着。这些全新的计算机模型主要包括光子计算机、DNA计算机、纳米计算机、量子计算机，其中每一种又有多种不同的设计方案。光子计算机和DNA计算机2000年左右时特别热，也有一些原型机问世，将一台光子或DNA家用电脑摆在桌面上似乎指日可待，但近几年却似型机问世，将一台光子或DNA家用电脑摆在桌面上似乎指日可待，但近几年却似乎都遇到了难以克服的困难而步履艰难。相反，在量子计算机窗口前打饭的队列似乎移动得更快了，而以往普遍认为量子计算机是难度更大的。本文将只讨论量子计算机，这不仅因为它是目前最活跃的新型计算机设计方案，而且也因为它确实有比其他新型计算机方案更先进的地方。在本文中你将了解量子计算机出现的必然性，它的起源，以及通过利用量子的叠加、纠缠和隐形传态（我更喜欢将其称为“心灵传输”），它们与传统计算机会产生怎样的区别。文中将解释一些量子计算机的基本特性，以及量子理论在现实世界所产生的荒谬的效果。量子计算机的概念被提出已经有些年头了，自从1980年量子理论被应用于经典图灵机起，量子计算机的开发就被提上了日程。这种计算机不仅比目前最快的硅基计算机快10亿倍，而且它们在理论上可以做到没有任何能量消耗（这里我要特别强调这确确实实还只是在理论上，因为实际上，目前所有已经制造出的量子计算机不仅不是不消耗能量的，相反在耗能方面都是霸王龙级别的，其运行时消耗的能量全都大得吓死人！假设1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏的电量，则这些电量在短短的10天里就会被消耗殆尽。而且目前所有已经造出的这些量子计算机在运行时的发热量也是让人崩溃的，必须用液氮进行不间断地冷却才行）。喜欢下结论的人会说，量子计算机将像晶体管废弃电子管一样废弃硅计算机。因此，芯片和计算机制造厂商、各国政府，尤其是美国和日本都在量子计算机的研发上投入了大量资金。本文为头条号作者发布，不代表今日头条立场。
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【未来预言】物联网、量子与DNA计算机
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未来时代互联网将会呈现怎样的发展，超强互联网又需要什么样的计算机与其匹配，这样的计算机又会对人类社会产生什么影响？
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赞该声音的人(6)计算机研究与发展/微软要花大价钱研发量子计算机 与谷歌IBM争雄
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计算机研究与发展/微软要花大价钱研发量子计算机 与谷歌IBM争雄 作者：&●&时间： 09:56:29&●&来源：
Ⅰ : 微软要花大价钱研发量子计算机 与谷歌IBM争雄
　　据《纽约时报》报道，微软现在要花大量资金和资源来研究量子计算机。 　　量子计算机是一种遵循量子力学规律，进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置。因为它使用的是可重叠的量子单位比特，在处理数据时可让0和1同时出现，因此它的优势也十分明显：处理速度惊人，比传统计算机快数十亿倍。对此雷锋网做过许多详细的科普报道，在此不多赘述。 　　不过人们看到的量子计算机，往往只是存在于科幻小说中。随着科技的不断发展，它正一步步地走向我们的生活。雷锋网曾报道过全球首个量子计算机桥的出现，而如果未来量子计算机能广泛投入使用，许多行业都会受到颠覆，比如药理学、人工智能等。 　　微软相信，公司离&开发基本量子建造块&的目标已经足够接近，该公司的工程经理 Todd Holmdahl 表示，&目前，微软已经能够设计出基本量子比特构件单元，做好了开发出一台完整量子计算机的准备。& 　　想开发出能够实际投入使用的量子计算机，研究人员面临不小的挑战，而微软的入局方式与竞争对手有些不同。该公司的方法是以&任意子(anyons)&作为基础。&任意子&是一种以 2D 形式存在的粒子，可用于构建超级计算机的模块并激发亚原子的物理属性。 　　让量子计算机执行实用的计算是否有可能?对这一问题，物理学家和计算机科学家们存在争议。在一些研究项目中，研究人员试图用不同的材料设计创建量子。微软选择的是拓扑量子计算。今年有三位科学家获得诺贝尔物理学奖，他们认为粒子或许能以 2D 形式存在，而微软的方法正是以此作为基础。 　　&将半导体与超导体结合在一起，这就是我们的秘诀。&研发团队表示。微软最近已经在控制可被用于形成量子比特的材料领域取得了实质性进展， 距离将量子计算温度控制在绝对零度的目标非常接近。 　　事实上，早在 2005 年微软就已经开始钻研量子计算技术。在当时微软还悄悄成立了 &Station Q& 实验室，负责人是数字家 Michael Freedman。如今微软已经决心跳出纯学术研究，计划斥巨额资源开发量子计算机的原型产品，与 IBM 和谷歌等科技巨头一同分这杯羹。 　　不过，目前能够超越数字计算机的算法还相当少。从早期著名的肖尔算法(Shor's algorithm)中我们或许能看到了一丝希望&&未来量子计算可以被用于破解密码。一旦这项研究实现，不仅整个物理界会发生剧变，人们的生活也会产生翻天覆地的变化&&现代电子商务的密码将不会被破解，我们可以通过量子计算机以更快的速度搜索数据库，执行机器学习算法。这也将成为计算机视觉和语音识别技术的重大利好。
Ⅱ : DNA分子计算与DNA计算机的研究进展2008年 第53卷 第5期: 497 ~ 502评 述《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESSDNA分子计算与DNA计算机的研究进展俞洋①, 缪淮扣①*, 宋世平②, 樊春海②*① 上海大学计算机工程与科学学院, 上海 200072; ② 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201800 * 联系人, E-mail: fchh@; hkmiao@收稿, 接受国家自然科学基金(批准号: 673115)、国家重点基础研究发展计划(批准号: 1)和上海市科委(批准号: 03DZ1nm021)资助项目摘要 生物分子计算与DNA计算机是计算机科学和分子生物学交叉产生的新兴领域. DNA计算机的特点是具有超强的并行运算能力和巨大的数据存储能力, 因而被认为有望解决电子计算机所面临的评价问题. 本文在介绍DNA计算机的基本概念基础上, 围绕DNA计算机的原理、计算模型和在多方面的应用等关键问题, 分析讨论了粘贴模型、剪接模型和等价检查模型等常用的DNA计算模型, 并对DNA计算机在NP问题、遗传分析与临床诊治、防伪和译码技术以及游戏与机器人等领域的研究进展和应用前景进行了探讨. 最后讨论了DNA计算机未来可能的发展方向.关键词 分子计算 DNA计算机 DNA结构 分子逻辑门 分子医生电子计算机的诞生是人类历史上一个里程碑式的突破, 可以说在很大程度上改变了人类的生活方式. 由于集成电路技术的飞速进展, 电子计算机本身的发展也是惊人的, 其运算速度较其原始模型已提高了约10亿倍. 然而, 随着这种惊人的技术发展, 人们不断提出这样的问题, 摩尔定律是否还能继续有效? 电子计算机是否可能走入穷途末路? 目前普遍公认的现状是, 越来越高的集成度要求向传统的集成电路工艺提出了严峻的挑战, 而集成电路的发展已经越来越接近技术所能容许的极限, 首先是电子通道的布线因越来越密而变得越来越难, 因为晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.18 μm, 电路线宽在0.1 μm以下将不可避免地达到仅有单个分子大小的物理学极限; 其次, 在更小的硅芯片上布设更密的电路将导致过热的高温而使芯片难以承受. 多数观点认为, 传统电子计算机在信息存储和处理方面取得更大的发展难度很大. 由于新兴的高新技术研究对计算机的性能不断提出更高要求, 例如人工智能的实现取决于计算机电路的密度和复杂性, 因此目前以半导体技术为基础的电子电路难以产生真正的认知能力.基于这样的认识, 人们意识到研制基于全新原 理的计算机势在必行. 如果回顾历史的话, 我们发现电子计算机的发展经历了这样一个历程. 1936年英国数学家图灵提出了一种通用编程计算机器的概念, 即著名的图灵机. 之后在20世纪40年代基于真空电子管的计算机才问世, 最终发展为今天基于硅的电子计算机. 然而, 很多自然界中的物理化学过程都蕴涵着类似的信息处理机制, 如果能抽象出对应的计算模型就有可能利用这些过程进行计算. 事实上, 细胞内的DNA, RNA等生物分子进行生化反应的过程和图灵机极其相似, 它们都是从一个字母表中抽出一串字符串, 并对这一特定信息进行处理, 同时根据给定的规则对字符进行修改或增减, 从而一步步地沿着字符串运行. 基于这一认识, 人们已经开发了诸如生物计算、量子计算等新一代计算方法. 生物分子的大小在纳米尺度, 同时生物分子具有良好的可操作性与强大的识别和信号转导能力, 这就为研制分子层次的利用生物分子元件组装成的生物计算机提供了可能(图1). 这一领域目前正吸引着越来越多的研究者投身其中, 其中DNA计算机的诞生和发展尤其引起了广泛的关注[1~6].4972008年3月 第53卷 第5期利用DNA分子的特异性配对原理可以很方便地实现分子逻辑开关. 美国Scripps研究所Ghadiri 研究小组[7]在2003年提出了通过荧光标记的DNA分子构建分子逻辑门的方法. 利用DNA分子之间的配对作用和多种荧光分子之间的Foster共振能量转移效应, 他们构建了3种光学逻辑门: AND, NAND和INHIBIT. 我们此前则设计了一种完全由DNA碱基构成的逻辑门[8]. 在这个工作中选用了一种铜离子依赖的DNA核酶(一种具有酶活性的特殊DNA结构), 构建YES门, NOT门等基本的逻辑门. 基于这一方法也可以实现逻辑门之间的连接, 形成较为复杂的逻辑门, 如AND(A, NOT(B), NOT(C))等.DNA计算机的主要特征之一就是实施大规模的并行运算. DNA计算之父Adleman指出[1], DNA计算图1 传统的电子计算机与DNA计算机的示意图两者的基本单元都是由输入设备(input)、中央处理器(CPU)和输出设备(output)构成. 在电子计算机中, 操作人员将待处理数据按照一定规则输入到CPU, 经过CPU的运算再通过电信号将处理后的数据输出到输出设备上. 类似的, DNA计算机是将信息编码在DNA链的碱基序列(AGTC)中, 经过一系列的DNA杂交、酶切等 生化反应后, 以光学或电学信号的形式将最终计算结果输出机一步可完成1020次运算, 其运算速度大大超过电子计算机的运算速度; 同时, 生物计算机每消耗1 J 的能量, 可以完成1019次运算, 其能量损耗及能量效率远远优于电子计算机. 并行运算可以解决电子计算机难以解决的计算问题, 如非多项式问题(non- polynomial problem, NP问题). NP问题的计算时间, 随着变量数目的增加呈指数增加, 因此电子计算机在变量数目较大时就对NP问题无能为力了.哈密尔顿路径问题(Hamiltonian path problem, HPP问题)即是一类典型的NP问题. HPP问题是指推销员在一个具有n个城市和m条航线的地图(有向图)中, 寻找从某一城市出发到达目的城市的一条通路, 并且要求经过且仅经过其他所有城市一次. 1994年, Adleman[1]利用DNA计算机实现了具有7个城市和13条航线的哈密尔顿路径问题. 其解决方案分为3个部分: (1) 先用长度为20个核苷酸的不同DNA序列, 编码7个城市设为Oi (i＝0,1,2,…6), 然后将13条i→j边编码为Oi→j, Oi→j的前10个核苷酸是Oi 3′端的10个核苷酸, 而后10个核苷酸为Oj 5′端的10个核苷酸. 在分子生物学反应中, 将等摩尔量的Oi的互补链和Oi→j混合, 以Oi的互补链为模板, 使对应的边进行反应, 进而产生各种随机连接序列(路径). (2) 以O0序列和O6的互补序列为引物, 通过PCR扩增随机序列, 不满足条件的“路径”序列将不被扩增. (3) 应用电泳分离扩增产物, 获取目的双链DNA(dsDNA), 此DNA序列即代表通过7个城市的“路径”序列. (4) 上述双链DNA变性后与磁颗粒固定1 DNA计算的原理DNA(脱氧核糖核酸)是生物遗传的物质基础. 1953年, Watson和Crick通过X射线衍射方法得出DNA的双螺旋结构. DNA双螺旋结构的骨架由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成, 两条骨架绕一共同轴心以右手方向盘旋, 相互平行而走向相反形成双螺旋结构. DNA由4种碱基: 腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶(分别简称为A, G, C和T)组合而成, 碱基位于螺旋的内侧, 它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与骨架糖基相连. 碱基的排列组合存储着生物遗传信息. DNA的一个重要特性是DNA链可以通过碱基互补配对作用形成杂合的双链, 而且配对具有高度的特异性, 即A只能与T, G只能与C结合. 同一平面的碱基在两条骨架之间形成碱基对. G和C之间有3个氢键, 而A和T之间只有两个氢键. DNA计算机即是通过这些特异性的配对作用而构建的, 即将运算信息排列于DNA上, 并通过特定DNA片段之间的相互作用来得出运算结果(图1). 事实上, DNA分子即可以看作4种不同的符号A, G, C, T组成的串, 可以将字母集合Σ = {A, G, C, T}按照碱基互补配对原则进行编码.498的O1互补链结合, 选取通过城市1的通路. 然后依次用磁颗粒固定的O2, O3, O4, O5的互补链重复操作, 获取同时通过所有城市的路径. (5) 将最终获取的DNA序列通过聚合酶链式反应(PCR)扩增, 用电泳分离输出结果.通过这一模型实验, Adleman成功展示了利用DNA计算机解决HPP问题的可能性. 重要的是, 电子计算机进行HPP问题计算时其运算步骤与节点数目呈指数关系; 而DNA计算具有高度的并行性, 其运算步骤与城市节点的数目呈线性关系. 因此, DNA计算在解决大变量数目的NP问题时具有常规电子计算机所不可比拟的优势.由Adleman的例子也可看出, DNA计算可分为3个过程. 第一是编码合成过程, 即对数学问题所有可能的解答, 设计出用不同的DNA序列进行编码, 并合成大量的各种DNA编码序列. 第二是清除运算过程, 通过DNA链的互补结合以及核酸酶的作用, 大量清除那些代表不正确答案的DNA序列, 而保留代表正确答案的DNA序列. 第三是结果读出过程, 即通过PCR技术将正确答案阅读出来.了计算完备的粘贴模型[11,12]. 他们通过形式语言的方法将粘贴系统表示为一个四元组γ = (V, ρ, A, D), 其中V是字母表, ρ 是V上的互补关系, A和D都是有限子集. 通过粘贴运算, 最终可以得到完整的双链DNA分子而实现DNA计算. 到目前为止, 基于这一模式的粘贴系统产生的所有语言都是正则语言. 粘贴模型具有体系简单的优点, 在运算中不涉及到酶参与的DNA延伸等复杂操作, 因而很有希望成为一个通用的计算模型. 2.2 剪接模型剪接模型是另一类被证明具有计算完备性的系统. 该模型是将DNA重组行为抽象为数学上的剪接操作, 即把DNA链看作四字符集形成的串, 然后通过专门处理字符和字符串的形式语言理论来研究DNA分子的重组行为. 需要指出的是, DNA分子剪接是通过分子生物学操作的, 即利用限制性内切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和外切酶等实现DNA的切割、连接与扩增. 其中限制性内切酶相当于分离算子, DNA连接酶相当于连接算子, DNA聚合酶相当于复制算子, 外切酶可以作为删除算子. 剪接系统是一个四元组r = (Σ, T, A, R), 其中Σ 是一个字符集, T是终极字符集, A是Σ*上的多重集, R是剪接规则的集合. Freund等[13]认为基于剪接系统的DNA计算可以发展成为通用DNA计算机. 事实上, Benenson等[3]在2001年已经利用剪接系统模型成功构造了可编程的有穷自动机. 除此以外, Paun研究组[14]还提出了基于剪接操作的试管系统, 可以实现分布式可编程DNA计算机. 需要指出的是, 与粘贴模型相比, 剪接模型尽管理论发展比较完善, 但是由于DNA分子剪接需要酶的参与, 显著提高了成本, 同时由于酶反应本身的精确性限制也增加了计算出错的可能. 2.3 等价检查模型等价检查模型是将DNA双链序列形成的符号串看作两个记忆单元, 然后对这两个单元进行等价性检查. 这种模型的优点是模型简单, 适合分子计算. Yokomori等[15]基于这一模型提出了一种具有图灵机计算能力的DNA-EC计算机模型, 然而对于该模型的分子生物学实验验证尚待进行.2 DNA计算的模型DNA计算模型的提出和发展对于DNA计算机研究来说具有至关重要的作用. 经过十多年的发展, 研究者基于分子生物学操作的可能性已经提出了粘贴模型(sticker model)、剪接模型(splicing model)、等价检查模型(equality checking model)等具有计算完备性的模型, 这些模型都被证明可以和图灵机等价[9]. 然而在目前研究阶段, 已有的模型只能实现加法、乘法等运算, 而不能进行减法和除法运算. 然而可以预料通过计算机专家和生物学家的密切合作, 真正实用的能够实现电子计算机功能的计算机模型必将可以实现. 以下将对几种常见模型进行简述. 2.1 粘贴模型粘贴模型是按照DNA碱基互补的特性进行配对识别操作的DNA检索模型[10], 即在一条长的DNA单链上随机选取一些位点, 并设计相应的配对DNA片段, 这样就形成了单、双链间隔的DNA. 然后通过合并、分离、设置和清除等设定操作即可实现DNA计算. 这种方式的优势在于不需要酶的参与即可实现DNA计算[10]. 然而其计算完备性还没有得到进一步研究. 1998年, 研究者基于Adleman提出的概念建立3 DNA计算的应用DNA计算机领域取得了飞速的发展, 尽管如此, 研究者普遍认为DNA计算机并非作为电子计算机的4992008年3月 第53卷 第5期竞争者或者替代物出现, 它与电子计算机的功能可能是互补的. 由于DNA计算机本身的特点(包括优点和缺点), 其今后的发展可能是致力于解决一些电子计算机难以完成的任务. 事实上, 由于DNA计算机在可靠性、灵活性、可操作性等方面存在的一些问题, 我们很难预期其在不久的将来可以实现诸如文字处理、网络等常规功能, 然而DNA计算已经在特定的复杂问题领域显示出极大的潜力, 从而成为研究者关注的热点. 以下将对几个热点应用领域进行介绍. 3.1 NP问题DNA计算机针对NP问题已经有了很出色的表现[1~4]的DNA计算单元结合而成的杂合机. 尽管这并非是真正意义上的DNA计算机, 不过这可能是目前最具实用性的DNA计算机.应用DNA计算的原理还可以通过作为输入输出单元的DNA分子控制基因表达. Shapiro研究组[5]报道了一种可对mRNA(信使RNA)表达量进行逻辑分析然后据此产生相应分子控制基因表达的DNA分子自动机. 该计算机分为3个可编程单元, 即分析mRNA量的输入单元; 计算单元; 产生调控基因表达的DNA分子或治疗药物的输出单元. 由于DNA计算机是纳米尺度的计算机, 一微升体积中即可包含一万亿个这样的计算机, 因此其运算和控制能力是无与伦比的. 研究者以肺癌细胞为模型证明了该DNA计算机可以用于体内诊断和在体治疗.2007年, 哈佛大学FAS系统生物学中心的Benenson研究组[27]提出了一种体内DNA计算机的新思路. 他们利用了生物体普遍存在的RNA干扰(RNA interfering)机制, 根据不同的信号(DNA分子)输入, 该DNA计算机可以通过RNA干扰机制实现编码, 并据此进行逻辑判断, 最后通过一种可发出荧光的蛋白质产生光学信号输出. 他们在人肾细胞中初步实现了这一计算过程, 显示出DNA计算机具有探测和监控基因突变等细胞内活动的特征信息的能力, 因此有可能用于确定癌细胞等病变细胞, 成为一种真正的“分子医生”. 3.3 防伪和译码技术DNA分子是天然的海量数据储存载体. 由于 DNA序列中每个位点都是4种碱基之一, 一段20碱基的DNA序列其组合方式可高达一万亿(420)种. 也就是说, 当DNA序列达到一定数目之后, 其组合方式之多达到了几乎无法穷举的地步. 正因为这样, 基于DNA高度序列复杂性的DNA防伪认证技术被认为是无法用现有技术破译的终极的防伪技术. Ban-croft等[28,29]提出了基于“隐写术”的DNA防伪认证技术, 即将防伪密码以特定的方式转换成DNA密码分子并隐藏在其他DNA分子中, 然后通过PCR和测序技术可以把这段标记序列阅读出来. 他们成立的DNA Technologies公司将其DNA防伪产品成功地运用到2000年悉尼奥运会的特许商品标记上, 极大地降低了假冒特许商品造成的损失. Fan等[30,31]近期提出的利用电化学技术的E-DNA生物传感检测技术可以显著降低DNA防伪的成本, 可能成为实用化的, 前文所述的HPP问题即属于NP完全问题. NP完全问题还包括图论中的最大连接点问题(maximal clique problem)、布尔代数中SAT问题(satisfiability problem)等. 计算机科学已经证明, 对所有NP完全问题不存在通用的有效求解算法. Adleman率先通过DNA反应解决了HPP问题, 从而开辟了生物计算机的新纪元. 其后如SAT问题和最大连接点问题等都被研究者通过DNA计算实现了[2,16]. 例如, Liu等[17~22]应用表面化学方法在二维表面上实现了4变量的SAT问题. 他们通过限制性酶去除不符合布尔方程的DNA链, 然后通过荧光阅读器读出剩余的DNA链即可知道最终解. Landweber研究组[23]则运用一组DNA和RNA实现了9变量的SAT问题, 即所谓的象棋中的Knight’s问题. 最近, Braich等[4]更在试管中实现了20变量的SAT问题. 更为重要的是, 人们已经意识到生物体内可能就存在很多NP问题, 如在一定条件下的蛋白质折叠过程, 多重PCR扩增中的引物选择问题等[24], 这些可能是通过生物体内天然的DNA计算机来实现的. 3.2 遗传分析与临床诊治DNA计算是通过DNA分子间的特异性反应来实现的. 因此利用DNA计算可能反过来对生物学研究起到促进作用, 比如对于遗传学和临床检测中非常重要的单核苷酸多态性(single nucleotide polymor-phism, SNP)研究[25]. 在一定的算法下应用DNA计算过程可以进行高通量的基因分析. 2003年日本NovusGene宣称他们已经研制出世界上首台可用于基因分析的DNA计算机并且提供对外服务[26]. 尽管他们没有公布该DNA计算机的细节, 一般认为他们所报道的是将电子计算机与具有高度并行运算能力500DNA防伪技术.在密码破译方面, DNA计算也已经展示了巨大的应用潜力. DES (data encryption standard system)密码是一种采用256种密钥加密的方法[32], 以现有电子计算机的运算能力DES密码是几乎不可能被破译的. 然而利用DNA计算机强大的序列编码能力和并行运行能力, 研究者表明可以在几个月内获得密码对应的唯一DNA序列. 3.4 电脑游戏DNA计算机最初并没有被考虑应用到游戏领域, 然而随着分子自组装领域的飞速发展, 研究者开始着手研究可产生运动的分子机器. 2003年, Stojano-vic[33]首次研制出一台具有游戏功能的DNA分子自动机MAYA. 他们在研究中应用一类具有酶活性的DNA分子设计成分子逻辑门, 并通过23个DNA逻辑门形成布尔网络. 1949年在剑桥的EDSAC电子计算机上首次实现了Charles Babbage提出的tic-tac-toe游戏自动机. 而MAYA可以完全实现tic-tac-toe游戏的功能, 而且可以与人进行交互游戏. 有趣的是, 由于MAYA所采用的完美策略, 在游戏中人总是失败者. 尽管MAYA只是实现了最简单的游戏, 然而这一步的迈出意味着DNA计算机在游戏领域大有可 为, 其发展前景不可限量.DNA计算作为一个新兴的研究领域, 已经展现出非同寻常的发展潜力. 然而毋庸置疑, 它也面临着各种各样的技术挑战[6]. 首先是分子生物学实验技 术. DNA计算利用的是常规DNA重组技术, 然而对于某些环节的要求远较普通分子生物学操作为高. 例如, DNA计算所要求的分子连接效率远高于普通DNA重组技术, 否则就有可能出现错误答案. 另外, 目前的DNA计算实验都是采用PCR扩增反应中间物的方法, 尚没有很好的方法实现反应中间物的即时分离. 这些问题的解决都将依赖于分子生物学操作技术的进一步发展. 第二, DNA计算机的芯片化. 目前多数的DNA计算机是试管型的, 即在溶液中实现. 而芯片化的DNA计算机显然更有优势, 而且更有可能成为真正的计算机. Zhao等[34]最近通过引入磁珠体系, 在磁珠表面实现了DNA计算. 尽管磁珠体系尚非真正的芯片, 这一工作也为DNA计算机最终的芯片化提供了一种有益的思路. 第三, 数据存取速度问题. 尽管DNA计算具有超高的并行计算能力, 但是目前的分子生物学操作耗时较长, 因而只有在问题的复杂度达到一定程度时才能体现出DNA计算机并行计算的优越性. 因此发展DNA序列的快速读取技术是实现数据快速存取的保证. 第四, DNA计算机信号的输出. 目前的DNA计算机输出信号的检测主要是通过分子生物学操作(如电泳)或荧光阅读器来实现的. 而我们知道现在的电子计算机的信号通讯是通过电来实现的. 如果能够将计算输出以电信号形式表现, 那么DNA计算机与电子计算机之间就能有更好的接口. 近期DNA电化学检测技术的快速发展为这个方向提供了一定的可能性. 第五, DNA计算机的超级计算能力来源于可以在较小体积内拥有巨大的DNA分子数量. 因此, 我们预期发展DNA单分子操纵技术将可能最大限度地提升DNA计算机的并行计算能力. 然而目前的DNA单分子操作技术主要依赖于扫描探针显微镜(SPM)、单分子荧光光谱等非常昂贵而又难以自动化的技术, 这在近期仍将是一个难以解决的矛盾.4 总结与展望DNA计算机是真正意义上的分子计算机, 其诞生和发展具有划时代的意义. 与电子计算机中依据一定的法则对有关符号串进行变换的物理过程类似, DNA计算机是通过DNA生物化学性质的变换来实现的. 由于DNA计算机是纳米尺度的分子计算机, 在很小的体积内可以容纳极大数量的DNA分子, 因此拥有无与伦比的并行计算能力. 正因为这样, DNA计算机不仅可以解决数学上的难解问题, 而且将可应用于研究生命过程的本质问题, 即基因组是如何通过对DNA的编码(算法)来实现生物体的生命过程(发育、衰老、疾病、死亡等)的.参考文献1 2 3Adleman L M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science, 87):
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赵健, 张治洲, 师咏勇, 等. 运行于磁珠表面的可编程DNA计算机. 科学通报, ): 502 Ⅲ : 机器人灵巧手的研究与发展74机械传动　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　文章编号:09)04-0126-04机器人灵巧手的研究与发展(哈尔滨工业大学机器人研究所,　黑龙江哈尔滨　150001)刘伊威　赵京东摘要　详细地阐述了机器人灵巧手的发展过程,对具有时期代表的典型灵巧手进行了剖析,分析了灵巧手设计过程中的关键技术,并探讨了未来的发展趋势。关键词　机器人　灵巧手度数110　引言其能够完成灵活、从开始,,被各国的科技人员所研究。相对于简单的末端操作器,机器人灵巧手具有通用性强、感知能力丰富、能够实现满足几何封闭和力封闭的精确、稳固抓取等优点。灵巧手作业能力的不断提高,其代价是增加了系统的复杂性和研究难度。目前灵巧手的研究和技术进步主要集中在结构设计、传感系统、运动学和动力学、控制及抓取规划等几方面。UBII手(1992,意大利)DLRI手(1998,德国)DIST手(1998,意大利)驱动传动传感结构3电机直线电机电机腱关节位置、触觉外置412腱电机/关节位置、外置指尖力电机/关节位置、外置3维指尖力电机/关节位置外置416腱2090LMSHand(1998,法国)BH-3手(1998,中国)TokyoHand(1999,日本)NASA多指灵巧手(1999,美国)Karlsruhe手(2000,德国)DLRII(2000,德国)UltralightHand(2000,日本)GIFUII手(2001,日本)BH-4(2001,中国)516电机腱39电机气动人工肌肉电机腱关节位置、3维指尖力内置512腱电机位置、压力外置514腱电机/关节位置、外置张力、触觉电机位置内置1　灵巧手的发展灵巧手的发展是一个阶段性的发展过程,主要原因是其发展受到其他相关技术的影响,如驱动技术、机械传动技术、传感技术、电子技术以及控制方法,以及社会需求、社会认知、设计思想等非技术性因素的影响。灵巧手的发展具有阶段性特征,如表1所示。表1　机器人灵巧手51电机连杆齿形皮带直接驱动齿轮413电机人工肌肉电机电机/关节位置、内置6维指尖力关节位置、压力电机位置、6维指尖力、触觉内置513516内置416电机年代2070灵巧手Okada手(1974,日本)Utah/MIT手(1983,美国)Stanford手(1983,美国)指数自由度数11电机/关节位置、内置钢丝指尖6维力齿轮电机位置、指尖力/内置力矩、触觉、视觉驱动传动传感结构20世纪初3电机腱电机/关节位置、外置电机电流电机/关节位置、外置张力、触觉电机位置、张力、外置指尖力、指尖触觉东大的快速手(2003,日本)KAWABUCHI手(2003,日本)MA-1(2003,西班牙)UBH3(2004,意大利)HIT/DLRI(2004,中国、德国)38电机515电机关节位置、电机电流内置连杆齿轮腱齿轮腱齿形皮带关节位置、指尖力内置电机/关节位置、张力外置电机/关节位置、关内置节力矩、6维指尖力压力、关节位置、触觉外置电机/关节位置、关节力矩、6维内置指尖力、触觉416气缸腱416电机电机电机气动39电机腱5452413232080Hitachi手(1984,日本)Belgrade/USC手(1988,南斯拉夫)Barret手(1988,美国)454电机连杆关节位置、指尖压力外置Shadow手(2004,英国)HIT/DLRII34电机齿轮电机位置、关节力矩内置(2008,中国、德国)515电机第33卷　第4期　　　　　　　　　　　　　　　机器人灵巧手的研究与发展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12720世纪60年代及以前,属于灵巧手的混沌期,没有形成真正意义的灵巧手,只是为残疾人制作假手,在BH-4手[34]、UBH3手[35]等。系统的集成度、机电一手指的数目、自由度配置以及感知能力等方面没有明确的目标,功能上能够完成一些简单的夹取操作。1962年Tomovic和Boni研制的Belgrade手最初就是为南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的,它被认为是世界上最早的灵巧手[1]。20世纪70年代,随着工业发展中对灵巧手需求这一趋势的显露,灵巧手在手指数目、自由度方面有所提高,如日本的Okada手[2]、Asada手[3]、通用公司Handyman手[4]等。20世纪80年代是灵巧手发展的一个里程碑随着机器人技术以及相关学科飞速发展,的应用领域不断扩大,巧手的研制开发,,以多自由度、多感知、。如Utah/MIT手[5]、Stanford/JPL多指灵巧手[6]、styx手[7]、NYU手[8]、UBII手[9]、Belgrade/USC手[10]、Barret手[11]、Hitachi手[12]等。这些作为现代意义的多指灵巧手除了具备多指、多自由度外,更重要的是具备了位置、力/力矩等基本传感功能,研究者基于灵巧手进行了控制、多指协调抓取等理论的研究,对后续灵巧手的发展产生了重要的影响。20世纪90年代研制了的DLRI手[13-15]、NASA手[16]、DIST手[17]、UltralightHand[18]、BH-3[19]、Tokyo手[20]等。这些灵巧手在构型方面有所提高,能够根据抓取操作的需要进行灵巧手构型,感知能力也更加丰富,指尖6维力/力矩传感器、滑/触觉等。DLR-I手(图1)由4个完全相同的手指组成,每个手指有4个关节,手指末端的两个关节同人手类似,存在着近似1∶1的耦合运动,使用一个驱动器进行驱(人工肌肉”)驱动、动。采用直线电机“腱传动,所有的电机集成在手掌内。NASA多指灵巧手(又称Robonaut手),是一种用于国际空间站上,进行舱外操作的装置,如图2所示,它具有较高的可靠性和稳定性,可承受大约9kg的力和500N?m的力矩。NASA手由1个用于安装电机和电路板的前臂、1个手腕和5个手指组成,共14个自由度。NASA手使用无刷直流电机实现整个手的驱动。除了触觉以外,整个手共有43个传感器,关节位置传感器、电机增量编码器。该手在外形和尺寸上与人手相似,且有冗余关节,在机器人灵巧手领域得到了一致的认同。21世纪初研制的Shadow五指手[21]、Karlsruhe手[22]、DLRⅡ手[23-24]、GIFUⅡ手[25]、东京大学的快速手[26]、KAWABUCHI手[27]、LMS手[28]、MA-1手[29]、OttoBockSeneorHand[30]、HIT/DLRⅠ手[31-33]和II手、体化程度有很大的提高,在灵巧手的手指数、自由度以及外观等方面更加拟人手化,具备了人手的模样,能够更加准确地完成一些人手的基本功能。基于全数字机电集成化概念,DLR于2000年设计了DLR-Ⅱ手,如图3所示,4个相同结构的手指,拇指具有外展/内收的运动,采有直流无刷电机驱动、谐波减速器减速、齿形皮带传动,手的引出线从第一代手的400根减少到12根,10N增加到30N。D、多传感器、模图1　DLR-I机器人灵巧手图2　美国NASA多指灵巧手图3　DLR-II灵巧手Shadow手是英国Shadow机器人公司于2004年开发的五指仿人灵巧手,外形上接近人手,共具有19个自由度,具有位置传感器、触觉传感器及压力传感器,采用气动肌肉作为驱动元件,如图4所示。Shadow手本体的外形尺寸很小,主要是由于将驱动部分及电气部分等放置在前臂内,采用绳索传动方式。日本Gifu大学于2002年研制了GifuII,如图5所示,有5个手指、16个自由度,每个手指有3个自由度,末端的两个关节通过连杆耦合运动,拇指另有一个相对手掌和其余4指开合的自由度,类似人手的拇指。采用集成在手内部的微型直流电机驱动,具有指尖6维力/力矩、触觉等感知功能。图4　英国Shadow灵巧手图5　GifuIII机器人灵巧手HIT/DLR手是哈尔滨工业大学(HIT)和德国宇航中心(DLR)合作开发的多指多感知机器人灵巧手,分别于2004年和2008年研制成功了HIT/DLRI手(图6左)和HIT/DLRII手(图6右)。HIT/DLRI手由4个相同的模块化手指组成,每个手指有4个关节、3个自由度,拇指另有一个相对手掌开合的自由度,共有13个自由度,采用商业化的直流无刷电机驱动,具有位置(电机/关节)、关节力矩、指尖6维力/力矩、温度等多种感知功能,所机械传动　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　有的驱动、减速、传感及电气等都集成在手掌或手指内,具有拟人手形的外观,基于多层FPGA和DSP实现了灵巧手的高速串行通讯和实时控制,重量1.8Kg,体积大约是人手的1.5倍。HIT/DLRII手由5个相同的模块化手指组成,共具有15个自由度,采用体积小、重图6　HIT/DLR多指灵巧手量轻的盘式电机驱动和谐波减速器+齿形皮带的传动方案,具有CAN、PPSECO(点对点高速串行通讯)、Internet等多种通讯接口,将I型手的PCI-DSP控制卡集成到手掌内,利用更高容量的A芯片和NIOS双核处理器,种通讯接口,重量1.5Kg,体积、重量、,I型手有较大的提高,底层单手指控制技术比较成熟,能够实现位置、力等控制策略;多指协调控制,将成为灵巧手控制研究的主要研究方向。(4)电子技术　电子系统在灵巧手系统中有着重要的位置,是对机械、驱动、传感等系统支撑和补充,也为这些部分的设计提供了更大的空间和柔性。电子系统实现的功能,包括电机驱动、传感测量原理及传感信息采集、通讯以及实时控制等。3　多自由(≥15)、多感知/),灵巧手具备了人,能够实现人手的某些抓握操作,但在传感、灵活性、集成度、小型化、可靠性、实际应用等方面还需要进一步的提高,机器人灵巧手的发展趋势主要有以下几个方面:(1)仿人手的目标　人手经过几千年的进化,已经成为小巧、灵活、敏感的操作工具。灵巧手发展的趋势之一是向人手靠近,在外形尺寸、手指数目、自由度的分配、感觉、抓握功能等方面。这一趋势不仅仅是灵巧手技术水平的展示方式,更重要的是从灵巧手的实际应用出发。当灵巧手在结构、尺寸、感知等方面达到人手的程度,两者具有1∶1的对应关系,那么它将真正地是人手的延伸,通过遥操作,能够很方便地用我们的手去控制远处的灵巧手完成抓取。同时,灵巧手的仿人化将为灵巧手用于残疾人假手提供条件。(2)智能作业　传统控制理论,包括经典反馈控制和现代控制,在灵巧手的实际控制、抓取操作中遇到不少困难:首先,由于灵巧手系统(手本体及被操作物体等)存在的非线性、变结构、多因素以及各种不确定性、不完全性等,一般无法获得精确地灵巧手系统模型,影响了传统控制系统的控制效果;其次,在对灵巧手系统进行研究时,必须提出并遵循的假设条件,比如抓取操作中手指与物体的接触模型等,而这些条件往往与实际情况并不完全吻合。提高灵巧手的智能控制水平,较少人为的干预使灵巧手完成预定的操作任务。(3)工业化应用　由于受到成本、生产制造工艺、可靠性、系统性等因素的影响,当前灵巧手的应用只限于实验室,还没有广泛地运用到工业实际中。面向产业化应用,在元器件选购、工艺安排、可靠性、软件、系统性等方面综合考虑,为灵巧手的产品转化提供必要的基础和方便。同时,灵巧手的广泛应用也有利于灵巧手技术的进一步深入发展。2　仿人灵巧手的关键技术机器人灵巧手作为机器人领域的一个重要研究方向,其研究和发展受到机械、电气等诸多方面的影响,其中的关键技术可以总结为如下几点:(1)驱动源　在机器人灵巧手的发展中,驱动器的形式主要有电磁(电机)驱动、液(气)压驱动两种方式,个别采用如记忆合金等其他驱动形式。现在在灵巧手的研究中,电机驱动(主要是小而轻的微型电机)逐渐成为主要的驱动方式,包括旋转电机和直线电机。一方面,电机设计、加工技术以及电子技术等的进步,能够为灵巧手提供体积小、输出力大的微特电机;另一方面,电能的获取(特别是在空间环境下)、存储相对容易,为电机提供了应用基础。(2)传感技术　传感器是机器人灵巧手可靠地抓握物体并且完成各种灵巧、精细作业的重要保证,具有丰富的传感器是机器人智能化的重要特征。多指灵巧手一般具有以下几种类型的传感器:力/力矩传感器、位置传感器、触觉传感器,此外有些配置有视觉、加速度、滑觉等传感器。由于受到传感技术的限制,灵巧手的传感器还没有达到我们期望的应用目标,在点上能够较好地实现测量,如关节、指尖等的位置、力矩,而没有实现类似人手的全面感知能力。(3)控制技术　为了使机器人灵巧手能够真正灵巧地进行各种精细操作,单有出色的硬件结构是不够的,控制系统的设计也占据重要位置。多指灵巧手可以看作相互之间以及与被操作物体之间存在一组约束的多机器人系统,在进行抓取和操作时具有闭链多环特征,存在控制的不唯一性、力的对抗和合作、运动协调等问题。灵巧手的控制可以分为底层的单手指控制和上层的多指协调层。目前,基于机器人控制基础的4　结束语可以预见,机器人将在多方面越来越贴近我们,增强我们的活动能力、为我们提供更大的便利。具有多第33卷　第4期　　　　　　　　　　　　　　　机器人灵巧手的研究与发展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　129种感知功能的拟人化灵巧手,将作为我们肢体的有效延伸,在空间探索、危险环境、科学研究、工业生产以及服务机器人等领域将发挥越来越重要的作用。参考文献[1]　TomovicR,BoniGM.AnAdaptiveArtificialHand[J].TransactionsonAu2tomaticControl.):3-10.[2]　putercontrolofmultijointedfingersystemforpreciseobject-handing[J].TransactionsonSystems,ManandCybernetics.):289-299.[3]　HanafusaH,AsadaH.Stableprehensionbyarobothandwithelasticfingers[J].IndustrialRobots,.[4]　MarkE.Posheim.RobotEvolution—theDevelopmentofAnth-robotics[M].Cambridge:TheMITPress,.[5]　JacobsenSC,WoodJE,KnuttiEF,etal.TheUTAH/MITDextrousWorkinProgress[J].TheInternationalJournalof,3(4):21-50.[6]　MasonMT,SalisburyJ.HMofManipulation[M].Cambridge:TheMIT:3-[7]　DemmelJ,LafferriereG,J,etal.Theoreticalandexperimentalstudiesusingamultifingerplanarmanipulator[J].InternationalConferenceonRoboticsandAutomation,.[8]　MurrayRM,SastrySS.Controlexperimentsinplanarmanipulationandgrasping[J].InternationalConferenceonRoboticsandAutomation,.[9]　MelchiorriC,VassuraG.ImplementationofWhole-HandManipulationCa2pabilityintheUBHandSystemDesign[J].AdvancedRobotics,):547-560.[10]　BekeyG,TomovicR,ZeljkovicI.Controlarchitectureforthebelgrade/uschand[J].DexterousRobotHands,.[11]　TownsendW.Thebarrethandgrasperpro-grammablyflexibleparthandlingandassem-bly[J].IndustrialRobot:AnInternationalJournal,):181-188.[12]　NakanoY,FujieM,HosadaY.Hitachi’sRobotHand[J].RoboticsAge,):18-20.[13]　LiuH,ButterfassJ,KnochS,etal.ANewControlStrategyforDLR’sMul2tisensoryArticulatedHand[J].ControlSystems,):47-54.[14]　HirzingerG,FicsherM,BrunnerB.AdvancesinRobotics:TheDLRExperi2ence[J].TheInternationalJournalofRoboticsResearch.):.[15]　ButterfassG,HirzingerS,KnochH,etal.DLR’sMultisensoryArticulatedHand,PartI:Hard-andSoftwareArchitecture[C].ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.86.[16]　LovchikCS,DiflerMA.TheRobonautHand:ADextrousRoboticHandforSpace[C]∥Proceedingsofthe1999IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Detroit.NewYork:IEEEc.[17]　CaffazA,CannataG.TheDesignandDevelopmentoftheDIST-HandDex2trousGripper[C]∥Proceedingsofthe1998IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Leuven,May16-20.NewYork:IEEEc80.[18]　SchulzS,PylatiukC,BretthauerG.Anewultralightanthropomorphichand[C]∥Proceedingsofthe2001IEEEIntemationalConferenceonRoboticsandAutomation,Seoul,May21-26.NewYork:IEEEc7-2441.[19]　王国庆,李大寨.新型三指灵巧机械手的研究[J].机械工程学报,):71-75.[20]　LeeK,ShimoyamaI.Askeletalframe-workartificialhandactuatedbypneumaticartificialmuscles[C]∥Proceedingsofthe1999IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Detroit.NewYork:IEEE,c-931.[21]　ShadowRobotCompany,Inc.ConsideredtobethemostadvancedDextrousHandintheworld[EB/OL].[]..[31]　GaoXH,JinMH,JiangL,etal.TheDLR/HITdexteroushand:workinprogress[C]∥Proceedingsofthe2003IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation,Taipei,September14-19.NewYork:IEEEc68.[32]　WeiR,GaoXH,JinMH,etal.FPGAbasedHardwareArchitectureforHIT/DLRHand[C]∥IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,Edmonton,August2-6.NewYork:IEEEc38.[33]　LiuH,MeuselP,SeitzN,etal.ThemodularmultisensoryDLR-HIT-Hand[C]∥Proc.OfElsevierInt.conf.MechanismandMachineTheory,.[34]　ZhangY,HanZ,ZhangH,etal.DesignandControloftheBUAAFour-FingeredHand[C]∥Proceedingsofthe2001IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Seoul,May21-26.NewYork:IEEEc22.[35]　LottF,TiezziP,VassuraG,etal.UBH3:ananthropomorphichandwithsimplifiedendo-skeletalstructureandsoftcontinuousfingerpads2004IEEEInternationalConferenceonInProceedingsoftheIEEInternationalConferenceonRobotiesandAutomation,26April-1May2004[C].Berlin:SpringerPress,41.收稿日期:项目支持:国家“863”计划资助项目()、哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划资助项目(HITQNJS.)作者简介:刘伊威(1977-),男,黑龙江双城人,博士、讲师2009年　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　英文摘要　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　6torthroughgearwheels,thesmalleronelinkedthebiggeronewiththeelectromotor.Sundriesinwaterarefiltratedbythefilterboardindrum-likerotatingfilternettoinsurethepumpandheattransformationde2vicefollowingitworkingorder.Thereasonsofhardlyabrasionbetweengearwheelsisanalyzed,andthedrivenmannerbetweengearsisim2proved.Resultshowsthattheimproveddrivengearscantotallysatisfyworkingandrepaircyclerequirement.Keywords:　Nuclearpower　Rotatingmesh　DrvinggearNear-netShapingTechnologyofPrecisionForgingforSpiralBevelGearKeywords:　Cam　Listingpointcurve　Bi-arcfitting　NCPro2grammingApplicationoftheColdExtrudingTechnologyofGears………………………………………………………YuJinwei(118)Abstract　Theadvantagesofthespurgearswithcoldextrusiontech2nologyreplacingmetalcuttingworkingproductionareillustrated.Andthetechnologicalanalysisforthespurgearpartsisconducted.Anewtechnologicalprocessisalsodrawnupandthemolesimple,andthediestructureisdesignedlogically,whichenhancesthefillingcapacityofmetalanddebasesthepressureKwords:SC　Technologyresearch　DieofZero-tooth-differenceInternalGear………………………ZhengJianshe,LiJinhai(111)Abstract　Basedonadvancedtechnologyofnear-netshaping,thedesignofthefleshlessandobturatedprecisionforgingdieforspiralbevelgearsisdiscussed.Inthemeantime,anewmachiningprocessingregulationsforPrecisionforgingoftheautomotivedrivingaxleareproposed.itisnotonlymaterialshigh,butalsothetransmissioncharacterimprovedobviously.Keywords:　Spiralbevelgear　Precisionforging　Near-netshap2ing　MachiningprocessTheProcessControlontheNoiseofMotorcycleTransmissionGear……………………………HuangKai,YuFengchun(120)Abstract　Theprincipalandstepsarepresentedaboutthedesignandmachiningofzero-tooth-differenceinternalgearpairs.Firstofall,themodificationcoefficientsaredeterminedwithaviewtothemachiningprocess,andthentheverificationiscarriedoutwithrelativedrawingsoftware.ThegearshapingorWEDMprocesscanbeappliedtoaccom2plishtheworkingsurfacesformation.Thewholedesignandmachiningproceduresareusedinpracticesuccessfully.Keywords:　Zero-tooth-difference　Design　MachiningTransmissionSystemDesignofLarge-scaleEquipment…………………………………LiXinguang,NiuChanggen(113)Abstract　Throughcomprehensivingthespecificationsofavarietyofmotorcyclegears,thevarietyofthemotorcyclegearsareclassified.Throughtheexamples,themainpointsoftheprocesscontrolonthevarioustypesofthegearsaregiven.Thepurposeofcontrolthenoiseisachievedbycontrollingtheprocess.Keywords:　Motorcyclegear　Noise　ProcesscontrolStudyonNCProgrammingApproachoftheListingPointCamCurve…………………………………YanChangfeng,CaiHongzhuan(123)Abstract　Inordertomeettheworkingrequirementsoflarge-scalee2quipment,theprincipleofthetransmissionsystemofthelarge-scaleequipmentisanalyzed.Mechanics,strengthcalculationandcheckingofthemaintransmissionpartsarecarriedout.Finally,conclusionsarereachedthatthetransmissionsystemischaracterizedbystablemove2ment,highprecision,highsecurityandgoodreliabilityandthatithasbeenverifiedintheprocessofproductapplicationthatthetransmissionsystemcanmeettherequirementsforthetransmissionfunctionofthelarge-scaleequipment.Keywords:　Transmissionmechanism　Large-scaleequipment　Security　ReliabilityResearch&DevelopmentofDexterousRobotHand…………………………HuangGuiqin,DuZhiqiang,SunXiaolao(116)Abstract　BasedonNCprocessingofthelistingpointcamcurve,aNCprogrammingapproachofadoptingthebi-arcfittingispresentedbythecubicsplineinterpolationwithequalerror.Firstly,itisrequiredtoacquirecubicsplinefunctionequationofthelistingpointcamcurveandtocalculatethecoordinatepointswithanequalerror.Next,theco2ordinatepointsofstep-lengthcircularcentercanbecomputedusingtheapproachofthebi-arcfitting.BothofthestartpointcoordinateandtheendcoordinatecanbeservedastheprogrammingdatanecessaryforthetoolcenterwiththecircularcentercoordinateandthenNCpro2cessingprogramisproducedbasedonthecorrespondingNCinstruc2tions.ThismethodmeetstheprocessingprecisionandshortNCprogramsegments,tokeepthesmoothcurveandtoimprovetheprocessingeffi2ciency.………………………………LiuYiwei,ZhaoJingdong(126)Abstract　Thedevelopmentprocessofdexterousrobothandisre2viewed,thestructuresofrepresentativerobothandsareintroduced,andthekeytechnologiesandfurtherdevelopmenttrendsofrobothandarediscussed.Keywords:　Robot　Dexteroushand Ⅳ : DNA分子计算与DNA计算机的研究进展2008年 第53卷 第5期: 497 ~ 502评 述《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESSDNA分子计算与DNA计算机的研究进展俞洋①, 缪淮扣①*, 宋世平②, 樊春海②*① 上海大学计算机工程与科学学院, 上海 200072; ② 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201800 * 联系人, E-mail: fchh@; hkmiao@收稿, 接受国家自然科学基金(批准号: 673115)、国家重点基础研究发展计划(批准号: 1)和上海市科委(批准号: 03DZ1nm021)资助项目摘要 生物分子计算与DNA计算机是计算机科学和分子生物学交叉产生的新兴领域. DNA计算机的特点是具有超强的并行运算能力和巨大的数据存储能力, 因而被认为有望解决电子计算机所面临的评价问题. 本文在介绍DNA计算机的基本概念基础上, 围绕DNA计算机的原理、计算模型和在多方面的应用等关键问题, 分析讨论了粘贴模型、剪接模型和等价检查模型等常用的DNA计算模型, 并对DNA计算机在NP问题、遗传分析与临床诊治、防伪和译码技术以及游戏与机器人等领域的研究进展和应用前景进行了探讨. 最后讨论了DNA计算机未来可能的发展方向.关键词 分子计算 DNA计算机 DNA结构 分子逻辑门 分子医生电子计算机的诞生是人类历史上一个里程碑式的突破, 可以说在很大程度上改变了人类的生活方式. 由于集成电路技术的飞速进展, 电子计算机本身的发展也是惊人的, 其运算速度较其原始模型已提高了约10亿倍. 然而, 随着这种惊人的技术发展, 人们不断提出这样的问题, 摩尔定律是否还能继续有效? 电子计算机是否可能走入穷途末路? 目前普遍公认的现状是, 越来越高的集成度要求向传统的集成电路工艺提出了严峻的挑战, 而集成电路的发展已经越来越接近技术所能容许的极限, 首先是电子通道的布线因越来越密而变得越来越难, 因为晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.18 μm, 电路线宽在0.1 μm以下将不可避免地达到仅有单个分子大小的物理学极限; 其次, 在更小的硅芯片上布设更密的电路将导致过热的高温而使芯片难以承受. 多数观点认为, 传统电子计算机在信息存储和处理方面取得更大的发展难度很大. 由于新兴的高新技术研究对计算机的性能不断提出更高要求, 例如人工智能的实现取决于计算机电路的密度和复杂性, 因此目前以半导体技术为基础的电子电路难以产生真正的认知能力.基于这样的认识, 人们意识到研制基于全新原 理的计算机势在必行. 如果回顾历史的话, 我们发现电子计算机的发展经历了这样一个历程. 1936年英国数学家图灵提出了一种通用编程计算机器的概念, 即著名的图灵机. 之后在20世纪40年代基于真空电子管的计算机才问世, 最终发展为今天基于硅的电子计算机. 然而, 很多自然界中的物理化学过程都蕴涵着类似的信息处理机制, 如果能抽象出对应的计算模型就有可能利用这些过程进行计算. 事实上, 细胞内的DNA, RNA等生物分子进行生化反应的过程和图灵机极其相似, 它们都是从一个字母表中抽出一串字符串, 并对这一特定信息进行处理, 同时根据给定的规则对字符进行修改或增减, 从而一步步地沿着字符串运行. 基于这一认识, 人们已经开发了诸如生物计算、量子计算等新一代计算方法. 生物分子的大小在纳米尺度, 同时生物分子具有良好的可操作性与强大的识别和信号转导能力, 这就为研制分子层次的利用生物分子元件组装成的生物计算机提供了可能(图1). 这一领域目前正吸引着越来越多的研究者投身其中, 其中DNA计算机的诞生和发展尤其引起了广泛的关注[1~6].497dna计算机阅读答案 DNA分子计算与DNA计算机的研究进展2008年3月 第53卷 第5期利用DNA分子的特异性配对原理可以很方便地实现分子逻辑开关. 美国Scripps研究所Ghadiri 研究小组[7]在2003年提出了通过荧光标记的DNA分子构建分子逻辑门的方法. 利用DNA分子之间的配对作用和多种荧光分子之间的Foster共振能量转移效应, 他们构建了3种光学逻辑门: AND, NAND和INHIBIT. 我们此前则设计了一种完全由DNA碱基构成的逻辑门[8]. 在这个工作中选用了一种铜离子依赖的DNA核酶(一种具有酶活性的特殊DNA结构), 构建YES门, NOT门等基本的逻辑门. 基于这一方法也可以实现逻辑门之间的连接, 形成较为复杂的逻辑门, 如AND(A, NOT(B), NOT(C))等.DNA计算机的主要特征之一就是实施大规模的并行运算. DNA计算之父Adleman指出[1], DNA计算图1 传统的电子计算机与DNA计算机的示意图两者的基本单元都是由输入设备(input)、中央处理器(CPU)和输出设备(output)构成. 在电子计算机中, 操作人员将待处理数据按照一定规则输入到CPU, 经过CPU的运算再通过电信号将处理后的数据输出到输出设备上. 类似的, DNA计算机是将信息编码在DNA链的碱基序列(AGTC)中, 经过一系列的DNA杂交、酶切等 生化反应后, 以光学或电学信号的形式将最终计算结果输出机一步可完成1020次运算, 其运算速度大大超过电子计算机的运算速度; 同时, 生物计算机每消耗1 J 的能量, 可以完成1019次运算, 其能量损耗及能量效率远远优于电子计算机. 并行运算可以解决电子计算机难以解决的计算问题, 如非多项式问题(non- polynomial problem, NP问题). NP问题的计算时间, 随着变量数目的增加呈指数增加, 因此电子计算机在变量数目较大时就对NP问题无能为力了.哈密尔顿路径问题(Hamiltonian path problem, HPP问题)即是一类典型的NP问题. HPP问题是指推销员在一个具有n个城市和m条航线的地图(有向图)中, 寻找从某一城市出发到达目的城市的一条通路, 并且要求经过且仅经过其他所有城市一次. 1994年, Adleman[1]利用DNA计算机实现了具有7个城市和13条航线的哈密尔顿路径问题. 其解决方案分为3个部分: (1) 先用长度为20个核苷酸的不同DNA序列, 编码7个城市设为Oi (i＝0,1,2,…6), 然后将13条i→j边编码为Oi→j, Oi→j的前10个核苷酸是Oi 3′端的10个核苷酸, 而后10个核苷酸为Oj 5′端的10个核苷酸. 在分子生物学反应中, 将等摩尔量的Oi的互补链和Oi→j混合, 以Oi的互补链为模板, 使对应的边进行反应, 进而产生各种随机连接序列(路径). (2) 以O0序列和O6的互补序列为引物, 通过PCR扩增随机序列, 不满足条件的“路径”序列将不被扩增. (3) 应用电泳分离扩增产物, 获取目的双链DNA(dsDNA), 此DNA序列即代表通过7个城市的“路径”序列. (4) 上述双链DNA变性后与磁颗粒固定扩展：dna分子计算机 / dna分子量计算 / dna分子量计算器1 DNA计算的原理DNA(脱氧核糖核酸)是生物遗传的物质基础. 1953年, Watson和Crick通过X射线衍射方法得出DNA的双螺旋结构. DNA双螺旋结构的骨架由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成, 两条骨架绕一共同轴心以右手方向盘旋, 相互平行而走向相反形成双螺旋结构. DNA由4种碱基: 腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶(分别简称为A, G, C和T)组合而成, 碱基位于螺旋的内侧, 它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与骨架糖基相连. 碱基的排列组合存储着生物遗传信息. DNA的一个重要特性是DNA链可以通过碱基互补配对作用形成杂合的双链, 而且配对具有高度的特异性, 即A只能与T, G只能与C结合. 同一平面的碱基在两条骨架之间形成碱基对. G和C之间有3个氢键, 而A和T之间只有两个氢键. DNA计算机即是通过这些特异性的配对作用而构建的, 即将运算信息排列于DNA上, 并通过特定DNA片段之间的相互作用来得出运算结果(图1). 事实上, DNA分子即可以看作4种不同的符号A, G, C, T组成的串, 可以将字母集合Σ = {A, G, C, T}按照碱基互补配对原则进行编码.498dna计算机阅读答案 DNA分子计算与DNA计算机的研究进展的O1互补链结合, 选取通过城市1的通路. 然后依次用磁颗粒固定的O2, O3, O4, O5的互补链重复操作, 获取同时通过所有城市的路径. (5) 将最终获取的DNA序列通过聚合酶链式反应(PCR)扩增, 用电泳分离输出结果.通过这一模型实验, Adleman成功展示了利用DNA计算机解决HPP问题的可能性. 重要的是, 电子计算机进行HPP问题计算时其运算步骤与节点数目呈指数关系; 而DNA计算具有高度的并行性, 其运算步骤与城市节点的数目呈线性关系. 因此, DNA计算在解决大变量数目的NP问题时具有常规电子计算机所不可比拟的优势.由Adleman的例子也可看出, DNA计算可分为3个过程. 第一是编码合成过程, 即对数学问题所有可能的解答, 设计出用不同的DNA序列进行编码, 并合成大量的各种DNA编码序列. 第二是清除运算过程, 通过DNA链的互补结合以及核酸酶的作用, 大量清除那些代表不正确答案的DNA序列, 而保留代表正确答案的DNA序列. 第三是结果读出过程, 即通过PCR技术将正确答案阅读出来.了计算完备的粘贴模型[11,12]. 他们通过形式语言的方法将粘贴系统表示为一个四元组γ = (V, ρ, A, D), 其中V是字母表, ρ 是V上的互补关系, A和D都是有限子集. 通过粘贴运算, 最终可以得到完整的双链DNA分子而实现DNA计算. 到目前为止, 基于这一模式的粘贴系统产生的所有语言都是正则语言. 粘贴模型具有体系简单的优点, 在运算中不涉及到酶参与的DNA延伸等复杂操作, 因而很有希望成为一个通用的计算模型. 2.2 剪接模型剪接模型是另一类被证明具有计算完备性的系统. 该模型是将DNA重组行为抽象为数学上的剪接操作, 即把DNA链看作四字符集形成的串, 然后通过专门处理字符和字符串的形式语言理论来研究DNA分子的重组行为. 需要指出的是, DNA分子剪接是通过分子生物学操作的, 即利用限制性内切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和外切酶等实现DNA的切割、连接与扩增. 其中限制性内切酶相当于分离算子, DNA连接酶相当于连接算子, DNA聚合酶相当于复制算子, 外切酶可以作为删除算子. 剪接系统是一个四元组r = (Σ, T, A, R), 其中Σ 是一个字符集, T是终极字符集, A是Σ*上的多重集, R是剪接规则的集合. Freund等[13]认为基于剪接系统的DNA计算可以发展成为通用DNA计算机. 事实上, Benenson等[3]在2001年已经利用剪接系统模型成功构造了可编程的有穷自动机. 除此以外, Paun研究组[14]还提出了基于剪接操作的试管系统, 可以实现分布式可编程DNA计算机. 需要指出的是, 与粘贴模型相比, 剪接模型尽管理论发展比较完善, 但是由于DNA分子剪接需要酶的参与, 显著提高了成本, 同时由于酶反应本身的精确性限制也增加了计算出错的可能. 2.3 等价检查模型等价检查模型是将DNA双链序列形成的符号串看作两个记忆单元, 然后对这两个单元进行等价性检查. 这种模型的优点是模型简单, 适合分子计算. Yokomori等[15]基于这一模型提出了一种具有图灵机计算能力的DNA-EC计算机模型, 然而对于该模型的分子生物学实验验证尚待进行.2 DNA计算的模型DNA计算模型的提出和发展对于DNA计算机研究来说具有至关重要的作用. 经过十多年的发展, 研究者基于分子生物学操作的可能性已经提出了粘贴模型(sticker model)、剪接模型(splicing model)、等价检查模型(equality checking model)等具有计算完备性的模型, 这些模型都被证明可以和图灵机等价[9]. 然而在目前研究阶段, 已有的模型只能实现加法、乘法等运算, 而不能进行减法和除法运算. 然而可以预料通过计算机专家和生物学家的密切合作, 真正实用的能够实现电子计算机功能的计算机模型必将可以实现. 以下将对几种常见模型进行简述. 2.1 粘贴模型粘贴模型是按照DNA碱基互补的特性进行配对识别操作的DNA检索模型[10], 即在一条长的DNA单链上随机选取一些位点, 并设计相应的配对DNA片段, 这样就形成了单、双链间隔的DNA. 然后通过合并、分离、设置和清除等设定操作即可实现DNA计算. 这种方式的优势在于不需要酶的参与即可实现DNA计算[10]. 然而其计算完备性还没有得到进一步研究. 1998年, 研究者基于Adleman提出的概念建立3 DNA计算的应用DNA计算机领域取得了飞速的发展, 尽管如此, 研究者普遍认为DNA计算机并非作为电子计算机的499dna计算机阅读答案 DNA分子计算与DNA计算机的研究进展2008年3月 第53卷 第5期竞争者或者替代物出现, 它与电子计算机的功能可能是互补的. 由于DNA计算机本身的特点(包括优点和缺点), 其今后的发展可能是致力于解决一些电子计算机难以完成的任务. 事实上, 由于DNA计算机在可靠性、灵活性、可操作性等方面存在的一些问题, 我们很难预期其在不久的将来可以实现诸如文字处理、网络等常规功能, 然而DNA计算已经在特定的复杂问题领域显示出极大的潜力, 从而成为研究者关注的热点. 以下将对几个热点应用领域进行介绍. 3.1 NP问题DNA计算机针对NP问题已经有了很出色的表现[1~4]的DNA计算单元结合而成的杂合机. 尽管这并非是扩展：dna分子计算机 / dna分子量计算 / dna分子量计算器真正意义上的DNA计算机, 不过这可能是目前最具实用性的DNA计算机.应用DNA计算的原理还可以通过作为输入输出单元的DNA分子控制基因表达. Shapiro研究组[5]报道了一种可对mRNA(信使RNA)表达量进行逻辑分析然后据此产生相应分子控制基因表达的DNA分子自动机. 该计算机分为3个可编程单元, 即分析mRNA量的输入单元; 计算单元; 产生调控基因表达的DNA分子或治疗药物的输出单元. 由于DNA计算机是纳米尺度的计算机, 一微升体积中即可包含一万亿个这样的计算机, 因此其运算和控制能力是无与伦比的. 研究者以肺癌细胞为模型证明了该DNA计算机可以用于体内诊断和在体治疗.2007年, 哈佛大学FAS系统生物学中心的Benenson研究组[27]提出了一种体内DNA计算机的新思路. 他们利用了生物体普遍存在的RNA干扰(RNA interfering)机制, 根据不同的信号(DNA分子)输入, 该DNA计算机可以通过RNA干扰机制实现编码, 并据此进行逻辑判断, 最后通过一种可发出荧光的蛋白质产生光学信号输出. 他们在人肾细胞中初步实现了这一计算过程, 显示出DNA计算机具有探测和监控基因突变等细胞内活动的特征信息的能力, 因此有可能用于确定癌细胞等病变细胞, 成为一种真正的“分子医生”. 3.3 防伪和译码技术DNA分子是天然的海量数据储存载体. 由于 DNA序列中每个位点都是4种碱基之一, 一段20碱基的DNA序列其组合方式可高达一万亿(420)种. 也就是说, 当DNA序列达到一定数目之后, 其组合方式之多达到了几乎无法穷举的地步. 正因为这样, 基于DNA高度序列复杂性的DNA防伪认证技术被认为是无法用现有技术破译的终极的防伪技术. Ban-croft等[28,29]提出了基于“隐写术”的DNA防伪认证技术, 即将防伪密码以特定的方式转换成DNA密码分子并隐藏在其他DNA分子中, 然后通过PCR和测序技术可以把这段标记序列阅读出来. 他们成立的DNA Technologies公司将其DNA防伪产品成功地运用到2000年悉尼奥运会的特许商品标记上, 极大地降低了假冒特许商品造成的损失. Fan等[30,31]近期提出的利用电化学技术的E-DNA生物传感检测技术可以显著降低DNA防伪的成本, 可能成为实用化的, 前文所述的HPP问题即属于NP完全问题. NP完全问题还包括图论中的最大连接点问题(maximal clique problem)、布尔代数中SAT问题(satisfiability problem)等. 计算机科学已经证明, 对所有NP完全问题不存在通用的有效求解算法. Adleman率先通过DNA反应解决了HPP问题, 从而开辟了生物计算机的新纪元. 其后如SAT问题和最大连接点问题等都被研究者通过DNA计算实现了[2,16]. 例如, Liu等[17~22]应用表面化学方法在二维表面上实现了4变量的SAT问题. 他们通过限制性酶去除不符合布尔方程的DNA链, 然后通过荧光阅读器读出剩余的DNA链即可知道最终解. Landweber研究组[23]则运用一组DNA和RNA实现了9变量的SAT问题, 即所谓的象棋中的Knight’s问题. 最近, Braich等[4]更在试管中实现了20变量的SAT问题. 更为重要的是, 人们已经意识到生物体内可能就存在很多NP问题, 如在一定条件下的蛋白质折叠过程, 多重PCR扩增中的引物选择问题等[24], 这些可能是通过生物体内天然的DNA计算机来实现的. 3.2 遗传分析与临床诊治DNA计算是通过DNA分子间的特异性反应来实现的. 因此利用DNA计算可能反过来对生物学研究起到促进作用, 比如对于遗传学和临床检测中非常重要的单核苷酸多态性(single nucleotide polymor-phism, SNP)研究[25]. 在一定的算法下应用DNA计算过程可以进行高通量的基因分析. 2003年日本NovusGene宣称他们已经研制出世界上首台可用于基因分析的DNA计算机并且提供对外服务[26]. 尽管他们没有公布该DNA计算机的细节, 一般认为他们所报道的是将电子计算机与具有高度并行运算能力500dna计算机阅读答案 DNA分子计算与DNA计算机的研究进展DNA防伪技术.在密码破译方面, DNA计算也已经展示了巨大的应用潜力. DES (data encryption standard system)密码是一种采用256种密钥加密的方法[32], 以现有电子计算机的运算能力DES密码是几乎不可能被破译的. 然而利用DNA计算机强大的序列编码能力和并行运行能力, 研究者表明可以在几个月内获得密码对应的唯一DNA序列. 3.4 电脑游戏DNA计算机最初并没有被考虑应用到游戏领域, 然而随着分子自组装领域的飞速发展, 研究者开始着手研究可产生运动的分子机器. 2003年, Stojano-vic[33]首次研制出一台具有游戏功能的DNA分子自动机MAYA. 他们在研究中应用一类具有酶活性的DNA分子设计成分子逻辑门, 并通过23个DNA逻辑门形成布尔网络. 1949年在剑桥的EDSAC电子计算机上首次实现了Charles Babbage提出的tic-tac-toe游戏自动机. 而MAYA可以完全实现tic-tac-toe游戏的功能, 而且可以与人进行交互游戏. 有趣的是, 由于MAYA所采用的完美策略, 在游戏中人总是失败者. 尽管MAYA只是实现了最简单的游戏, 然而这一步的迈出意味着DNA计算机在游戏领域大有可 为, 其发展前景不可限量.DNA计算作为一个新兴的研究领域, 已经展现出非同寻常的发展潜力. 然而毋庸置疑, 它也面临着各种各样的技术挑战[6]. 首先是分子生物学实验技 术. DNA计算利用的是常规DNA重组技术, 然而对于某些环节的要求远较普通分子生物学操作为高. 例如, DNA计算所要求的分子连接效率远高于普通DNA重组技术, 否则就有可能出现错误答案. 另外, 目前的DNA计算实验都是采用PCR扩增反应中间物的方法, 尚没有很好的方法实现反应中间物的即时分离. 这些问题的解决都将依赖于分子生物学操作技术的进一步发展. 第二, DNA计算机的芯片化. 目前多数的DNA计算机是试管型的, 即在溶液中实现. 而芯片化的DNA计算机显然更有优势, 而且更有可能成为真正的计算机. Zhao等[34]最近通过引入磁珠体系, 在磁珠表面实现了DNA计算. 尽管磁珠体系尚非真正的芯片, 这一工作也为DNA计算机最终的芯片化提供了一种有益的思路. 第三, 数据存取速度问题. 尽管DNA计算具有超高的并行计算能力, 但是目前的分子生物学操作耗时较长, 因而只有在问题的复杂度达到一定程度时才能体现出DNA计算机并行计算的优越性. 因此发展DNA序列的快速读取技术是实现数据快速存取的保证. 第四, DNA计算机信号的输出. 目前的DNA计算机输出信号的检测主要是通过分子生物学操作(如电泳)或荧光阅读器来实现的. 而我们知道现在的电子计算机的信号通讯是通过电来实现的. 如果能够将计算输出以电信号形式表现, 那么DNA计算机与电子计算机之间就能有更好的接口. 近期DNA电化学检测技术的快速发展为这个方向提供了一定的可能性. 第五, DNA计算机的超级计算能力来源于可以在较小体积内拥有巨大的DNA分子数量. 因此, 我们预期发展DNA单分子操纵技术将可能最大限度地提升DNA计算机的并行计算能力. 然而目前的DNA单分子操作技术主要依赖于扫描探针显微镜(SPM)、单分子荧光光谱等非常昂贵而又难以自动化的技术, 这在近期仍将是一个难以解决的矛盾.扩展：dna分子计算机 / dna分子量计算 / dna分子量计算器4 总结与展望DNA计算机是真正意义上的分子计算机, 其诞生和发展具有划时代的意义. 与电子计算机中依据一定的法则对有关符号串进行变换的物理过程类似, DNA计算机是通过DNA生物化学性质的变换来实现的. 由于DNA计算机是纳米尺度的分子计算机, 在很小的体积内可以容纳极大数量的DNA分子, 因此拥有无与伦比的并行计算能力. 正因为这样, DNA计算机不仅可以解决数学上的难解问题, 而且将可应用于研究生命过程的本质问题, 即基因组是如何通过对DNA的编码(算法)来实现生物体的生命过程(发育、衰老、疾病、死亡等)的.参考文献1 2 3Adleman L M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science, 87):
Ouyang Q, Kaplan P D, Liu S, et al. DNA solution of the maximal clique problem. Science, 37): 446—449Benenson Y, Paz-Elizur T, Adar R, et al. Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules. Nature, 62): 430—434501dna计算机阅读答案 DNA分子计算与DNA计算机的研究进展2008年3月 第53卷 第5期45678910111213141516171819202122232425262728293031 323334 Braich R S, Chelyapov N, Johnson C, et al. Solution of a 20-variable 3-SAT problem on a DNA computer. Science, 67): 499—502 Benenson Y, Gil B, Ben-Dor U, et al. An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature, 90): 423—429 Zhang Z, Fan C, He L. Development of nano-scale DNA computing devices. Current Nanosci, —93 Saghatelian A, Volcker N H, Guckian K M, et al. DNA-based photonic logic gates: AND, NAND, and INHIBIT. J Am Chem Soc, : 346—347 Chen X, Wang Y, Liu Q, et al. Construction of molecular logic gates with a DNA-cleaving deoxyribozyme. Angew Chem Int Ed, 59—1762 Xiao X, Hu H. Development of formal models for DNA computing. Comput Appli, ): 123—126 Roweis S, Winfree E, Burgoyne R, et al. A sticker-based model for DNA computation. J Comput Biol, ): 615—629 Csuhaj-Varju E, Freund R, Kari L, et al. DNA computing based on splicing: Universality results. Pac Symp Biocomput, —190 Kari L, Paun G, Rozenberg G, et al. DNA computing, sticker systems, and universality. Acta Informatica, ): 401—420 Freund R, Kari L, Paun G. DNA computing based on splicing: The existence of universal computers. Theor Comput Sys, ): 69—112 Csuhaj Varju E, Kari L, Paun G. Test tube distributed systems based on splicing. Comput Artif Intell, -3): 211—232 Yokomori T, Kobayashi S. A model of DNA-computing based on equality checking. DNA Based Computers Ⅲ: DIMACS Series, 7—260 Lipton R J. DNA solution of hard computational problems. Science, 10): 542—545 Frutos A G, Liu Q, Thiel A J, et al. Demonstration of a word design strategy for DNA computing on surfaces. Nucleic Acids Res, ):
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左边为朝鲜号称自主研发的计算机_右边为西门子上网本（腾讯科技配图） 美国科技网站PCWorld近日援引朝鲜国家电视台报道称，朝鲜已自主研发了三款计算机，其中两款用于教育，另一款用于办公。办公用笔记本电脑拥有两个USB插口，电池续航时间达2.5个小时，且可以上网。 从电视画面上看，这些电脑使用的不是Windows系统，可能是朝鲜研发的基于Linux的&红星&系统。 但今天有国外媒体称，其中的办公用笔记本很像是西门子的Sylvania上网本，后者在美国连锁药房CVS的售价为99.99美元。 【相关报道】 朝鲜打造自主品牌笔记本曝光（组图）
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