Čo dokáže Biotronic - PDF na stiahnutie zadarmo
Príbeh čísel
I Claudia Borchard-Tuch Michael Groß Všetko, čo Biotronic vidí, vidí slepé, hluché
III Claudia Borchard-Tuch Michael Groß Všetko, čo Biotronic vidí naslepo, počuje nepočujúcich
V Obsah Predhovor IX 1 Úvod 1 Počítačová revolúcia: od začiatku 2 Kedy sú limity dosiahnuté? 20 Menšie, rýchlejšie, lepšie 23 Svet kvantových 24 Kvantové počítače 26 Mechanické nanopočítače 36 Chemické nanopočítače 41 Miznú hranice medzi prírodnými a umelými počítačovými systémami? 43 Učenie sa z prírody 45 Dokážu počítače jedného dňa myslieť? 53 Nasledujúce kapitoly 57 Literatúra 57 2 Ľudské počítače: rozhrania budúcnosti 59 Tradičné rozhrania 59 Rozhrania budúcnosti 62 Počítače ako odevy 62 Nanoroboti v tele 65 Mikropočítače na tele 68 História nositeľných zariadení 69 Nositeľné doplnky v medicíne 73 Efektívne výpočtové systémy 79 Rozšírené Realita 80
VI Obsah Inteligentné oblečenie 86 Stávame sa Cyborgmi? 91 Zlučujú sa mozog a počítač? 94 Svet nervov 95 Vzory v hlave 97 Náhľady do pamäti 103 Čo je to vedomie? 112 Od prírodných po umelé neurónové siete 115 Začiatok neurónových sietí 116 Budovanie neurónových sietí 118 Duchovné stroje 122 Neurobionický život 126 Inteligentné náhradné diely 128 Falošné poplachy v mozgu 130 Nádej pre paraplegikov 132 Chôdza s ochrnutými nohami 133 Virtuálny pacient 135 Chytanie s ochrnutými rukami 138 Mikroelektronika proti Inkontinencia 141 Nové cesty cez miechu 144 Nepočujúci počujúci 145 Videnie so slepými očami 148 Prvé víťazstvo nad Parkinsonovou chorobou 153 Proti bleskom v mozgu 155 Oslobodenie od nemoty 157 Nové spôsoby prepojenia biológie a technológie 160 Bude spojenie ľudí a počítačov pokračovať? 164 Literatúra 167 3 Molekulárne výpočty 169 Živá bunka ako počítač 175 RNA Universal Genius 175 DNA 177 Proteíny 178 Optický vstup dát (všeobecne známy ako proces videnia) 182
Obsah VII Elektricky nabité bunky na prenos signálu v nervoch 183 Využitie biomolekúl v umelých počítačových systémoch 185 Bakteriorhodopsín 185 Prvý počítač DNA 190 Ďalší vývoj a budúcnosť počítača DNA 200 DNA ako úložisko dát na večnosť 203 Supramolekulárne systémy 205 Molekulárne drôty 209 Supramolekulárne spínače 210 Uhlík -Nanotrubice ako výpočtové prvky 212 Grafitová nanorúrka ako tranzistor 212 Najnovší vývoj a budúcnosť počítačov nanorúrok 218 Ktorý molekulárny počítač je najlepší? 220 4 Myslenie, počítače a budúcnosť 223 Budú niekedy počítače schopné myslieť? 225 Maxwellov démon alebo prečo je nemožné udržiavať poriadok 226 počítačov nebude myslieť v blízkej budúcnosti! 228 Jedným z nás je počítač podľa Turingovho testu 230 Ale čo keď sa počítače naučia myslieť: Je pred nami koniec sveta? 234 Oponent: Ale no end of the world 239 Výhľad 244 Literatúra 245 Ďalšie čítanie 247 Glosár 253 Register predmetov 269
X Predhovor Tento vývoj, čoraz populárnejšie sieťovanie biológie a elektroniky, je to, čo nazývame biotronické. Máme podozrenie, že to v konečnom dôsledku povedie k zlúčeniu týchto dvoch oblastí. Jedného dňa nemusí byť taká ľahká odpoveď na to, či je daný objekt živý alebo syntetický. To robí otázku o to naliehavejšou: bude niekedy počítač úspešný v myslení ako ľudia? Pridajte sa k nám pri hľadaní odpovede. Predtým ďakujem: Dr. Ďakujeme Gräfovej a pani Petersenovej za láskavé prečítanie rukopisu a ich cenných informácií. Slečna Dr. Veľmi ďakujeme Walterovi a Wiley-VCH Verlagovi za otvorený prístup a pomoc pri uskutočňovaní knihy. Tkanina Michaela Großa Claudia Borchard
Počítačová revolúcia: od samého začiatku 17 Aj dnes je mikroprocesor vyrobený z tenkej okrúhlej silikónovej platne, oblátky, ktorá je upravovaná a ohrievaná rôznymi chemikáliami, pričom zo základného materiálu sú vyrobené tranzistory, vodiče a izolátory. Proces je kopírovaný z techniky tlače litografie. Automatické systémy vyrábajú stovky až tisíce čipov, ktoré obsahujú až niekoľko miliónov tranzistorov. Tu je oblátka najskôr potiahnutá fotorezistom a potom exponovaná prostredníctvom masky negatívny obraz budúcich tranzistorov a spojovacie cesty (obr. 1.5). Chemikálie alebo iónové lúče odstraňujú fotochemicky zmenené časti laku. Silikónové oblasti, ktoré sú teraz vystavené, absorbujú prísady s cudzími atómami, dopingom, z ktorých sa vytvárajú vrstvy tranzistorov, a kovové vrstvy, ktoré tvoria spojovacie cesty medzi tranzistormi. V závislosti od zložitosti požadovaného obvodu je potrebných 25 expozičných krokov, a teda niekoľko masiek. Obr. 1.5. Za účelom generovania obvodov sa vzor obvodových štruktúr premieta na plát z masky z kremenného skla.
24 1 Úvod Obr. 1.6. Krúžky zložené z atómov sa spojili a vytvorili turbínovitý nanosystém. byť zašifrovaný. Videli sme, že vlnová dĺžka lúčov použitých na ich výrobu stanovuje limity na ich zmenšenie veľkosti. Poďme k kvantovým počítačom. Svet kvantovej Alice sedí znudený pred televíziou; potom jej pohľad padne na Alicu v krajine zázrakov, ktorú si nedávno prečítala. Túži zažiť podobné dobrodružstvá, pády a mdloby. Vo svojom sne padá cez obrazovku, kde dopadá na elektróny zmenšené, vďaka ktorým obrazovka žiari ako lúč. To je začiatok príbehu, v ktorom Alica postupne spoznáva zvláštnosti kvantového sveta. Nakoniec si Alice uvedomí, že aj po mnohých rokoch výskumu v tejto oblasti stále existujú nevyriešené otázky týkajúce sa základov kvantovej teórie, ktoré sa možno nikdy nepodarí vyriešiť.
Menšie, rýchlejšie, lepšie 39 Obr. 1.9. Najmenší stabilný a vysoko symetrický systém na svete pozostáva z celkom 60 atómov uhlíka. Molekula fullerénu má priemer okolo nanometra. Na počítadle IBM sú jednotky, desiatky, stovky atď. Predstavované sériou desiatich molekúl. Perlami najmenšieho počítadla na svete sú molekuly C 60 v tvare futbalu, ktorých štruktúra pripomína geodetické kupoly amerického architekta Buckminstera Fullera, a preto sa molekuly C 60 nazývajú Buckminster fullerény alebo skrátene fullerény (obr. 1.9). Molekuly C60 sú umiestnené na medenom povrchu. Ich pohyblivosť je obmedzená na čiary medzi plochými, medenými schodmi, prírodnými vlastnosťami zvoleného povrchu kryštálu, ktoré pôsobia ako koľajnice. Drážky umožňujú prevádzku počítadla pri izbovej teplote; H. Vykonajte doplnky. Jednotlivé molekuly sú tlačené tam a späť presne kontrolovanou dráhou (obr. 1.10).
40 1 Úvod Obr. 1.10. C60 molekuly najmenšieho počítadla na svete. Horný riadok obrázka (n) predstavuje nulu a nasledujúce riadky predstavujú číslice 1 až 10 so zodpovedajúcim počtom molekúl na konci každého riadku. Prstom, ktorý pohybuje perlami tohto najmenšieho počítadla na svete, je jemný hrot skenovacieho tunelového mikroskopu - ihla kužeľovitého tvaru, ktorá na konci končí niekoľkými atómami (obr. 1.11). Skenovací tunelový mikroskop tiež zviditeľňuje výsledok výpočtu. Urobili sme významné pokroky v zaobchádzaní s vecami veľkosti nano a zabudovali sme ich do niečoho, čo funguje aj pri izbovej teplote, oznámil James K. Gimzewski, profesor chémie a biochémie na Kalifornskej univerzite v Los Angeles. Aj keď proces výpočtu je v súčasnosti stále pomalý (Gimzewski poznamenal, že pohyb molekúl C 60 skenovacím tunelovým mikroskopom je rovnaký ako pohyb normálneho počítadla pomocou Eiffelovej veže
Menší, rýchlejší, lepší 41 Hrot sondy skenovacieho tunelového mikroskopu C 60 medený povrch Obr. 1.11. Hrot sondy skenovacieho tunelového mikroskopu posúva Buckminsterov fullerén. stupeň miniaturizácie je nepochybný: Na jeden čip Pentium sa zmestili stovky fullerénových radov. Teoreticky by Gimzewského počítadlo mohlo ukladať miliardkrát viac informácií ako pamäť bežného počítača. Chemické nanopočítače Chemické nanopočítače obsahujú informácie prostredníctvom špecifických chemických štruktúr a chemický nanopočítač spracováva informácie vytváraním alebo rozbíjaním chemických väzieb a ukladaním informácií do výsledných chemických štruktúr. Cieľom pridruženého výskumného odboru molekulárnej elektroniky je vytvoriť jednotlivé molekuly, ktoré sa správajú ako bežné tranzistory, diódy, prívodné vodiče a ďalšie súčasti dnešných integrovaných obvodov. Počítač, ktorého základné komponenty pozostávajú z jednej molekuly, by mohol byť 100 000-krát pevnejšie a výkonnejší ako najmodernejšie počítače, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii.
58 1 Úvod [10] Strube G. Umelá inteligencia a počítače pre ľudí. Dokumentácia: hlava alebo počítač. Spectrum of Science, 1997, 10. 13. [11] Searle JR. Je ľudská myseľ počítačovým programom? In: Mozog a vedomie, spektrum vedy, 1994, 148 154. [12] Lem S. Die Technologiefalle. Insel Verlag, Frankfurt, Lipsko, 2000.
Spájajú sa mozog a počítač? 99 Obr. 2.7. Sieť nervových buniek v mozgu, ktorá pripomína vzájomne prepojené korene starých lesných stromov. Sieť nervových vlákien vytvára nespočetné vodivé cesty a kontakty pre nervové vzruchy. Tu sa zhromažďujú a vyhodnocujú prichádzajúce informácie a rozosielajú sa príkazy, ktorými sa riadia napríklad svaly. Tieto spojenia sú tiež základom pamäte. na Zemi. Vidno sekcie, ktoré už boli vo vlastníctve plazov, sekcie nad nimi boli vo vlastníctve starodávnych cicavcov, ktoré nakoniec nasledovali neskoršie cicavce (vrátane ľudí). Naša oblasť plazov mozgu riadi vrodené správanie, ktoré je dôležité pre prežitie, napr. B. Vytyčovanie a obrana územia, budovanie hniezd, výchova mláďat a párenie. Tieto spôsoby správania sú vrodené; H. geneticky podmienené. Etnológ ich nazýva inštinktívne. Mozog cicavcov si nemôže vytvárať dlhotrvajúce spomienky-
100 2 Ľudský počítač: Rozhranie budúcnosti Neskoré cicavce Plazy ursammals Obr. 2.8. Organizácia troch mozgových oblastí, ktoré sa stali súčasťou ľudskej mysle v priebehu vývoja mozgu cicavcov. the; viaže sa na stabilné prostredie (napríklad v rybách), a preto sa vyznačuje nedostatkom flexibility. Naša ursálna časť mozgu zahŕňa štruktúry takzvaného limbického systému. Podľa MacLeana predstavuje prvý pokus prírody o vytvorenie sebavedomia. I.a. prijíma informácie z vnútra tela, ktoré sú dôležité pre formovanie pamäťových obsahov a pre emočné hodnotenie zážitkov. Mozog neskorého cicavca (a zodpovedajúce časti našej vlastnej) pracuje bez ohľadu na signály vo vnútri tela a je ich zbavený. Analyzuje prostredie v časopriestorovom súradnicovom systéme. Na rozdiel od mozgu cicavcov vytvára stratégie a koncepty. Je to mozog, ktorý plánuje budúcnosť a modifikuje konzervatívne, osvedčené a vyskúšané stratégie činnosti, ktoré sa vyvinuli v oblasti mozgu maternice.
Spájajú sa mozog a počítač? 109 Obr. 2.9. Na mysli Segnerov bicykel. medzi časom príchodu zvuku do každého ucha: ak reproduktor generuje zvuk, jeho zvuková vlna sa šíri do sférického tvaru a prirodzene prichádza k jednému uchu skôr ako k druhému. Aby sme však mohli vyhodnotiť tento mierny časový rozdiel, musí byť zavedený systém, ktorý ukladá zvuk, ktorý dorazil skôr, až kým nepríde ten neskorší. H. pamäť. V prípade doteraz spomenutých pamäťových systémov je dôležité, ako dlho sa obsah pamäte uloží. Už nejaký čas však pre výskumníkov stáva čoraz dôležitejšie, čo je uložené. Už nerozlišujú medzi rôznymi pamäťovými systémami podľa ich trvania, ale podľa ich obsahu. Pri skúmaní ľudí, ktorí čiastočne stratili spomienky, vedci zistili, že obsah sa môže ukladať rôznymi spôsobmi. Tieto takzvané amnézie sú spôsobené nehodami alebo psychickým stresom. Amnestici majú veľmi zvláštne zlyhania: väčšina z nich si už nevie spomenúť na svoju vlastnú minulosť, zabudla na to, kým sú. Ostatní už nie sú schopní,
Neurobionický život 129 Obr. 2.11. Umelá ruka. Elektromotory vyrobené z titánu a hliníka riadené mikroprocesormi pohybujú umelými prstami. Reynolds ovláda svoju protézu pohybom svojich paží - je to myoelektrický. Ak chce zavrieť ruku, napne svaly na pahýli ruky. Ako pri každom pohybe, aj z mozgu prúdi do svalov elektrický prúd. Jeho malá časť sa dostane na koniec pahýľa paže a do protézy. Tam elektródy zachytia signály a odovzdajú ich procesorom. Ruka sa pohne a Reynolds má šťastný pocit, že opäť pohnul starou rukou. Reynolds môže dokonca cítiť svoju umelú ruku pomocou senzora, ktorý dokáže rozlíšiť medzi horúcim a studeným