随着电子计算机的研究与发展，特别是生物电子学的新进展，一个对人类社会具有深远的潜在影响的新的研究领域——生物电子计算机研究正在兴起。生物电子计算机的原料将采用一种崭新的材料——生物分子来代替硅片，从而使计算机科学发生一次重大的革命，使人工智能的研究取得重大突破，并将推动人类文明大踏步地向前发展。

一、生物电子计算机产生的必然性

生物电子计算机研究的兴起绝不是偶然的，它是电子计算机和人工智能等学科进一步发展的客观需要，也是生物电子学产生和发展的必然结果。

首先，电子计算机产业发展至今，已成为重要的工业部门。电子计算机的应用已广泛渗透到社会生活的各个领域，推动着社会的发展与进步。但是，它也面临着以下严重的问题：（1）体系结构问题。由于目前绝大多数计算机都采用冯 · 诺依曼式的顺序存储结构，使得计算机的效率没有充分发挥出来，受制于实际解题速度的提高；（2）软件正确性问题。由于集成电路集成度的迅速提高，加工线宽急剧减少，预计到本世纪末，平板刻蚀技术加工线宽将达到亚微米极限。即使克服重重困难，要到最大的集成度，加工非常困难。这将使VLSI电路的生产出现更多的次品，并使硬件价格大大上升。同时，由于集成度的提高，元件间距进一步缩小，使元件间的信号干扰更严重，散热问题也难以解决。而新一代的电子计算机——生物电子计算机正是为了解决上述问题而着手研究的。

其次，目前正在发展的人工智能研究，主要采用工程技术途径，其特点是撇开人脑的微观结构，单纯地进行脑的宏观功能的模拟。尽管这方面的研究也取得很多的成果（如专家系统的诞生，机器人的出现等等），甚至在某些功能上超过了人脑（如计算速度），但人脑的许多复杂功能是无法用目前的电子计算机来模拟的，因为人脑所表现出的一些复杂功能是与脑的微观结构分不开的。只有把脑功能和脑结构的研究密切结合起来，才有可能解决一些复杂的脑功能的模拟问题。这恰恰是目前人工智能研究所不能逾越的障碍。而生物电子学研究的兴起为计算机科学和人工雀能的研究带来了新的希望，它使人工智能的发展建筑在生物科学和生物技术的基础之上。

再次，生物电子学是电子学、生物学相互交叉渗透的产物 · 随着生物学研究的深入和电子技术的飞速发展，生物电子学也不断发展。由于半导体光刻技术已临近极限，人们迫切地寻找新的硬件材料代替硅片，终于在生物电子学中找到了根据。美国的科学家首先提出了“生物芯片”的概念，随后美、日、德等国科学家相继进行有关方面的研究，尤其是美、日科学家已找到了与计算机功能相对应的生物分子。这一切，都为未来的生物电子计算机的诞生准备了理论基础和物质基础。

二、生物电子计算机的理论构想

生物电子计算机虽然尚未诞生，但是对它的理论构想却不断涌现，主要有以下几个方面：

生物电子计算机的研究目标是通过仿生学与工程技术途径的综合来设计和构成实现脑功能的系统

由于在微观结构上，生命系统有许多特性适合用来制作计算机中的开关或存储器之类的器件，如生物分子有极小的尺寸、可以无损耗地传导、可让复杂的功能运转、能自我装配等；在宏观结构上，生命系统也有不少计算机所需要的功能，如平行处理、图像识别以及思维等。因此 · 生物电子计算机研究的目标，就是学习、模拟和利用生命系统的这些微观结构上的特点和宏观结构上的功能，来设计和构成具有现行计算机不可能实现的脑功能的系统。可见，生物电子计算机研究的真正价值就在于它能发挥目前计算机所不能实现的极限功能。

构成生物电子计算机的基础是“生物芯片”

1979年美国海军研究所的卡特博士就倡导了生物芯片的概念；麦卡利阿提出了用生物分子制造生物芯片的概念图，并发表了制作取代现行的微电子器件的计算机器件的构想。他认为，生物芯片的基本出发点是利用蛋白质分子识别功能和自组织功能，做成以蛋白质分子为骨架的分子导线和分子功能块，使得在分子水平上具有器件的功能。但是麦卡利阿的构想一直没有得到实际的进展。于是人们又重新研究了芯片概念，把生物芯片同生物化学器件或生物器件一样都看作是分子器件。分子器件大体有以下三类：（1）利用生物化学过程的分子构筑所制成的器件；（2）部分或全部利用生物物质而构成的分子器件；（3）基于脑-神经系统的结构或算法所构成的分子器件（即神经元件）。其中第（2）类的生物芯片其实就是生物传感器，已经达到商品化生产的规模。

关于生物电子计算机的设想很多，目前最突出的有两个

一个是从模拟脑的微观结构出发，用生物芯片构成电子计算机的设想。首先用生物芯片构成以蛋白质等生物高分子为骨架的分子电路，然后采用类计算机辅助设计方法制作立体化分子电路，再将具有开关作用的分子器件装配在立体电路上，从而可形成生物电子计算机。其中的蛋白质并不是自然界中的天然蛋白质，而是通过遗传工程诱导细菌的方法制成的蛋白质。另一个设想是，通过模拟生命起源来合成“智能”分子机器即生物电子计算机。这个设想的依据是：“智能”分子机器的形成需要一系列发生在一定的分子系统与环境之间的非常专门的反应；在模拟这个过程的方案中，所需的时间和空间结构由生物出现前的行星环境通过昼与夜以及结构上多样化的微环境的周期性变化赋予；在一个很特殊的区域，偶然存在一组适当的环境，适合于形成简单的自我复制和自我改善的机器，即一个能复制和通过繁殖、变异以及选择来适应环境的系统，通过将一个简单的自我复制和自我改善的机器移居于由于存在和繁殖的需要，能使机器变得越来越复杂的新环境中，该机器能够进化到更复杂的形式。

三、生物电子计算机的研究进展

生物电子计算机的早期研究，主要将开展生物机的设计、生物学信息处理、生命科学和未来电子器件的关系、多层视网神经网络的视觉信号的并行和串行处理，以及神经系统的自我组织功能等方面的研究。在分子和生物分子电子器件的研究领域，不断有新的概念提出，不断有人提出分子开关的雏形和专利，人们在研究制作生物芯片。总之，人们正在探索如何在分子水平上实现电子学信息的传输和储存，如何在分子水平上实现微电子工程的仿生。为了最终实现用生物芯片组装“活”的生物电子计算机，目前已开展了一系列研究工作：

功能材料的研制

通过研究，可以获得具有特定电子学功能的分子材料，研究工作大体有三条途径，一是利用分子生物学的理论和实验成果，获得可利用的分子材料。现在已知有些生物分子如细胞色素C、视色素、微管、蓝蛋白、铁蛋白、卟啉等可用作生物器件的功能材料；二是用计算机模拟，选择三维结构蛋白质分子，构造分子的逻辑、开关功能，扩大制作器件的材料范围；三是用重组DNA技术获得特殊要求的蛋白质功能分子。

分子导线研究

在分子尺度上，微小元器件之间的连接是关键课题之一。现在一些科学家提出通过特定的化学反应生成氮和硫的齐聚物分子链（SN）作为分子导线。这种反应是有序的，每完成一次反应，便生成二节SN，所以导线长度是精确可控的。另一种方法则采用超细胞化学沉积法，在有机分子之间沉积上金属银作为导线。此法已经实验成功。早在1983年已有人报道了4微米线宽银导线的实验。这种沉积法可广泛用于多种酶以及蛋白质上，用以实现宏观分子器件的组装。铺设分子导线还有其他方法，例如用控制生物膜技术，在多层膜之间沟通分子导线。

开关器件和传感器研究

这项工作包括研究分子器件传递的机制、设计器件模型。目前，人们已经提出了孤子开关、孤子多状态阀、隧道效应非与门电路等。生物传感器是最先实现的一大类分子器件，生物传感器在国防、医药卫生、环境保护等方面有许多应用，它可以作为置换元件，实现人工肢体的微处理控制和人工视觉、听觉等等；它可以埋入血管，检查糖尿病人的血糖、pH值等，而且可以控制体内生产胰岛素并调节释放量，构成一个闭环治疗系统。

新系统概念及其应用研究

将色素分子制成的薄膜分割成类似眼底视网膜神经元的分立单元，并将每个单元的端头接上计算单元，就可以制成仿视觉的高级并行处理系统。新系统概念还包括研究新的数制控制理论。分子电子器件的一个特点是多状态，对多状态单元组成的系统就必须研究新的数制处理过程。

新系统理论还必须解决输入、输出接口问题。无论它如何先进，最终还要与传统设备连接，这是一个棘手的问题。现在人们提出利用色素的素敏特性制造光通信无线输入、输出接口。为保证大型复杂系统的稳定性、可靠性，人们又提出了群控制等概念，使系统的仿生性能更加完善。

生物电子计算机的研究还刚刚起步，已受到许多发达国家政府和科学界的瞩目和重视。日本通产省已将此项研究列为未来工业基本技术研究与发展的项目，并制定了总投资为80~100亿日元的10年计划。在美国，正在掀起一场人工智能的第二次高潮，不少在传统电子计算机领域卓有建树的科学家，正颇有兴致地参与生物神经学家对小鼠脑切片的研究，以加深对生命奥妙的认识；加州理工学院的一位工程师正在模拟眼睛的视网膜和内耳设计芯片；美国另一位生物物理学家已建立一种神经网络，它能在一夜之间掌握语言技巧，其学习过程与人类的极为相似；美国科学家还计划把生物芯片植入人脑，以改变大脑功能，提供额外感觉系统。在西欧，许多国家正在加紧联合研制对制造生物芯片有重大影响并有可能最终发展成为生物芯片的生物传感器，如酶传感器、微生物传感器、细胞（器）传感器、受体传感器等等。

四、生物电子计算机的优点及其深远影响

生物电子计算机的研究，给人们展示了诱人的前景。一旦在研究生物芯片的结构方面和有机体的信息处理功能方面取得重大突破，那么就将产生十分优越的新一代电子计算机。生物电子计算机比它的前辈具有如下优点：

体积小，容量大，速度快。

当代计算机硅片上的一个比特信息包含了上万亿个分子，而在生物电子计算机中，一个分子就能储至少一个比特的信息，因此存储存容量和演算速度将分别达到硅片计算机的10⁹倍和10⁸倍。它不仅可以组成三维结构，而且可以使目前的大型计算机袖珍化，甚至装入人们的口袋。

可克服当代计算机的一系列缺点

由于生物分子具有低阻抗、低能耗，生物电子计算机能很好地克服当代计算机所存在的硬件加工困难、信号干扰严重和散热问题的难解决等缺点，从而保证计算机的高度可靠性。

具有自我复制和自我改善的功能

由于生物电子计算机具有生物体的一些特点，它可依靠大量生物分子单元之间十分协调的相互配合而工作，所以其自我组织、自我修复、自我改善的功能比当代的电子计算机显然要强得多。

具有可思维性和复杂的处理功能

生物电子计算机的最大魅力在于它的可思维性。由于生物有机分子中存在着各种能够输送信息的粒子，而且生物有机分子本身种类繁多，构造各异，这就使得它在设计更新颖的电路结构方面比常规半导体材料变得更为有利。因此，可以设想，生物电子计算机比脑系统和目前的数字计算机具有更复杂的处理功能和丰富的可思维性。

可直接接受人脑的指挥

由于生物分子与生物体同质，生物电子计算机可植入人体，成为人体的一个器官，并和大脑、神经系统有机地联结，使计算机直接接受人脑的指挥。这不仅延伸和扩充了人脑，大大提高其功能，还将改进人类的思维方式。

显而易见，生物电子计算机具有当代硅片计算机所无法比拟的优点。一旦生物电子计算机研究工作有了重大进展，人工智能也将取得重大突破，人类将会彻底改变自身和自然界，其意义是极为深远的。

可以预料，生物电子计算机所展示的前景向我们表明它很有可能成为21世纪的一门新兴的交叉学科，21世纪将成为“直接利用或模拟生物或生物机能，进行信息处理和控制”的新时代。因此，在当前生物电子计算机即将显露头角时，应该探讨它对哲学提出的问题，诸如关于人工思维主体的问题，人与机器的关系问题，生物电子计算机的界限问题，意识和物质的相互作用问题，生物电子计算机的语言问题等等，这无论对于生物电子计算机的研究，还是对哲学的发展都是很有意义的。

可以预料，在以信息和电子技术为基础的第三次浪潮持续到21世纪中叶以后将会出现第四次浪潮即控制论浪潮。第四次浪潮以人工智能为基础，并将把人的思想应用于电子技术，尤其是生物电子计算机技术。思维方式将能读取出来，而且能进入计算机网络，从而构成一个几乎无限的包罗万象的存储器。这种技术成功之后，将使直接创造产品成为可能，并将把人脑与计算机控制的自动化工厂联系起来，从而使生产和服务都变得无比精确和个别化。到那时，信息将成为交互型并能连续出现，创造将随时发生，革新随之形成，整个人类的文明将会更迅速地推向前进。