Що може зробити Biotronic - PDF скачати безкоштовно
Історія цифр
I Клаудія Боршард-Тух Майкл Гросс Все, що Biotronic може бачити сліпим, глухим
III Клаудія Боршард-Тух Майкл Гросс Все, що Biotronic може бачити сліпим, глухим
V Зміст Передмова IX 1 Вступ 1 Комп’ютерна революція: від початку 2 Коли досягнуто меж? 20 Менший, швидший, кращий 23 Світ квантових 24 Квантові комп’ютери 26 Механічні нанокомп’ютери 36 Хімічні нанокомп’ютери 41 Чи зникають межі між природними та штучними комп’ютерними системами? 43 Навчання у природи 45 Чи зможуть комп’ютери колись думати? 53 Наступні розділи 57 Література 57 2 Людські комп’ютери: інтерфейси майбутнього 59 Традиційні інтерфейси 59 Інтерфейси майбутнього 62 Комп’ютери як предмети одягу 62 Нанороботи в тілі 65 Мікрокомп’ютери на тілі 68 Історія носимих предметів 69 Носиться в медицині 73 Ефективні обчислення 79 Доповнене Реальність 80
VI Зміст Розумний одяг 86 Ми стаємо кіборгами? 91 Чи зливаються мозок і комп’ютер? 94 Світ нервів 95 Візерунки в голові 97 Проникнення в пам’ять 103 Що таке свідомість? 112 Від природних до штучних нейронних мереж 115 Початок нейронних мереж 116 Побудова нейронних мереж 118 Духовні машини 122 Нейробіонічне життя 126 Інтелектуальні запчастини 128 Помилкові тривоги в мозку 130 Надія на параплегіків 132 Ходьба з паралізованими ногами 133 Віртуальний пацієнт 135 Хапання паралізованими руками 138 Мікроелектроніка проти Нестриманість 141 Нові шляхи через спинний мозок 144 Глухий слух 145 Зір із сліпими очима 148 Перша перемога над хворобою Паркінсона 153 Проти блискавок у мозку 155 Звільнення від безмовлення 157 Нові способи зв’язку біології та технологій 160 Чи продовжуватиметься злиття між людьми та комп’ютерами? 164 Література 167 3 Молекулярні обчислення 169 Жива клітина як комп’ютер 175 РНК універсальний геній 175 ДНК 177 Білки 178 Введення оптичних даних (вульго: процес бачення) 182
Зміст VII Електрично заряджені клітини для транспортування сигналів у нервах 183 Використання біомолекул у штучних комп’ютерних системах 185 Бактеріородопсин 185 Перший ДНК-комп’ютер 190 Подальший розвиток та майбутнє ДНК-комп’ютера 200 ДНК як зберігання даних для вічності 203 Надмолекулярні системи 205 Молекулярні дроти 209 Надмолекулярні перемикачі 210 Вуглець - Нанотрубки як обчислювальні елементи 212 Графітова нанотрубка як транзистор 212 Останні розробки та майбутнє нанотрубкових комп’ютерів 218 Який молекулярний комп’ютер найкращий? 220 4 Мислення, комп’ютери та майбутнє 223 Чи зможуть комп’ютери коли-небудь думати? 225 Демон Максвелла, або чому неможливо забезпечити порядок 226 Комп’ютери найближчим часом не замислюються! 228 Один із нас - це комп’ютер, тест Тьюрінга 230 Але що, якщо комп’ютери все-таки навчаться думати: чи попереду кінець світу? 234 Противник: Але немає кінця світу 239 Outlook 244 Література 245 Подальше читання 247 Глосарій 253 Тематичний покажчик 269
X Передмова Цю розробку, що стає все більш популярною мережею біології та електроніки, ми називаємо біотронною. Ми підозрюємо, що це врешті-решт призведе до злиття цих двох областей. Одного разу на питання про те, чи є даний предмет живим чи синтетичним, може бути не так просто відповісти. Це робить запитання ще більш актуальним: чи вдасться комп’ютеру коли-небудь мислити як люди? Приєднуйтесь до нас у пошуку відповіді. Перш за все, подяка: Dr. Ми дякуємо Грефу та пані Петерсен за те, що вони люб'язно прочитали рукопис та їх цінну інформацію. Міс доктор Ми дуже дякуємо Уолтеру та Wiley-VCH Verlag за їх відкритий підхід та допомогу у втіленні книги в реальність. Тканина Майкла Гросса Клаудії Боршард
Комп’ютерна революція: з початку 17 Навіть сьогодні мікропроцесор виготовляється з тонкої круглої кремнієвої пластини, пластини, яка обробляється і нагрівається різними хімічними речовинами, з транзисторами, провідниками та ізоляторами, сформованими з основного матеріалу. Процес копіюється з друкарської техніки літографії. Автоматичні системи виробляють сотні-тисячі мікросхем, які містять до декількох мільйонів транзисторів. Тут пластину спочатку покривають фоторезистом, а потім піддають масці негативне зображення майбутніх транзисторів та шляхи з'єднання (рис. 1.5). Хімічні речовини або іонні пучки видаляють фотохімічно змінені ділянки фарби. В даний час опромінені ділянки кремнію поглинають добавки з чужорідними атомами, легування, з яких формуються шари транзисторів, і металеві шари, які утворюють сполучні шляхи між транзисторами. Залежно від складності бажаної схеми, необхідно 25 етапів експозиції і, отже, кілька масок. Рисунок 1.5. Для того, щоб створити схеми, схема конструкцій ланцюга проектується на пластину з кварцової скляної маски.
24 1 Вступ Рис. 1.6. Кільця, що складаються з атомів, об’єдналися, утворюючи турбоподібну наносистему. бути зашифрованим. Ми побачили, що довжина хвилі променів, використовуваних для їх створення, встановлює обмеження їх зменшення в розмірі. Звернемося до квантових комп’ютерів. Світ квантової Аліси сидить нудно перед телевізором; потім вона дивиться на Алісу в країні чудес, яку вона нещодавно читала. Вона прагне пережити подібні пригоди, падіння та непритомність. У її мрії вона потрапляє через екран, де потрапляє на електрони, зменшені в розмірах, що змушує екран світитися як промінь. Це початок історії, в якій Аліса поступово пізнає особливості квантового світу. Зрештою Аліса усвідомлює, що навіть після багатьох років досліджень у цій галузі залишаються невирішеними питання основ квантової теорії, які ніколи не можуть бути вирішені
Менше, швидше, краще 39 Рис. 1.9. Найменша стабільна і високосиметрична система у світі складається в цілому з 60 атомів вуглецю. Молекула фулерену має діаметр близько нанометра. На рахунку IBM одиниці, десятки, сотні тощо представлені серією з десяти молекул. Перлинами найменшого абакусу у світі є молекули С 60 у формі футболу, структура яких нагадує геодезичні куполи американського архітектора Бакмінстера Фуллера, через що молекули С 60 називаються фуллеренами Бакмінстера або коротше фулеренами (рис. 1.9). Молекули С 60 розташовані на поверхні міді. Їх рухливість обмежена лініями між плоскими мідними сходинками, природними особливостями обраної кристалічної поверхні, які виконують роль рейок. Канавки дозволяють експлуатувати абакус при кімнатній температурі; H. Виконайте доповнення. Окремі молекули штовхаються вперед-назад по точно контрольованому шляху (рис. 1.10).
40 1 Вступ Рис. 1.10. Молекули С 60 - найменший абак у світі. Верхній рядок зображення (одиниці) представляє нуль, а наступні рядки представляють цифри від 1 до 10, з відповідною кількістю молекул у кінці кожного рядка. Палець, який рухає перлинами цього найменшого абакуса у світі, - це тонкий кінчик скануючого тунельного мікроскопа - голка конічної форми, яка закінчується кількома атомами на кінчику (рис. 1.11). Скануючий тунельний мікроскоп також робить результат розрахунку видимим. Ми досягли значного прогресу в роботі з нанорозмірними речами і вбудували їх у щось, що працює навіть при кімнатній температурі, заявив Джеймс К. Гімжевський, професор хімії та біохімії з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Хоча обчислювальний процес на даний момент все ще повільний (Гімзевський зазначив, що переміщення молекул C 60 за допомогою скануючого тунельного мікроскопа - це те саме, що переміщення звичайного рахунку з Ейфелевою вежею
Менший, швидший, кращий 41 Кінець зонда скануючого тунельного мікроскопа C 60 мідна поверхня Рис. 1.11. Наконечник зонда скануючого тунельного мікроскопа рухає фуллерен Бакмінстера. для функціонування), ступінь мініатюризації є безпомилковим: сотні рядків фулеренів можуть поміститися на одному чіпі Pentium. Теоретично, рахівниця Гімжевського може зберігати у мільярд разів більше інформації, ніж пам’ять звичайного комп’ютера. Хімічні нанокомп’ютери Хімічні нанокомп’ютери втілюють інформацію через специфічні хімічні структури, а хімічний нанокомп’ютер обробляє інформацію, створюючи або розриваючи хімічні зв’язки та зберігаючи інформацію в отриманих хімічних структурах. Метою пов'язаної дослідницької галузі молекулярної електроніки є створення окремих молекул, які ведуть себе як звичайні транзистори, діоди, провідні дроти та інші компоненти сучасних інтегральних схем. Комп'ютер, елементарні компоненти якого складаються з однієї молекули, кожен може бути в 100000 разів щільніше упакованим і потужнішим, ніж найсучасніші комп'ютери, доступні в даний час.
58 1 Вступ [10] Струбе Г. Штучний інтелект та комп’ютери для людей. Досьє: голова або комп’ютер. Spectrum of Science, 1997, 10 13. [11] Сірл Дж. Людський розум - це комп’ютерна програма? В: Мозок і свідомість, спектр науки, 1994, 148 154. [12] Lem S. Die Technologiefalle. Insel Verlag, Франкфурт, Лейпциг, 2000 рік.
Чи зливаються мозок і комп’ютер? 99 Рис. 2.7. Мережа нервових клітин мозку, що нагадує зчеплені коріння старих лісових дерев. Мережа нервових волокон створює незліченні провідні шляхи та контакти для нервового збудження. Тут збирається та оцінюється вхідна інформація, і надсилаються команди, за якими, наприклад, слідують м’язи. Крім того, ці зв’язки також є основою пам’яті. на землі. Можна побачити ділянки, які вже належали рептиліям, розділи вгорі, якими володіли древні ссавці, за якими згодом слідували пізніші ссавці (включаючи людей). Наша область мозку рептилій контролює вроджену поведінку, важливу для виживання, напр. В. Влаштування та захист території, спорудження гнізд, виховання молодняку та шлюбна поведінка. Ця поведінка є вродженою; H. генетично детерміновані. Етнолог називає їх інстинктивними. Мозок ссавців не може формувати тривалі спогади-
100 2 Людський комп’ютер: Інтерфейси майбутніх пізніх ссавців Гадини-рептилії Рис. 2.8. Організація трьох областей мозку, які стали частиною людського розуму в процесі розвитку мозку ссавців. the; він пов'язаний зі стабільним середовищем (таким, як, наприклад, у рибі), і тому характеризується недостатньою гнучкістю. Наша урсальна частина мозку включає структури так званої лімбічної системи. За словами Маклін, це є першою спробою природи створити впевненість у собі. І.а. він отримує інформацію зсередини тіла, що важливо для формування вмісту пам'яті та емоційної оцінки переживань. Пізній мозок ссавців (і відповідні наші частини) працює незалежно від сигналів всередині тіла і позбавлений їх. Він аналізує довкілля в системі координат часу і простору. На відміну від мозку ссавців, він створює стратегії та концепції. Це мозок, який планує майбутнє та модифікує консервативні, випробувані і перевірені стратегії дій, що склалися в області матки.
Чи зливаються мозок і комп’ютер? 109 Рис.2.9. Майте на увазі велосипед Сегнера. між часом надходження звуку в кожне вухо: якщо динамік генерує звук, його звукова хвиля поширюється у сферичній формі і, природно, доходить до одного вуха раніше, ніж до іншого. Однак для того, щоб мати можливість оцінити цю незначну різницю в часі, повинна бути встановлена система, яка зберігає звук, що прибув раніше, до прибуття пізнішого, тобто H. пам'ять. У випадку згаданих систем пам'яті важливо, як довго зберігається вміст пам'яті. Однак деякий час для дослідників стає все більш важливим, що зберігається. Вони вже не розрізняють різні системи пам’яті за тривалістю, а за змістом. Досліджуючи людей, які частково втратили спогади, вчені виявили, що вміст може зберігатися по-різному. Ці так звані амнезії викликані нещасними випадками або психологічним стресом. У амнезиків бувають цілком особливі невдачі: більшість із них уже не можуть згадати власне минуле, вони забули, хто вони. Інші вже не в змозі,
Нейробне життя 129 Рис. 2.11. Штучна рука. Керовані мікропроцесорами, електродвигуни з титану та алюмінію рухають штучні пальці. Рейнольдс керує своїм протезом, рухаючи м’язами рук - він міоелектричний. Якщо він хоче закрити руку, він напружує м’язи на культі руки. Як і при кожному русі, електричний струм протікає з мозку в м’язи. Невелика його частина потрапляє до кінця кукси руки і до протеза. Там електроди вловлюють сигнали і передають їх процесорам. Рука рухається, і Рейнольдс відчуває щасливе відчуття, що він знову перемістив свою стару руку. Рейнольдс навіть може відчувати штучною рукою за допомогою датчика, який може розрізнити гаряче і холодне