Molecule Minuscule Ar Putea Rezolva Problemele Supercomputerii Iau Viața La Crack

{h1}

Moleculele biologice care ajută mușchii să se contracte ar putea fi folosite într-o bună zi pentru a rezolva problemele nepracticabile pe care supercomputerii tradiționali le-ar duce vieții la crăpătură, descoperă o nouă cercetare.

Moleculele care ajută mușchii să se contracte ar putea ajuta într-o zi să conducă un nou tip de supercomputer molecular, au spus cercetătorii.

Aceste computere biologice ar putea rezolva rapid probleme complexe pe care supercomputerele convenționale le-ar putea lua vieți sau mai multe pentru a crapa, au adăugat oamenii de știință.

Supercomputerele moderne sunt uluitor de puternice. Cel mai rapid supercomputer din lume, Tianhe-2 din China, este capabil să efectueze până la aproximativ 55 de patruzeci de calcule pe secundă, ceea ce este de multe mii de ori mai mult decât un computer desktop sau o consolă de jocuri video.

Cu toate acestea, supercomputerele convenționale efectuează, în general, operații în succesiune, câte una. În schimb, creierele pot efectua multe operații simultan sau în paralel. Creierul uman alimentează, de asemenea, aceste procese celulare prin transformarea chimică a moleculei adenozin trifosfat, sau ATP, în alte forme moleculare, un proces eficient din punct de vedere energetic, care generează mult mai puțină căldură decât chipsurile de siliciu.

Acești factori pot explica parțial de ce creierele pot rezolva anumite probleme mult mai rapid decât supercomputerele convenționale, în timp ce consumă mai puțină energie. De exemplu, creierul uman consumă doar aproximativ 20 de wați de putere, ceea ce este suficient pentru a conduce un bec slab, în ​​timp ce Tianhe-2 consumă aproximativ 17,8 megavati de putere, ceea ce este suficient pentru a rula aproximativ 900.000 de astfel de becuri. [10 lucruri pe care nu le știai despre creier]

Calculator biologic

Acum, cercetătorii au sugerat că ATP ar putea ajuta alimentarea unui computer nou care efectuează calcule în paralel, oarecum ca ceea ce face creierul uman.

"Există probleme pe care calculatoarele electronice le pot rezolva foarte bine. Ne propunem doar să rezolvăm probleme pe care calculatoarele electronice nu sunt bune de rezolvat", a declarat pentru WordsSideKick.com autorul principal al studiului, Dan Nicolau Sr., inginer chimic la Universitatea McGill din Montreal.

Nicolau a început să lucreze la ideea acestui dispozitiv în urmă cu mai bine de un deceniu cu fiul său, autorul principal al studiului, Dan Nicolau Jr., la Universitatea din California, Berkeley. "Aceasta a început ca o idee din plic, după prea mult rom cred, cu desene despre ceea ce arătau viermi mici care explorau labirinturi", a spus edilul Nicolau într-o declarație.

Acele scriburi alimentate cu rom s-au transformat în cele din urmă într-un cip de siliciu pătrat, acoperit cu sticlă de aproximativ 0,6 inci (1,5 centimetri) lățime, pe care cei doi cercetători au gravat canale microscopice, fiecare cu mai puțin de 250 nanometri lățime. (Aceasta este mai subțire decât lungimea de undă a luminii vizibile.) Cipul, cu rețeaua sa de canale minuscule, arată cam ca o versiune în miniatură a unei rețele urbane.

Cercetătorii au trimis fibre de înot de proteine ​​în interiorul canalelor, mișcându-se la fel ca mașinile care conduc pe drumurile orașului. Acești „agenți”, așa cum le-au numit oamenii de știință, au constat din filamente de actină și microtubuli, proteine ​​care alcătuiesc structura internă a celulelor. Agenții au fost propulsați de motoare moleculare, cum ar fi miozina, care ajută mușchii să se contracte și kinesina, care ajută la transportul mărfii în jurul celulelor. Cercetătorii au folosit ATP pentru a alimenta aceste motoare moleculare și au adăugat etichete fluorescente pe agenți pentru a le urmări vizual.

Agenții intră într-un colț al dispozitivului și pot pleca de la multe ieșiri diferite. Acestea pot fi redirecționate aleatoriu pe o varietate de canale la mai multe joncțiuni din interiorul cipului. Dispunerea canalelor dispozitivului corespunde unei probleme pe care oamenii de știință doresc să o rezolve, iar ieșirea pe care agenții o aleg reprezintă un răspuns potențial.

Probleme intractabile

Oamenii de știință și-au testat noul dispozitiv pe o clasă de probleme cunoscute sub numele de NP-complete. În acest tip de conundru, se poate confirma rapid dacă orice soluție dată poate să funcționeze sau nu, dar nu se poate găsi rapid cea mai bună soluție a problemei.

Un exemplu clasic de puzzle complet NP este „problema vânzătorului în călătorie”, în care cineva primește o listă de orașe și trebuie să găsească cea mai scurtă rută posibilă dintr-un oraș care vizitează fiecare alt oraș exact o dată și se întoarce la locația de plecare. Deși s-ar putea să putem afla rapid dacă o rută ajunge în toate orașele și nu merge în niciun oraș de mai multe ori, confirmarea dacă această rută este cea mai scurtă implică încercarea fiecărei combinații. Această strategie de forță brută devine mult mai complexă pe măsură ce numărul orașelor crește.

Rezolvarea acestui tip de probleme ar putea îmbunătăți transportul de mărfuri și rutarea pachetelor de date, au spus cercetătorii. [Top 10 invenții care au schimbat lumea]

Dacă cercetătorii ar dori să-și folosească dispozitivele pentru a ataca problema vânzătorului în călătorie, ar trimite nenumărate molecule care rătăcesc în aceste rețele, „la fel ca să trimită milioane de vânzători care călătoresc care rulează amok din oraș în oraș și ar vedea care căi arată cele mai promițătoare” Spuse Nicolau.

În ultimele experimente ale cercetătorilor, ei și-au testat noul dispozitiv pe versiunea completă NP a problemei sumei subsetului. În această problemă, unuia i se oferă un număr de numere întregi - numere întregi, cum ar fi 1 și negativ 1, dar nu fracții, cum ar fi o jumătate - și trebuie să găsească dacă există un subset al celor întregi a căror sumă este zero.

În experimentele cu un set de trei întregi - 2, 5 și 9 - cercetătorii au arătat că dispozitivul lor a primit răspunsul corect aproape tot timpul. Dispozitivul ar consuma aproximativ 10.000 de ori mai puțină energie pe calcul decât calculatoarele electronice, au raportat cercetătorii într-un studiu publicat online pe 22 februarie în revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Găsirea unui răspuns la această simplă problemă poate părea banală, dar noul dispozitiv servește drept dovadă de concept pentru versiunile mai complexe ale cip-ului care pot rezolva probleme mai complicate, au spus cercetătorii. De exemplu, problema sumei subsetului devine mai dificilă exponențial, cu cât sunt mai multe numere întregi de analizat. "Cel mai bun laptop posibil acum nu va reuși să rezolve o sumă subset care implică primele 30 de numere prime", a spus Nicolau.

Cercetările anterioare au sugerat că „prin rezolvarea unei probleme complete NP, se pot rezolva toate”, a spus Nicolau. "Cu siguranță, dacă munca noastră poate aborda problema vânzătorului în călătorie, poate avea aplicații foarte practice."

În timp ce alte abordări, cum ar fi calculul cuantic, efectuează de asemenea multe calcule simultan, componentele utilizate în computerele cuantice sunt mai ușor perturbate decât mașinile moleculare utilizate în noul studiu, au spus cercetătorii.

O limitare potențială a acestei abordări este modul în care agenții sunt în prezent alimentați cu toate dispozitivele la un colț al fiecărui cip, au spus cercetătorii.

„Cu cât aveți mai mulți agenți, cu atât este nevoie de mai mult timp pentru a-i alimenta și a realiza un calcul”, a spus Nicolau. "Există o serie de modalități prin care putem rezolva această problemă, cum ar fi împărțirea fiecărui dispozitiv într-un număr de dispozitive care rezolvă fiecare parte a problemei."

Urmați Charles Q. Choi pe Twitter @cqchoi. Urmează-ne @wordssidekick, Facebook . Articolul original despre știința în direct.






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News


De Ce Toronto A Fost Plin De Ploaie Record
De Ce Toronto A Fost Plin De Ploaie Record

Telescopul Spațial De Vânătoare Al Găurilor Negre Al Nasa Pentru A Începe Misiunea Științifică
Telescopul Spațial De Vânătoare Al Găurilor Negre Al Nasa Pentru A Începe Misiunea Științifică

Florile De Soare Ale Lui Van Gogh Sunt Mutante
Florile De Soare Ale Lui Van Gogh Sunt Mutante

Fossile Vechi De Un Milion De Ani Arată Hipopotamii Care Merg Pentru O Înot
Fossile Vechi De Un Milion De Ani Arată Hipopotamii Care Merg Pentru O Înot

Carnivorul Nou Găsit Deja Amenințat Cu Dispariția
Carnivorul Nou Găsit Deja Amenințat Cu Dispariția


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RO.WordsSideKick.com