Bio-computer op basis van moleculaire motoren

Fouten in software of computerchips verzoorzaken het crashen van computer of smartphone en ze maken het hackers mogelijk om wachtwoorden te stelen. Geautomatiseerde testmethodes zouden deze problemen kunnen vermijden, maar het hiervoor vereiste rekenvermogen neemt exponentieel toe met de omvang van het programma. Voor conventionele computers is het energieverbruik van de vereiste koeling en de vereiste rekencapaciteit te hoog om grote programma's te testen.

In Duitsland is onlangs een onderzoeksproject gestart om een bio-computer te ontwikkelen, die twee hoofdproblemen van de huidige supercomputer oplost. Enerzijds verbruiken supercomputers aanzienlijke hoeveelheden elektrische energie, zodat de ontwikkeling van krachtiger machines vooral vastloopt op de koeling van de processoren. Anderzijds zijn de huidige computers niet bijzonder goed in het gelijktijdig uitvoeren van meerdere taken tegelijkertijd.

Bio-computer

De bio-computer op basis van moleculaire motoren verbruikt per berekening maar een fractie van de energie van conventionele computers. Bovendien kan hij zeer veel operaties tegelijkertijd uitvoeren. Hij is daarmee bijzonder geschikt voor problemen zoals het testen van software, waarbij zeer veel oplossingen moeten worden getest.

De invloed van dit onderzoek beperkt zich niet tot het ontwerp van foutvrije software. Praktisch gezien kunnen alle interessante mathematische problemen van de huidige tijd niet efficiënt worden berekent met de huidige computertechnologie. Het Britse bedrijf Molecular Sens kwam op het idee om biomoleculaire motoren als computer te gebruiken.

Nanotechnologie

Door het gebruik van biomoleculaire motoren als rekentuig willen de onderzoekers de grens, vanaf waar een probleem te zwaar wordt voor een computer, verschuiven.

Het basisidee is, dat de slechts nanometer kleine biomoleculaire machine problemen oplost doordat ze door een netwerk van minuscule kanalen bewegen. Het via nanoproductie opgebouwde netwerk vertegenwoordigt daarbij een wiskundig algoritme. Deze benadering wordt door de onderzoekers een ‘netwerk gebaseerd bio-computer' genoemd.

Iedere keer als de biomoleculen een kruising in het netwerk bereiken, kunnen ze beslissen of ze een getal toevoegen of niet. Elk afzonderlijk biomolecuul fungeert zo als een minuscule computer, met processor en werkgeheugen. Hoewel elk biomolecuul op zich veel langzamer rekent dan een elektronische computer, kan het enorme aantal moleculen dankzij zelforganisatie een groot rekenvermogen ontwikkelen.

Deze benadering functioneert op kleine schaal al in de praktijk. De wetenschappers gebruiken de moleculaire motoren van cellen die in miljarden jaren werden geoptimaliseerd als zeer efficiënte nanomachines. De biologische rekenunits kunnen zichzelf vermeerderen om zich aan te passen aan de zwaarte van het mathematisch probleem.

Doelstelling

Het team van onderzoekers gaat zich nu werpen op de ontwikkeling van technologie die vereist is voor het opschalen van de netwerk gebaseerde bio-computer. Daarbij hebben ze zich tot doel gesteld andere alternatieve computers zoals de DNA-computer of kwantumcomputer te overtreffen.

Het eam hoopt hiermee een grote gemeenschap uit wetenschap en bedrijfsleven aan te spreken en aldus een nieuw onderzoeksterrein te vestigen. Het project is sterk interdisciplinair en beweegt zich in het spanningsveld tussen wiskunde, biologie, ingenieurswetenschappen en informatica.

Aan het project wordt deelgenomen door het Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) in Chemnitz en het Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg. Andere deelnemers zijn Lund University in Lund (S), de Technische Universität Dresden, Linnaeus University in Kalmar (S), Bar Ilan University in Ramat-Gat (IL) en Molecular Sense in Oxford (GB).

bron: Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC)