Инфоурок Другое Другие методич. материалыСтуденческий проект "Технология будущего. Биокомпьютер"

Студенческий проект "Технология будущего. Биокомпьютер"

Скачать материал
библиотека
материалов


Министерство образования Саратовской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение «Энгельсский политехникум»

ГАПОУ СО «Энгельсский политехникум»







Технология будущего.

Биокомпьютер











Автор: Дружинин Алексей

Руководитель: преподаватель

Бардонова Инна Юрьевна








2018 год


Оглавление

Введение……………………………………………………………………………3

Устройство биокомпьютера……………………………………………………….4

Область применения……………………………………………………………… 12

История биокомпьютера…………………………………………………………..

Список источников и используемой литературы………………………………14
























Введение

Тема моей работы — биокомпьютер. Биокомпьютер — вычислительное устройство нового поколения. Хотя человечество за последние десятилетия далеко продвинулось в области вычислительной техники, но останавливаться на достигнутом нельзя.

Каждая клетка - это достаточно сложная в физическом смысле структура, которая теоретически способна самостоятельно выполнять роль достаточно мощного вычислительного блока. В то же время клетки очень малы, в самые крошечные физические пространства их можно "упаковывать" миллионами. На практике программировать поведение клетки ничуть не сложнее, чем программировать поведение цифрового компьютера.

Целью моей работы является изучение устройства и перспектив применения биокомпьютера.

В самом начале я поставил перед собой следующие задачи:

1. Собрать информацию из различных источников об истории развития и устройстве биокомпьютера.

2. Представить в данной работе области применения данного устройства.

Актуальность выбранной темы заключается в понимании важности внедрения новых технологий в жизнь общества и производство.

Для решения всех задач я воспользовался ресурсами Internet.

Решение второй задачи осуществлялось методом анализа всей доступной информации.








История биокомпьютера.

Создавая технику, человек всегда сравнивал себя с ней, имел возможность посмотреть на себя как бы со стороны. При развитии кибернетики и создании ЭВМ ученые пришли к мысли о подобии человека и машины, способной выполнять информационные функции, математические выражения, логические операции, накопление числовых, текстовых, звуковых и художественно-графических данных. Искусственный компьютер становится человеку соперником и союзником по интеллекту.

В 1966 году выходит книга Дж. фон Неймана «Теория самовоспроизводящихся автоматов», в которой описывается теория клеточных автоматов, которые способны к самовоспроизведению, аналогично живой клетке.

В 1994 году Эдлман на опыте показал, что молекулы ДНК могут решать вычислительные задачи, причём такие, которые представляют наибольшие трудности для традиционных компьютеров. С этого момента развивается история ДНК-вычислений.

Ричард Липтон из Принстона первым показал, как, используя ДНК, кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения. Суть ее в том, что, имея некоторое логическое выражение, включающее n логических переменных, нужно найти все комбинации значений переменных, делающих выражение истинным. Задачу можно решить только перебором 2n комбинаций. Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действовать по методике Эдлмена. Липтон предложил также способ взлома шифра DES (американский криптографический), трактуемого как своеобразное логическое выражение. Первую модель биокомпьютера, правда, в виде механизма из пластмассы, в 1999 г. создал Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук. Она имитировала работу "молекулярной машины" в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации с ДНК, используя РНК в качестве посредника между ДНК и белком.

А в 2001 г. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК – программного обеспечения. При этом в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений могла достигать миллиарда операций в секунду, а точность – 99,8%. Пока биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: "истина" или "ложь". В проведенных экспериментах за один цикл все молекулы ДНК параллельно решали единственную задачу. Однако потенциально они могут трудиться одновременно над разными задачами, в то время как традиционные ПК являются, по сути, однозадачными. В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма. Компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая – обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты. Анализ генов обычно выполняется вручную и требует много времени: при этом формируются многочисленные фрагменты ДНК и контролируется ход химических реакций. "Когда ДНК-компьютинг будет использоваться для генетического анализа, задачи, которые ранее выполнялись в течение трех дней, можно будет решать за шесть часов", – сказал сотрудник Olympus Optical Сатоши Икута. В компании надеются поставить технологию генетического анализа на основе ДНК-компьютера на коммерческую основу. Она найдет применение в медицине и фармации. Ученые планируют внедрять молекулярные наноустройства в тело человека для мониторинга состояния его здоровья и синтеза необходимых лекарств. Возможностями биокомпьютеров заинтересовались и военные. Американское агентство по исследованиям в области обороны DARPA выполняет проект, получивший название Bio-Comp (Biological Computations, биологические вычисления). Его цель – создание мощных вычислительных систем на основе ДНК. Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор Bio-SPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы. Bio-SPICE планируется развивать на принципах открытых исходников (open source). Программа рассчитана на пять лет.

В 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т. е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции И и ИЛИ. Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putidaтаким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути – входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также подумывают о возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.


Устройство биокомпьютера.

Биокомпьютер, который также называют молекулярным компьютером, — компьютер, который функционирует, как живой организм или содержит биологические компоненты. Создание биокомпьютеров основывается на молекулярных вычислениях. В качестве вычислительных элементов используются белки и нуклеиновые кислоты, реагирующие друг с другом.

Можно сказать, что молекулярные компьютеры — молекулы, запрограммированные на нужные свойства и поведение.

В частности, молекулярный компьютер может представлять логические электрические цепи, составленные из отдельных молекул; транзисторы, управляемые одной молекулой, и т. п. В микросхеме памяти информация записывается с помощью положения молекул и атомов в пространстве.

Существует 2 вида биокомпьютеров — ДНК-компьютеры и клеточные биокомпьютеры. Оба находятся в стадии разработки.

ДНК-компьютеры — попытка учёных по примеру природы использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.

Одним из видов молекулярных компьютеров можно назвать ДНК-компьютер, вычисления в котором соответствуют различным реакциям между фрагментами ДНК. От классических компьютеров ДНК-компьютеры отличаются тем, что химические реакции происходят сразу между множеством молекул независимо друг от друга.

Клеточные компьютеры — другое интересное направление. Для этих целей идеально подошли бы бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества.













Применение биокомпьютеров.

Первое преимущество биокомпьютеров — их размер. Биокомпьютеры относятся к ряду нанотехнологий. Благодаря их чрезвычайно маленькому размеру их можно внедрить там, где не внедрить обычный компьютер.

Благодаря первому преимуществу, вытекает один из вариантов использования — внедрение в живой организм.

Также большим преимуществом является энергоэффективность, что достаточно важно в современное время.

Также биокомпьютеры применяются в искусственном интеллекте. Биологическое направление в искусственном интеллекте называется биокомпьютинг.

Преимущество клеточных биокомпьютеров заключается в дешевизне производства. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. И единожды запрограммировав клетку, можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

Преимуществом ДНК-компьютеров является достаточно высокая скорость и теоретически возможная многозадачность.

Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана со считыванием результата – современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Вторая проблема – ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т. п. И еще – ДНК с течением времени распадаются, и результаты вычислений исчезают на глазах! А клеточные компьютеры работают медленно, и их легко "сбить с толку". Со всеми этими проблемами ученые активно борются. Насколько успешно – покажет время. Биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей. Но ученые надеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. Глава израильской исследовательской группы профессор Эхуд Шапиро уверен, что в перспективе ДНК-наномашины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними. Наконец, с помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных и биотехнологий. Например, они смогут управлять химическим заводом, регулировать биологические процессы внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества и доставлять к определенному органу необходимую дозу лекарств.

Нужно учитывать, что биологические клетки отличаются от компьютеров. Пока в принципе не известно, что можно сделать на программном уровне с целой сетью миллионов или даже миллиардов простых биологических машин. Даже если каждый компьютер в этой сети будет относительно медленным или ограниченным, технология все равно может предложить эффективные способы их применения. Например, они могут использоваться для маршрутизации миллионов пакетов данных или для надежного шифрования этих данных, которое станет защитным барьером в информационной сети какой-либо державы.











ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы решить поставленные задачи, я изучил интересные и относительно полные источники по теме биокомпьютеров.

Я пришёл к выводу, что биокомпьютеры — энергоэкономная технология, дешёвая в производстве, которая позволяет параллельно выполнять большое количество процессов одновременно, но медленно и с невысокой точностью. Эту технологию можно применить для передачи информации государством по множеству каналов или для шифрования. Однако её нельзя применить для хранения информации, также для того, чтобы прочесть выходную информацию, понадобится большое количество времени и специальные технологии.

Когда каждый новый шаг в совершенствовании биокомпьютеров даётся с таким трудом, изучение биокомпьютеров может помочь людям сделать новый прорыв в науке и технике.



Список источников и используемой литературы

  1. В. И. Минкин. "Молекулярные компьютеры" // Химия и Жизнь. — 2004. — №2. — С. 13-17.

  2. https://intellect.ml/biokompyutery-2022

  3. http://mirznanii.com/a/113011/biokompyutery-ili-zhivye-kompyutery

  4. https://www.kv.by/archive/index2000483402.htm









  • Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
    Пожаловаться на материал
Скачать материал
Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Краткое описание документа:

Каждая клетка - это достаточно сложная в физическом смысле структура, которая теоретически способна самостоятельно выполнять роль достаточно мощного вычислительного блока. В то же время клетки очень малы, в самые крошечные физические пространства их можно "упаковывать" миллионами. На практике программировать поведение клетки ничуть не сложнее, чем программировать поведение цифрового компьютера.

Целью моей работы является изучение устройства и перспектив применения биокомпьютера.

В самом начале я поставил перед собой следующие задачи:

1. Собрать информацию из различных источников об истории развития и устройстве биокомпьютера.

2. Представить в данной работе области применения данного устройства.

Актуальность выбранной темы заключается в понимании важности внедрения новых технологий в жизнь общества и производство.

Для решения всех задач я воспользовался ресурсами Internet.

Решение второй задачи осуществлялось методом анализа всей доступной информации.

Проверен экспертом
Общая информация
Скачать материал

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Специфика преподавания конституционного права с учетом реализации ФГОС»
Курс повышения квалификации «Разработка бизнес-плана и анализ инвестиционных проектов»
Курс повышения квалификации «Страхование и актуарные расчеты»
Курс повышения квалификации «Источники финансов»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности помощника-референта руководителя со знанием иностранных языков»
Курс профессиональной переподготовки «Риск-менеджмент организации: организация эффективной работы системы управления рисками»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности специалиста оценщика-эксперта по оценке имущества»
Курс профессиональной переподготовки «Политология: взаимодействие с органами государственной власти и управления, негосударственными и международными организациями»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности по водоотведению и очистке сточных вод»
Курс повышения квалификации «Международные валютно-кредитные отношения»
Курс профессиональной переподготовки «Гражданско-правовые дисциплины: Теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Стандартизация и метрология»

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.