上海科学家首次用DNA构造卷积人工神经网络 可完成甲骨文在内32种手写文字分类
最后更新：2022-07-17 12:37
图说：华东师范大学化学与分子工程学院裴昊团队及朱通副教授 来源/采访对象供图（下同）
近日，中国东大学化学分子工程学院教授蔡博教授和副教授朱通教授的团队在生物感知和人工智能的交叉研究领域取得了新的进展。这是中国研究人员首次在测试管中使用DNA构建凸形人工神经网络。它是迄今为止最大的和最复杂的人工化学分子智能反应网络。
这种具有稀疏拓扑连接的大规模检测管DNA神经网络可以直接处理复杂的生物信息。它具有分类32种分子图的信息的能力。相关成果于近日在国际学术期刊《自然·机器智能》（Nature Machine Intelligence）上发表。
最强的大脑如何实现液态DNA计算机?
人类大脑作为生命中最聪明的器官,具有不可思议的信息处理能力,它源于大脑中数百万神经元之间的复杂联系,一个由精确和快速的联系组成的神经网络,它是世界上最强大的生物计算机。
从恢复理论的视角来看,所有生物现象(包括生物智力)都可以归纳为物理化学运动。 人们认为,在基于神经元的大脑进化之前,分子反应网络的相互作用为单细胞生命(如细菌)提供了“智能”的行为,以适应生存环境。
在现实世界中，在生物工程领域,有一个相关和值得注意的挑战:证明如何使用合成生物分子反应网络来支持有限形式的智能行为。类似于在神经元进化之前发生的事情。早在1994年，图灵奖获得者伦纳德·阿德曼利用DNA分子为计算载体用于计算哈密顿路径问题，是DNA计算领域的先驱,它类似于量子计算机和光子计算机。
DNA计算机是生物形式的计算机,由一系列生物分子结合成溶液形式,通过生物化学反应进行高平行计算,实现分子信息的快速处理,也被称为“液态计算机”。
与传统的硅基计算机相比,只能处理信号信息,DNA计算机可以将科学测量(敏感信息)与化学反应同步,直接检测和感知生命活动的分子特征信息.正常的医学检查只能检测到微量生物分子,如果你使用大规模的生物分子电路,可以同时诊断和测试数百个生物分子,分析和诊断是在化学和生物环境中进行的。
基于DNA分子链置换反应机制,研究人员实现了具有布尔逻辑、仿真和神经网络计算等多种操作功能的DNA计算机的构建。然而，如何扩大分子反应系统的规模和复杂性,建立具有较强的计算能力的人工分子反应网络,这是一个巨大的挑战。
试验管分子人工智能实现中国骨骼特征识别
电子计算机的主要部件的更新和更换(从电子管到超大型集成电路)在各个方面都大大提高了计算机的性能。
沿革如此，海奥教授的团队致力于设计和开发核酸分子装置,提出了一种基于变形调节的DNA链置换反应的新机制.实现了核酸分子电路的热力学动态微调和非线性功能设计。对人体内外各种疾病的重要靶向分子进行高灵敏、高选择性智能生物检测。
基于核酸化学领域的研究基础,重点研究分析化学、计算机科学和分子生物学的跨学科发展,工作组的重点是建立超大规模的DNA分子反应网络,与朱通的人工智能和分子科学长期研究小组合作,建立了DNA凸神经网络的系统实现策略.基于分子交换门结构的电路组件,基于重量调节区和识别区函数的调制,实现了信号传输函数和功率分配函数的独立控制,实现功率共享。
实验结果表明,该策略能够成功地实现许多数学操作。它包括分子量乘法、加法、减法、多输入乘法(MAC)和复杂体积计算。基于多个模块化分子操作单元的层次组合,该组构建了一个大规模的DNA神经网络。它包含512种分子物种,涉及数千种化学反应,它可以产生数百种不同的分子产品,可实现32类144位元分子图形图形的分类。
用DNA凸神经网络识别中国变形字符
为了验证DNA神经网络的能力,工作组选定了电子人工神经网络的经典挑战——特征识别作为任务.通过DNA分子构建了凸神经网络来进行化学反应,完成4种语言和32种手写字符的分类,包括中国花火文字(火、大地、木材、水、天空、空气、人、生命)的分类。
精确的识别“分子标志”充分表明,内置的DNA神经网络具有强大的分子光谱信息处理能力,预计将进一步应用于智能生物感知和药物载体领域。
新民晚报记者郜阳
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