Биокомпьютер — реальность и фантастика
«В настоящее время, когда каждый новый шаг в совершенствовании полупроводниковых технологий дается со все большим трудом, ученые ищут альтернативные возможности развития вычислительных систем. Естественный интерес ряда исследовательских групп вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах. Итогом их изысканий будет гибрид информационных и молекулярных технологий — биокомпьютер».
(По сообщениям журнала PCWeek)
Мини, микро… меньше никуда
Транзистор заменил радиолампу — и компьютер, прежде занимавший машинный зал, смог умещаться в тумбах письменного стала. На смену транзистору пришли интегральные схемы — и вот мы носим компьютер в кармане…
Интегральная схема — это десятки, а то и сотни тысяч активных элементов: триодов, диодов, конденсаторов, размещенных методами современной технологии в полупроводниковом кристалле размерам менее ногтя мизинца — так называемом чипе. Микропроцессор такой же величины может иметь десятки миллионов активных элементов Причем, размещение их в целях экономии места ведется в несколько «этажей». Однако ничего в нашем мире не дается даром. За запах цветов заплачено химической энергией растения, за шум прибоя — энергией ветра и волн, за красоту окружающего мира — энергией солнечного света. Платим мы и за миниатюрность компьютеров. Их компактность имеет пределы, полагаемые нынешними технологиями. И вот почему.
Компактность хороша не только само по себе, но еще и потому, что она повышает быстродействие электронных приборов. В большом устройстве нужно больше времени, чтобы электроны пробежали свой путь по проводникам и накопили заряд в конденсаторах. Но уменьшая размеры электронных устройств, мы должны сохранять на определенном уровне их мощность. Иначе выходные сигналы окажутся настолько слабы, что не будут восприняты вообще. А сохранение мощности, в свою очередь, приводит к повышению плотности энергии, выделяемой в единице объема.
Мы здесь сталкиваемся примерно вот с какой ситуацией. Вы вышли погулять в ветреную пагоду. Пока ветер не очень силен, вы легко преодолеваете его сопротивление. Но ветер все усиливается, превращается в ураган, и в конце концов прогулка становится невозможной — того и гляди вас унесет… Такая аналогия дает наглядное представление а процессах электромиграции. Суть этого процесса заключается в том, что при определенной плотности энергии, выделяемой в единице объема, сила тока в проводнике может достигать миллионов ампер в пересчете на квадратный сантиметр! Обладая такой силищей, электроны начинают «сдувать» атомы с их законных мест в кристаллической решетке. И дело кончается тем, что в каком-то месте проводник разрушается, перестает проводить электрический ток. Что делать?
Выход из положения нашел американский физик Джон Баркер [1]. Раз проводники становятся помехой на пути микроминиатюризации аппаратуры, то он предложил обойтись без них. Джон Баркер предложил использовать вместо проводимости ... туннельный эффект!
Суть дела тут вот в чем. Специалисты в области физики твердого тела обнаружили странное с нашей обыденной точки зрения явление: время от времени электроны появляются в тех местах полупроводникового кристалла, где их быть не должно. Их кинетическая энергия недостаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьер запрещенных уровней — и все-таки электроны там появляются. Каким образом?
Попробуем обратиться к помощи такой механической аналогии. Представьте себе шарик, который катится па ровному столу. На пути шарика — препятствие, барьер. Перескочить его шарик не может, для этого он должен обладать по крайней мере вдвое большим запасом энергии. Значит, шарик не может оказаться по другую сторону барьера? Может! Но только при одном условии: если на его пути мы проделаем в барьере отверстие, туннель.
В действительности, конечно, никто никаких туннелей не делает. Шарик- электрон оказывается по ту сторону препятствия — потенциального барьера — только потому, что он обладает двойственными свойствами: с одной стороны он — частица, с другой — волна. И то, что не под силу электрону-частице, вполне доступно электрону-волне.
Вот этот-то туннельный эффект и предложил использовать Джон Баркер. Поскольку, благодаря туннельному эффекту, электроны могут «просачиваться» сквозь полупроводниковое вещество, то зачем нужны проводники? Нужно вычислить вероятность перехода электронов из одного места в другое и допустить, что в данном месте — с такой-то вероятностью — у нас расположен проводник.
Революционность такого вывода трудно переоценить. Баркер, по существу, перевернул все традиционные представления классической электроники. В самом деле, представьте, каково было бы водителям, если бы перед мостам на обочине шоссе вдруг появился плакат: «Внимание! Мост функционирует с вероятностью 0.5». То есть, говоря иными словами, то ли он есть, то ли его нет в данный момент, никто не знает (есть в квантовой теории такой «принцип неопределенности»). Но вообще-то, если поток автомобилей будет непрерывным, есть шанс, что каждый второй доберется до другого берега.
Конечно, в обыденной жизни такая ситуация никого не устроит. Но физики довольна часто руководствуются странными законами необычного мира микрочастиц и, тем не менее, достигают хороших результатов. Ток получилось и в этот раз. Джону Баркеру удалось убедить скептиков. Причем сделал он это довольно простым способом: он построил модель электронного блока, руководствуясь своими принципами. И модель эта оказалась вполне работоспособной!
Живой компьютер
И на этом история новой технологии, по существу, только начинается. Дело в том, что к этой же проблеме предельной микроминиатюризации с другой стороны подошли биологи. Еще в 1974 году они установили, что многие органические материалы способны проводить электрический ток. Более того, когда проходит электрический сигнал определенной полярности, органическое вещество способно переходить в другое состояние. То есть, говоря проще, внутри каждого живого организма работают словно бы миллиарды триггеров — электронных приборов, каждому из которых свойственны два устойчивых состояния — 0 или 1.
Причем, электроника живой клетки имеет молекулярный уровень. То есть, своеобразным триггерам может быть всего лишь одна молекула… Но ведь и Джон Баркер предлагает создавать электронные приборы на атомно-молекулярном уровне! Нельзя ли объединить одно с другим? Ученые уже давно ведут работы на неисследованной территории.
Так, например, группа специалистов лаборатории физики твердого тела в Орсе (Франция), работающая под руководством Дениса Жерома [2], интересуется сразу двумя видами материалов — проводящими полимерами и мономолекулярными кристаллами. Почему именно ими?
Мы привыкли к четкому разделению органического и неорганического миров. Трудно пока представить себе, что органические молекулы можно использовать для создания транзисторов. Однако ныне дела обстоят именно так. Более того, некоторые из органических веществ могут обладать даже свойствами сверхпроводимости!
Идея о сверхпроводимости в органических молекулах была высказана более полувека назад американским ученым Вильямом Литтлом [3].
Сверхпроводимость — физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников) при охлаждении их ниже определенной критической температуры Тк и заключающееся в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току.
Позже в лабораториях был получен класс органических веществ, способных хорошо проводить электрический ток при комнатной температуре. Основу этих проводящих молекулярных кристаллов составляли колонки из плоских органических молекул. После еще нескольких лет напряженной работы в лабораториях были получены и соединения, которые оставались проводящими при самых низких температурах, вплоть до 0.1К (К — градус Кельвина, 0К = -273.15°С)
Таким образом была подготовлена почва для создания сверхпроводящих соединений, которые, как полагали в то время, могут существовать лишь при сверхнизких температурах.
Не меньшие достижения получены и в области органических проводящих полимеров. Тогда же американский физик Алан Хигер [4] продемонстрировал вентилятор, работавший от аккумулятора, пластины и рабочее вещество которого состояли только из органических веществ. За это открытие в 2000 году он вместе с Аланом Макдиармид и Хидэки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и исследование проводящих органических полимеров».
Какие же преимущества могут оказаться решающими при выборе между органикой и неорганикой? Их много. Органика, как вы уже поняли, открывает дальнейшие пути развития микроминиатюризации электронных устройств, вплоть до молекулярного уровня. Органика состоит из весьма распространенных в природе веществ. И наконец, органические молекулы обладают значительным разнообразием, способны к плавной перестройке, что может привести к созданию веществ с точным, заранее известным наборам необходимых свойств.
Эти преимущества уже были «взяты на вооружение» природой в процессе возникновения живых организмов, и нет причин сомневаться в том, что они могут быть использованы и при синтезе систем с нужными нам сверхпроводящими или полупроводниковыми свойствами.
Отсюда, кстати, вытекает и еще одна особенность органической электроники. В одном из опытов подложку из кремниевого кристалла попытались заменить на протеиновую. Этот белок хорош не только тем, что вырабатывает электрические сигналы. Он является также родственным материалом многих клеток человеческого тела. А это значит, что протеиновые микрочипы можно будет имплантировать в человеческий организм!
Правда, как говорят скептики, у органической микроэлектроники проявляется очевидный недостаток: сложные органические молекулы, как правило, нестабильны, быстро распадаются. А значит, и основанные на них биологические микрокомпьютеры вряд ли будут очень долговечными. Однако мы знаем, как природа обошла эту трудность — она создала самовоспроизводящиеся системы. Именно к этому и стремятся специалисты в настоящее время.
В основе технологии современных полупроводниковых элементов лежит сочетание двух видов обработки этих материалов: введение так называемой примеси n-типа, способной отдавать электрон, и примеси p-типа, способной электрон принимать. Обычно такие примеси вводят в германиевый или кремниевый кристалл. Однако последние исследования в области органической химии показывают, как мы только что убедились, что это не единственные кандидаты для создания полупроводниковых элементов или чипов.
В присутствии паров йода полиацетилен тоже может получать свойство проводимости p-типа. Йод, проникая в структуру полимера, внедряется в нее и «ждет» появления электрона.
Полимеры (от греч. poly — «много» и meros — «доля», «часть») — вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого число повторяющихся звеньев. По происхождению полимеры делят на природные, или биополимеры, и синтетические.
То есть ведет себя точно так же, как, например, бор или галлий в кристаллической решетке кремния. А для того чтобы ввести в полиацетилен примесь n-типа, можно использовать литий, натрий или калий.
Органический полупроводниковый материал уже изготавливается в массовых количествах и стоит не дороже обычной клеенки. А значит, вполне серьезно можно подумать и об использовании его в электронике.
Первое возможное применение — создание фотоэлементов; для этого достаточно совместить один слой n-типа и два слоя p-типа. Следующее, возможно, самое перспективное сейчас применение — OLED, технология органических эпектролюминесцентных дисплеев. К настоящему времени удалось найти такие примеси, которые могут как отдавать, так и принимать электроны, оставаясь при этом достаточно стабильными. На их основе уже созданы электробатареи, которые показали не только достаточную долговечность, но и оказались почти в 10 раз легче обычных.
Созданы также биочипы, в которых используется способность молекул ряда органических веществ выпрямлять электрический ток. В частности, установлено, что молекулы хинонов могут иметь два электрических состояния, отличающиеся распределением электрических зарядов и зависящих от них водородных связей. Путем воздействия на хиноны электрическим током можно записывать логические нули и единицы.
Таким образом, уже сегодня начинают прорисовываться принципиальные возможности новой отрасли науки — биоэлектроники, которая, возможно, скоро придет на смену всем нам хорошо известной «обычной» электронике. Ведь уже сейчас есть биологические микроустройства, способные выполнять функции датчиков, процессоров, исполнительных механизмов. Родились новые разделы биофизики, которые изучают самоорганизацию биопроцессов. И если раньше исследователи шли в основном по пути воспроизведения в технике принципов, используемых в живых системах, то в настоящее время уже созданы гибридные системы и предпринимаются попытки, скажем, создать компьютер с процессорами, использующими некие элементы нервной системы. Его предполагают снабдить датчиками и исполнительными устройствами, в основе которых лежат молекулярные механизмы мышечного сокращения.
Интерес к биологическим микроустройствам в мире не случаен — источники биологических материалов дешевы и практически неиссякаемы, благодаря непрерывным методам культивирования микроорганизмов и животных клеток. Биоустройствами обеспечивается широкий спектр преобразуемых видов энергии — химической, механической, световой, электрической, а в ряде случаев возможна обратимость процессов преобразования — это позволяет использовать датчики для решения широкого круга задач. Биопреобразователи имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия (иногда почти 100%), благодаря успехам молекулярной биологии их можно конструировать с заранее заданными свойствами, избирательной реакцией и высокой чувствительностью. Эти и многие другие преимущества позволяют биологическим системам конкурировать с электронными, а по некоторым параметрам и превосходить их…
Фантастика становится реальностью
Основатель космической биологии Александр Чижевский [5] еще в тридцатые годы прошлого века сконструировал аппарат, который предупреждал о всплесках солнечной активности за несколько дней до начала очередной вспышки. Главной «деталью» этого прибора были крошечные бактерии, которые в зависимости от режима солнечного освещения меняли свою окраску.
Живые существа во многих случаях оказываются намного чувствительнее сложнейших электронных приборов. Так почему же тогда мы чаще всего пользуемся именно показаниями аппаратуры? Одна из главных причин — трудность дешифровки показаний живых «предсказателей», невозможность идентичной замены одного на другой.
Вот пример: сотрудники биофака МГУ как-то записали на осциллограф сигналы вкусовых щетинок комара-пискуна. При этом однозначно выяснилось, что каждому химическому соединению, которое комар пробует на «вкус», соответствует определенная электрическая последовательность импульсов, а сами датчики-щетинки срабатывали, даже если концентрация примесей составляла всего сотые доли грамма на литр воды. Эврика?! Не тут-то было… Стоило поменять комара, и характер электрических импульсов на экране тотчас менялся.
Другое дело, если мы переходим к опытам с микроскопическими живыми существами, а то и просто клетками. В опытах Чижевского замена одной пробирки другой вполне возможна — бактерий так много, что характерные черты отдельных особей нивелируются, сглаживаются, давая обобщенные результаты. Вот, оказывается, почему биофизики стремятся вести исследования именно на микронном уровне. Именно здесь появляется принципиальная возможность создания на биохимической основе отдельных элементов, а затем и целых систем — скажем, «биологических компьютеров» или «чувствующих роботов».
Конечно, такая проблема требует объединения усилий не только биофизиков и биохимиков, но и микробиологов, специалистов по генной инженерии. Совместными усилиями ученым удалось приспособить молекулы родопсина для создания биокомпьютера.
Родопсин (зрительный пурпур) — сложный светочувствительный белок, основной зрительный пигмент палочковых клеток сетчатки глаза у позвоночных животных и человека. Поглощая квант света, родопсин распадается и вызывает возбуждение зрительного нерва; в темноте вновь синтезируется.
Каким образом? Чтобы понять это, давайте но минуту обратимся к классическому компьютеру.
Любой вычислительный процесс состоит из трех этапов. Вначале возникает задача: исходные данные и представление, что с ними надо сделать. Затем следует собственно решение: вычисления в определенном порядке по строго заданным алгоритмам. И наконец, но третьем этапе полученное решение каким-то образом используется.
Но ведь нечто подобное сплошь и рядом происходит и в живой природе! По существу, вся жизнь состоит в решении задач и использовании полученных результатов. Проблемы нахождения пищи, ее потребления, усвоения, развития и размножения организмов — все это задачи, решаемые по определенному набору алгоритмов. А раз так, то можно, наверное, и компьютер сделать по тому же образу и подобию.
Именно такую цель и поставили перед собой японские специалисты, начавшие работы по специальному проекту, главная цель которого — создание «компьютера на основе элементов нервной системы, снабженного биологическими датчиками, а также исполнительными устройствами, использующими молекулярные механизмы мышечного сокращения».
Работы по созданию биопреобразователей уже миновали этап поиска — благодаря успехам молекулярной биофизики можно конструировать датчики с нужными свойствами, избирательностью и высокой чувствительностью.
Что же собой представляют датчики и преобразователи, которые являются в биокомпьютере источником входной информации? Мы как-то привыкли считать, что белок — нечто чрезвычайно неустойчивое, быстроразлагающееся. Однако его уже давно научились получать в кристаллическом виде, и тогда молекулу белка можно рассматривать как твердое тело с механическими свойствами, подобными, скажем, органическому стеклу или эбониту. Можно также белки и ферменты присоединять к специальным подложкам из бумаги, полистирола, нейлона, стекла или металла, после чего они опять-таки приобретают необходимую механическую прочность, с ними легко и удобно работать.
Источник:
Ссылки:
- Jonh Barker, “The quantum mechanical tunnelling time problem-revisited”
- Denis Jérome, “Superconductivity in a synthetic organic conductor (TMTSF)2PF 6”
- William A. Little, “Possibility of Synthesizing an Organic Superconductor”
- Alan J. Heeger, “High electrical conductivity in doped polyacetylene”
- Александр Чижевский, “Земное эхо солнечных бурь”
