Ce poate face Biotronic - Descărcare gratuită PDF
Povestea numerelor
I Claudia Borchard-Tuch Michael Groß Tot ceea ce Biotronic poate vedea orb, auzi surd
III Claudia Borchard-Tuch Michael Groß Tot ce Biotronic poate vedea orbește, auzi surzi
V Cuprins Cuvânt înainte IX 1 Introducere 1 Revoluția computerului: de la început 2 Când sunt atinse limitele? 20 Mai mici, mai rapide, mai bune 23 Lumea cuantică 24 Calculatoare cuantice 26 Nanocomputatoare mecanice 36 Nanocomputatoare chimice 41 Dispare granițele dintre sistemele informatice naturale și artificiale? 43 Învățarea din natură 45 Computerele vor putea într-o zi să gândească? 53 Următoarele capitole 57 Literatură 57 2 Calculatoare umane: interfețe ale viitorului 59 Interfețe tradiționale 59 Interfețe ale viitorului 62 Calculatoare ca articole de îmbrăcăminte 62 Nano-roboți în corp 65 Microcomputere pe corp 68 Istoria articolelor purtabile 69 Articole portabile în medicină 73 Calculul afectiv 79 Augmentat Realitatea 80
VI Cuprins Îmbrăcăminte inteligentă 86 Devenim cyborgi? 91 Se creează creierul și computerul? 94 Lumea nervilor 95 Modele în cap 97 Perspective în memorie 103 Ce este conștiința? 112 De la rețele neuronale naturale la artificiale 115 Începutul rețelelor neuronale 116 Construirea rețelelor neuronale 118 Mașini spirituale 122 Viață neurobionică 126 Piese de schimb inteligente 128 Alarme false în creier 130 Speranță pentru paraplegici 132 Mers cu picioarele paralizate 133 Pacientul virtual 135 Apucarea cu mâinile paralizate 138 Microelectronică împotriva Incontinență 141 Noi căi prin măduva spinării 144 Auz surd 145 Vedere cu ochi orbi 148 Prima victorie asupra Parkinson 153 Împotriva fulgerului din creier 155 Eliberarea de lipsă de vorbire 157 Noi modalități de conectare a biologiei și tehnologiei 160 Va continua fuziunea dintre oameni și computere? 164 Literatura 167 3 Calculul molecular 169 Celula vie ca calculator 175 ARN Geniul universal 175 ADN 177 Proteine 178 Introducerea datelor optice (vulgo: procesul de a vedea) 182
Cuprins VII Celule sub curent pentru transportul semnalului în nervi 183 Utilizarea biomoleculelor în sisteme artificiale de calcul 185 Bacteriorodopsină 185 Primul computer ADN 190 Dezvoltarea ulterioară și viitorul computerului ADN 200 ADN ca stocare de date pentru eternitate 203 Sisteme supramoleculare 205 Firuri moleculare 209 Comutatoare supramoleculare 210 Carbon -Nanotuburile ca elemente de calcul 212 Un nanotub de grafit ca tranzistor 212 Ultimele evoluții și viitorul computerelor cu nanotuburi 218 Care computer molecular este cel mai bun? 220 4 Gândirea, calculatoarele și viitorul 223 Vor putea computerele să gândească vreodată? 225 Demonul Maxwell sau de ce este imposibil să păstrăm ordinea 226 Calculatoarele nu se vor gândi în viitorul apropiat! 228 Unul dintre noi este un computer, testul Turing 230 Dar ce se întâmplă dacă computerele învață să gândească: Este sfârșitul lumii în fața noastră? 234 Adversar: Dar nici un sfârșit de lume 239 Perspectivă 244 Literatură 245 Lecturi suplimentare 247 Glosar 253 Indice de subiecte 269
X Cuvânt înainte Această dezvoltare, rețeaua din ce în ce mai populară de biologie și electronică, este ceea ce numim biotronic. Bănuim că în cele din urmă va duce la o fuziune a acestor două domenii. Într-o zi, întrebarea dacă un anumit obiect este viu sau sintetic poate să nu fie atât de ușor de răspuns. Acest lucru face cu atât mai urgentă întrebarea: va reuși computerul să gândească vreodată ca oamenii? Alătură-te nouă pentru a găsi un răspuns. În primul rând, vă mulțumesc: Dr. Mulțumim lui Gräf și doamnei Petersen pentru că au citit cu amabilitate manuscrisul și informațiile lor valoroase. Domnișoară Dr. Mulțumim mult lui Walter și Wiley-VCH Verlag pentru abordarea deschisă a minții și pentru ajutorul acordat pentru ca cartea să devină realitate. Michael Groß pânză Claudia Borchard
Revoluția computerului: de la început 17 Chiar și astăzi, microprocesorul este realizat dintr-o placă de siliciu subțire, rotundă, napolitana, care este tratată și încălzită cu diverse substanțe chimice, cu tranzistoare, conductoare și izolatoare formate din materialul de bază. Procesul este copiat din tehnologia de imprimare din litografie. Sistemele automate produc sute până la mii de cipuri care conțin până la câteva milioane de tranzistoare. Aici, placheta este mai întâi acoperită cu fotorezistent și apoi expusă printr-o mască, imaginea negativă a viitoarelor tranzistoare și căi de conectare (Fig. 1.5). Produsele chimice sau grinzile de ioni îndepărtează secțiunile de vopsea modificate fotochimic. Zonele de siliciu care sunt acum expuse absorb aditivi cu atomi străini, dopaje din care se formează straturi de tranzistor și straturi de metal care formează căile de conectare dintre tranzistori. În funcție de complexitatea circuitului dorit, sunt necesare 25 de pași de expunere și, prin urmare, mai multe măști. Fig 1.5. Pentru a genera circuite, modelul structurilor circuitului este proiectat pe napolitură dintr-o mască de sticlă de cuarț.
24 1 Introducere Fig. 1.6. Inelele formate din atomi s-au unit pentru a forma un nanosistem de tip turbină. să fie criptat. Am văzut că lungimea de undă a razelor folosite pentru a le produce stabilește limite pentru reducerea lor în dimensiune. Să ne întoarcem la computerele cuantice. Lumea cuantică Alice stă plictisită în fața televizorului; apoi privirea ei cade asupra Alice în Țara Minunilor, pe care a citit-o recent. Tânjește să experimenteze aventuri, căderi și leșinuri similare. În visul ei cade prin ecran, unde întâlnește electronii, de dimensiuni reduse, care luminează ecranul ca un fascicul. Acesta este începutul unei povești în care Alice ajunge să cunoască treptat particularitățile lumii cuantice. În cele din urmă, Alice își dă seama că, chiar și după mulți ani de cercetări în acest domeniu, există încă întrebări nerezolvate cu privire la fundamentele teoriei cuantice care nu ar fi putut fi niciodată rezolvate.
Mai mic, mai rapid, mai bun 39 Fig. 1.9. Cel mai mic sistem stabil și extrem de simetric din lume este format dintr-un total de 60 de atomi de carbon. O moleculă fullerenă are un diametru în jurul unui nanometru. Pe abacul IBM, unitățile, zecile, sutele etc. sunt reprezentate de o serie de zece molecule. Perlele celui mai mic abac din lume sunt moleculele C 60 în formă de fotbal, a căror structură amintește de cupolele geodezice ale arhitectului american Buckminster Fuller, motiv pentru care moleculele C 60 sunt numite fullerene Buckminster sau fulerenele pe scurt (Fig. 1.9). Moleculele C 60 sunt poziționate pe o suprafață de cupru. Mobilitatea lor este limitată la liniile dintre treptele plate, de cupru, caracteristici naturale ale suprafeței de cristal alese, care acționează ca șine. Șanțurile permit acționarea abacului la temperatura camerei; H. Efectuați adăugiri. Moleculele individuale sunt împinse înainte și înapoi pe o cale controlată precis (Fig.1.10).
40 1 Introducere Fig. 1.10. Moleculele C 60 ale celui mai mic abac din lume. Rândul de sus al imaginii (cele) reprezintă zero, iar următoarele rânduri reprezintă cifrele de la 1 la 10, cu numărul corespunzător de molecule la sfârșitul fiecărui rând. Degetul care mișcă perlele acestui cel mai mic abac din lume este vârful fin al unui microscop de scanare cu tunel - un ac cu formă conică care se termină în mai mulți atomi la vârf (Fig. 1.11). Microscopul de tunelare de scanare face, de asemenea, vizibil rezultatul unui calcul. Am făcut progrese semnificative în manipularea lucrurilor de dimensiuni nano și le-am construit în ceva care funcționează chiar și la temperatura camerei, a anunțat James K. Gimzewski, profesor de chimie și biochimie la Universitatea din California din Los Angeles. Deși procesul de calcul este încă lent în acest moment (Gimzewski a menționat că mișcarea moleculelor C 60 cu un microscop de scanare prin tunel este la fel ca mutarea unui abac normal cu Turnul Eiffel
Mai mic, mai rapid, mai bun 41 Vârful sondei microscopului de scanare cu tunel C 60 suprafața de cupru Fig. 1.11. Vârful sondei unui microscop de scanare cu tunel mișcă un fulger Buckminster. pentru a funcționa), gradul de miniaturizare este inconfundabil: sute de rânduri fullerene ar putea încapea pe un singur cip Pentium. În teorie, abacul lui Gimzewski ar putea stoca de un miliard de ori mai multe informații decât memoria unui computer convențional. Nanocomputatoare chimice Nanocomputerele chimice întruchipează informații prin anumite structuri chimice, iar un nano-computer chimic prelucrează informații prin realizarea sau ruperea legăturilor chimice și stocarea informațiilor în structurile chimice rezultate. Scopul ramurii de cercetare asociate electronice moleculare este de a crea molecule individuale care se comportă ca tranzistoare convenționale, diode, fire de plumb și alte componente ale circuitelor integrate de astăzi. Un computer ale cărui componente elementare constau dintr-o singură moleculă fiecare ar putea fi de 100.000 de ori mai strâns ambalat și mai puternic decât cele mai moderne computere disponibile în prezent.
58 1 Introducere [10] Strube G. Inteligență artificială și calculatoare pentru oameni. Dosar: cap sau computer. Spectrum of Science, 1997, 10 13. [11] Searle JR. Este mintea umană un program de calculator? În: Creierul și conștiința, spectrul științei, 1994, 148 154. [12] Lem S. Die Technologiefalle. Insel Verlag, Frankfurt, Leipzig, 2000.
Se creează creierul și computerul? 99 Fig.2.7. O rețea de celule nervoase din creier care amintește de rădăcinile legate de copaci vechi de pădure. Rețeaua fibrelor nervoase creează nenumărate căi de conducere și contacte pentru excitații nervoase. Informațiile primite sunt colectate și evaluate aici și sunt trimise comenzi pe care mușchii le urmează, de exemplu. Aceste conexiuni sunt, de asemenea, baza memoriei. pe pamant. Se pot vedea secțiuni care erau deja deținute de reptile, secțiuni de mai sus care erau deținute de mamiferele antice, care au fost urmate în cele din urmă de mamiferele ulterioare (inclusiv de oameni). Zona creierului nostru reptilian controlează comportamentele înnăscute care sunt importante pentru supraviețuire, de ex. B. Stabilirea și apărarea teritoriului, construirea cuiburilor, creșterea tinerilor și comportamentul de împerechere. Aceste comportamente sunt înnăscute; H. determinate genetic. Etnologul îi numește instinctivi. Creierul mamiferelor nu poate forma amintiri de lungă durată-
100 2 Computer uman: interfețele viitorului Mamifere târzii Ursamifere Reptile Fig. 2.8. Organizarea celor trei zone ale creierului care au devenit parte a minții umane în cursul dezvoltării creierului mamiferelor. the; este legat de un mediu stabil (cum ar fi cel găsit la pești, de exemplu) și, prin urmare, este caracterizat de o lipsă de flexibilitate. Partea noastră ursală a creierului include structurile așa-numitului sistem limbic. Potrivit lui MacLean, aceasta reprezintă prima încercare a naturii de a genera încredere în sine. In absenta. primește informații din interiorul corpului, care sunt importante pentru formarea conținutului memoriei și pentru evaluarea emoțională a experiențelor. Creierul târziu de mamifer (și părțile corespunzătoare ale noastre) funcționează indiferent de semnale din interiorul corpului și este lipsit de ele. Analizează mediul într-un sistem de coordonate timp-spațiu. Spre deosebire de creierul mamiferelor, acesta creează strategii și concepte. Este un creier care planifică viitorul și modifică strategiile de acțiune conservatoare, încercate și testate care s-au dezvoltat în zona creierului uterin.
Se creează creierul și computerul? 109 Fig.2.9. Bicicleta lui Segner în minte. între ora de sosire a unui sunet în fiecare ureche: dacă difuzorul generează un sunet, unda sonoră se propagă într-o formă sferică și ajunge în mod natural la o ureche mai devreme decât la cealaltă. Cu toate acestea, pentru a putea evalua această ușoară diferență de timp, trebuie să existe un sistem care să stocheze sunetul care a sosit mai devreme până la cel mai târziu, adică H. o amintire. În cazul sistemelor de memorie menționate până acum, este important cât timp este stocat conținutul memoriei. De ceva timp însă, a devenit din ce în ce mai important pentru cercetători ceea ce este stocat. Nu mai diferențiază diferitele sisteme de memorie în funcție de durata lor, ci în funcție de conținutul lor. Când au examinat persoane care și-au pierdut parțial amintirile, oamenii de știință au descoperit că conținutul poate fi stocat în moduri diferite. Aceste așa-numite amnezii sunt cauzate de accidente sau stres psihologic. Amnisticii au eșecuri foarte speciale: majoritatea nu își mai pot aminti propriul trecut - au uitat cine sunt. Alții nu mai sunt capabili,
Viața neurobionică 129 Fig. 2.11. Mână artificială. Controlate de microprocesoare, motoarele electrice din titan și aluminiu mișcă degetele artificiale. Reynolds își controlează proteza prin mișcarea mușchilor brațului - este mioelectric. Dacă vrea să închidă mâna, încordează mușchii de pe butonul de braț. La fel ca în fiecare mișcare, un curent electric curge din creier în mușchi. O mică parte a acestuia ajunge la capătul butucului de braț și în proteză. Acolo, electrozii preiau semnalele și le trimit către procesoare. Mâna se mișcă, iar Reynolds este fericit că și-a mutat mâna veche din nou. Reynolds se poate simți chiar și cu mâna sa artificială cu ajutorul unui senzor care poate distinge între cald și rece