ทีมวิจัยพัฒนาคอมพิวเตอร์ชีวภาพที่ใช้แบคทีเรียเพื่อแก้ปัญหาที่ซับซ้อน

ทีมวิจัยนานาชาติที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จาก McGill University ได้สร้างคอมพิวเตอร์ชีวภาพที่ใช้แบคทีเรียในการคำนวณ ระบบนี้มีข้อได้เปรียบสำคัญคือแบคทีเรียสามารถสำรวจวิธีแก้ปัญหาหลายวิธีพร้อมกัน ดังนั้นเทคโนโลยีนี้อาจต้องการหน่วยความจำและทรัพยากรน้อยลงเมื่อจัดการกับปัญหาที่ซับซ้อนสูง เมื่อเปรียบเทียบกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป แทนที่เมื่อเรานึกถึงคอมพิวเตอร์ เรามักจะนึกถึงชิปอิเล็กทรอนิกส์ โปรเซสเซอร์ และวงจรไฟฟ้า แต่ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบการคำนวณประเภทใหม่ที่ใช้แบคทีเรียที่มีชีวิตแทนฮาร์ดแวร์ทั่วไป

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเทคโนโลยีนี้จะช่วยแก้ปัญหาบางอย่างที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปยากที่จะจัดการ

หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์ชีวภาพ

คอมพิวเตอร์ชีวภาพจะเปลี่ยนวิธีการแก้ปัญหาของคอมพิวเตอร์อย่างไร? คอมพิวเตอร์ทั่วไปมักจะแก้ปัญหาแบบทีละขั้นตอน โดยจะทดสอบวิธีแก้ปัญหาหนึ่งก่อนแล้วจึงไปยังวิธีถัดไปจนกว่าจะพบคำตอบที่ถูกต้อง เมื่อปัญหาซับซ้อนมากขึ้น เวลาที่ต้องใช้และความสามารถในการคำนวณก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย ในขณะที่คอมพิวเตอร์ชีวภาพที่ใช้แบคทีเรียทำงานในลักษณะที่แตกต่างออกไป มันไม่ต้องตรวจสอบวิธีแก้ปัญหาแบบทีละข้อ แต่สามารถตรวจสอบความเป็นไปได้หลายอย่างพร้อมกัน เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ นักวิทยาศาสตร์จะต้องแปลงปัญหาทางคณิตศาสตร์เป็นเครือข่ายเส้นทาง จากนั้นสร้างช่องทางขนาดเล็กที่เรียกว่าไมโครฟลูอิดิก

แต่ละเส้นทางแทนวิธีแก้ปัญหาหนึ่ง เมื่อแบคทีเรียเคลื่อนที่ในช่องทางเหล่านี้ มันจะทดสอบตัวเลือกหลายตัวพร้อมกันอย่างมีประสิทธิภาพ จุดตัดพิเศษทำหน้าที่เป็นจุดตัดสินใจ ช่วยชี้นำแบคทีเรียผ่านเครือข่าย

การเจริญเติบโตของแบคทีเรียและความสามารถในการคำนวณ

หนึ่งในลักษณะที่น่าสนใจที่สุดของเทคโนโลยีนี้คือการเจริญเติบโตของแบคทีเรียช่วยเพิ่มความสามารถในการคำนวณโดยธรรมชาติ แบคทีเรียเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว ซึ่งหมายความว่าจำนวนโปรเซสเซอร์ชีวภาพจะเพิ่มขึ้นตามเวลา เมื่อแบคทีเรียใหม่เกิดขึ้น หน่วยการคำนวณมากขึ้นจะมีส่วนร่วมในกระบวนการนี้ แตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่มักต้องการการอัปเกรดฮาร์ดแวร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ระบบนี้ได้รับประโยชน์จากความสามารถในการเจริญเติบโตตามธรรมชาติของแบคทีเรีย นักวิจัยยังต้องควบคุมการเจริญเติบโตของแบคทีเรียเพื่อป้องกันไม่ให้มันเติบโตมากเกินไป พวกเขาทำได้โดยการปรับอุณหภูมิของระบบ โดยการปรับสภาพแวดล้อม นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดการอัตราการเจริญเติบโตของแบคทีเรียได้

ต่อมา ใช้เครื่องมือวิเคราะห์ภาพอัตโนมัติเพื่อติดตามการเคลื่อนที่ของแบคทีเรียและระบุเส้นทางไปยังวิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้อง

ตามที่ทีมวิจัยกล่าว วิธีการนี้มีข้อได้เปรียบหลักคือโปรเซสเซอร์ชีวภาพจำนวนมากสามารถทำงานร่วมกันได้ แม้ว่าแบคทีเรียแต่ละตัวจะมีความเร็วไม่เท่ากับโปรเซสเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ แต่แบคทีเรียจำนวนมากสามารถสำรวจความเป็นไปได้ที่แตกต่างกันพร้อมกันได้ ซึ่งช่วยลดเวลาที่ต้องใช้ในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนบางอย่าง "คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่สามารถดำเนินการได้หลายล้านครั้งต่อวินาที โดยใช้ชิปหนึ่งตัว" ดร. แดน นิโคลอว์ ผู้เขียนหลักและศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพกล่าว "ผ่านการแบ่งตัวของแบคทีเรีย เรามีชิปหนึ่งล้านตัวทำงานพร้อมกัน จำนวนชิปที่มากขึ้นหมายถึงการแก้ปัญหาได้เร็วขึ้น แม้ว่าแต่ละ 'โปรเซสเซอร์' จะมีจำนวนการดำเนินการต่อวินาทีที่ช้ากว่า"

การแบ่งตัวแบบเลขชี้กำลังของแบคทีเรียสามารถขยายไปยังขนาดของปัญหา นี่คือวิธีการคำนวณแบบใหม่"

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าคอมพิวเตอร์ชีวภาพอาจมีการใช้งานในด้านปัญญาประดิษฐ์ การเข้ารหัสข้อมูล และชีววิทยาโมเลกุล มันยังอาจช่วยให้นักวิจัยศึกษาโครงสร้างโปรตีนและความท้าทายทางวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการรวมกันจำนวนมาก แม้แต่คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังยังอาจเผชิญกับความท้าทายในด้านเหล่านี้ "วิธีการของเราเป็นการแก้ปัญหาที่ไม่ได้ออกแบบมาสำหรับคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น การทำแผนที่โครงสร้างโปรตีน" นิโคลอว์กล่าว "มีรายงานว่าปัญญาประดิษฐ์ได้แก้ปัญหานี้ แต่ก็เพียงบางส่วนเท่านั้น เพราะมันสามารถสแกนข้อมูลที่มีอยู่ได้เท่านั้น เรานำเสนอเทคโนโลยีนี้เพื่อแก้ปัญหา ไม่ใช่เพื่อการคาดการณ์จากข้อมูลในอดีต"

นักวิจัยชี้แจงว่าคอมพิวเตอร์ชีวภาพไม่ได้มีเป้าหมายเพื่อแทนที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปหรือควอนตัม แต่มีเป้าหมายเพื่อเสริมเทคโนโลยีที่มีอยู่ โดยให้วิธีการใหม่ในการจัดการกับความท้าทายในการคำนวณที่ยากที่จะจัดการ การวิจัยนี้เกิดจากความร่วมมือระหว่างประเทศเกือบ 20 ปี ซึ่งเน้นศักยภาพของการคำนวณชีวภาพและบทบาทที่อาจเกิดขึ้นในเทคโนโลยีในอนาคต เอกสารนี้ได้เผยแพร่ในวารสาร Microsystems & Nanoengineering

การใช้งานและความท้าทายที่อาจเกิดขึ้นของคอมพิวเตอร์ชีวภาพ

การพัฒนาคอมพิวเตอร์ชีวภาพเป็นการนำเสนอวิธีการคำนวณแบบใหม่ โดยใช้ลักษณะของแบคทีเรียในการแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปยากที่จะจัดการ ศักยภาพของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่ความสามารถในการทำงานในหลายด้าน โดยเฉพาะในความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องจัดการกับการรวมกันจำนวนมาก เมื่อแบคทีเรียเจริญเติบโต ความสามารถในการคำนวณก็เพิ่มขึ้น ซึ่งนำเสนอแนวคิดใหม่ในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ไม่ได้มีเป้าหมายเพื่อแทนที่ระบบคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ แต่เป็นการเสริมสร้างความสำคัญของการคำนวณชีวภาพในอนาคตของเทคโนโลยี