化学计算机

模拟人类大脑功能和复杂性类似的计算机

化学计算机是模拟人类大脑功能和复杂性类似的计算机想象一下，未来的计算机会成为什么样子？假如有人说，让像果冻一样的物质去思考，去表达同情心，你觉得可能吗？对于早已习惯和熟悉了棱角分明的显示屏、主机和鼠标的现代一族而言，把计算机想象成为一团软软的、滑滑的、没有固定形状的果冻，确实有点异想天开。然而，英国布里斯多大学计算机专家安德鲁正在做着这样的梦，他的梦想是，用离子替代电子，用果冻一样的物质替代硅芯片和电路板。

设想

大多数人累了的时候，一般是喝杯咖啡，或者是到户外去散步，呼吸一下新鲜空气。安德鲁却与众不同，当他觉得脑子有些不大灵光，需要点额外刺激时，就让他的机器人用金属手指划拉一下一个盛满化学液体的盘子。这一盘子的化学液体，就是安德鲁所设计的液体计算机的”大脑”原型。离子波的形成和扩散，就是化学计算机的“思考”过程。当运行速度变慢时。“大脑”就会对机械手发出指令，将金属手指浸到盘子中去，摇晃一下那些神奇的化学液体。

安德鲁的设想

安德鲁现在所设计的化学计算机，还只是简单地模仿人类的手臂和大脑之间的反馈过程，他的志向是，要设计化学处理器，把计算机硬件装到瓶子里去。经过10多年的研究，安德鲁现在已开发出液体逻辑门，并认为他所设计的阵列具有无限的自我重组和修复能力。IBM也认为，利用这种阵列技术，有可能设计出功能强大的新型计算机芯片。此外，安德鲁还有另外一个雄心勃勃的目标，即进一步加强“鼓波”的能力，使之无愧于液体脑的称号。为了证明液体脑的概念潜力无限，前途光明。安德鲁特别设计了液体脑的载体———果冻机器人。它有人造的眼睛，合成的荷尔蒙。也许有一天，果冻机器人可以感受到周围的环境，甚至有可能感受到人类的情感。化学计算机有个十分复杂而又特别迷人之处，称之为贝洛索夫-恰鲍廷斯基反应(BZ反应)，它是由3个不同的反应组成的化学振荡反应。每个反应都有不同的分子和离子，当加入特定的化学成分后，首先触发第一个反应，所产生的生成物可以触发第二个反应，随后第二个反应的生成物又可以触发第三个反应，第三反应的生成物再触发第一个反应，由此循环往复。更为迷人的是，各个不同的反应会产生不同的颜色，因此可以形成红蓝交替的波。BZ反应之所以重要，在于利用它可以解决一些数学难题，尤其是一些现在的计算机难以解决的问题。比如，迷宫最短路径问题。用传统的计算机解这一问题必须要穷尽所有的路径，然后再进行比较，这需要耗费大量的时间。而利用BZ反应则不同。由于波在传播和扩散时，总是走最短的路径。只要利用照相机，记录下波的运动轨迹，就可以解决这一难题。

安德鲁的发现

上个世纪90年代中安德鲁意识到，BZ反应有更重要的应用，那就是可以用于化学处理器。为此，他组织起一个专门的班子，并开发了两个化学处理器的概念模型。一个模型可以模仿人类的手臂与大脑的反馈活动。另一个由两个BZ反应组成，可以在一个布满家具的房间内自动移动到目的地。虽然这两个概念模型表现还不错，安德鲁却意识到，如果要让化学处理器处理更为复杂的运算过程，必须要有逻辑门。美国波士顿大学的一项理论研究引起了安德鲁的注意。该研究认为，可以模仿斯诺克撞球，制造一种形式简单的处理器。也就是说，每个球可以代表1或0，球的碰撞过程就是计算过程，球如何相撞，相撞后弹出的方向，可以精确地表现为逻辑过程。换句话说，碰撞结果可以成为逻辑门的等价物。这样，安德鲁的任务就变成如何让BZ波进行碰撞。安德鲁的研究取得重大突破。他把BZ混合物放到卤化银薄胶层上，由于卤化物可以起到化学阻滞剂的作用，胶层可以延缓波的传播速度。这样，BZ反应就不会形成完整的圆形波，只是形成了小段的圆弧，并且沿直线进行传播，安德鲁将之称为BZ弹。BZ弹更多地表现出准粒子的特性，而不是波的特性，其表现与撞球相似。实验中，安德鲁发现，两个BZ弹在特定的角度相撞时，只在特定的方向产生输出。如果仅有一个输入，则在该方向没有输出。这样安德鲁就研究出了逻辑与。此后，他又相继研究出逻辑或、逻辑非以及逻辑互斥，这就为安德鲁的化学处理器奠定了坚实的基础。安德鲁的化学处理器虽然还处于初级阶段，但他已把目光转向了并行化学处理器。对于化学处理器能否成功，人们还处于未知阶段，但科学家相信，如果人类能够具备控制纳米级水平制造波的能力，化学处理器就很可能实现。正如一些专家所言，不管安德鲁的志向能否实现，他的研究工作无论对揭示人类大脑的奥秘，还是制造更好的处理器，均具有十分重要的意义。毕竟，化学处理器是生物组织器官和电子设备之间的一座桥梁。

研发

模拟神经元，研究小组采取的举措是模拟大脑中神经元的一些活动。这项耗资180万欧元(160万英镑)的项目将持续3年时间，欧洲一项正浮出水面的科技计划为其提供资金支持。这项计划将灵感来自于生物学的计算摆到尤为重要的位置，当前这一项目的特别之处在于，将利用稳定的自发形成覆盖层的“细胞”——与人类的细胞壁类似——采用化学手段完成信号处理，整个过程与人类自身的神经元活动类似。

研究小组的举措立基于两个至关重要的想法。首先，单个细胞被自发封装入细胞液体“内脏”的脂质形成的壁包裹。最近进行的研究显示，当细胞相遇接触导致这样的两个脂质层相遇时，一种蛋白质能够在二者之间形成一条通道，允许化学信号分子穿过。其次，细胞内部将发生B-Z(Belousov-Zhabotinsky)化学反应。简单地说，这种反应可以通过改变溴元素含量进行激活，溴元素含量的改变可通过设定确定的阈限量加以实现。出于大量原因，这种反应表现出与众不同的一面。

对于计算应用，重要的是化学信号抵达后启动计算过程。在进一步的化学信号无法影响反应时，细胞进入一个不起反应期，阻止信号未经检验便穿过任何相互连接的细胞。类似这样的独立系统在受到阈值以上水平的刺激时能够利用自身化学能量进行反应，表现出与神经元类似的特性。

应用领域

控制分子机器人、细粒度的化学组装过程控制以及能够处理人体化学信号并根据细胞生物化学状态发挥作用的智能药物。

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