科学家将DNA转化为一种存储设备，其功耗降低了100倍
据美国宾夕法尼亚州立大学(Penn State)2026年8月17日提供的消息(Penn State. "Scientists turn DNA into a memory device that uses 100x less power." ScienceDaily, 17 August 2026. www.sciencedaily.com/releases/2026/08/260816044853.htm)，研究人员将合成DNA与半导体相结合，创造了一种超低功耗存储设备，能够在同一个地方存储和处理信息。生物混合技术最终可能有助于使人工智能系统和下一代计算机更加节能。这表明合成DNA被转化为一种低功耗存储设备的一部分，可以帮助重塑人工智能计算的未来。
科学家们已经找到了一种将DNA引入电子产品的方法，创造了一种可以在使用很少电力的情况下存储大量信息的存储设备。DNA是每个生物体的遗传蓝图，但它也是存储信息的一种非常密集的方式。一克可以容纳大约2.15亿GB的数据。将这种非凡的存储容量引入电子产品可以带来更高效的数据中心、更快的处理速度和能够处理日益复杂信息的系统。
挑战在于找到一种方法，使生物DNA与电子材料一起有效地发挥作用。宾夕法尼亚州立大学的研究人员现在开发了一种旨在克服这种不兼容性的方法。
该研究结果已经《先进功能材料》 (Advanced Functional Materials)杂志发表，并申请了专利，专利申请的主体依赖于两个关键组成部分。一种是合成DNA，由市售的化学工程分子制成，排列成短基因序列，以满足特定的电子需求。另一种是晶体钙钛矿(crystalline perovskite)，这是一种已经用于太阳能电池、激光器和数据存储设备等技术的半导体。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程的共同通讯作者兼博士后研究员Kavya S.Keremane说：“生物学和电子学是不同的领域。连接这两个领域需要开发一个全新的材料平台，使它们能够无缝地结合在一起。通过将DNA的信息存储能力与钙钛矿半导体的卓越电子性能相结合，我们创建了一个生物混合系统，从根本上改变了低功耗存储设备的设计方式。”
构建低功耗存储设备
利用这些材料，该团队创造了一种存储电阻器，称为“忆阻器”(memristor)，其工作能量非常小。与普通电阻器不同，忆阻器可以保留以前电活动的记录，而普通电阻器对从手机到航天飞机的设备中的电流保持一定的电阻，并在断电时丢失存储的信息。即使在电源被移除后，忆阻器它们也能记住之前电流流动的方向。
这种能力允许信息在同一个地方存储和处理，类似于大脑中神经元的运作方式。这种安排可以支持更同步和更复杂的数据处理形式。然而，根据研究人员的说法，如果没有DNA在消耗很少能量的情况下将大量信息打包到非常小的空间中的能力，实际的商业系统仍然需要足够的存储容量和电力来变得昂贵和低效。
“随着对人工智能（AI）需求的增长，我们需要一种针对低功耗、高存储设备的新策略，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程的合著者兼研究教授Bed Poudel说。
Poudel表示，人工智能和其他新兴技术预计将越来越依赖于神经形态计算，其设计更像人脑。这样的系统可以同时评估多个输入，同时根据以往的经验和未来的优先事项做出决策。
“通常，存储更多信息需要更多的电力。然而，我们的设备消耗的电力比传统存储设备（如闪存驱动器）的电力消耗低100倍，而且存储容量也更高。”
工程DNA导电
为了构建该装置，研究人员将银纳米粒子添加到一层定制的DNA序列中，这些序列是专门设计为具有特定成分和长度的，与钙钛矿薄膜集成在一起。
这种被称为“掺杂”的技术涉及引入少量的另一种材料来产生特定的性能。在这种情况下，添加银纳米粒子使DNA能够导电，同时也有助于其分子单元以更有序的排列。
合成DNA比天然DNA具有另一个重要优势。与天然DNA不同——长而纠缠的链在处理时表现得像湿意大利面条——短而坚硬的合成DNA片段可以在极小的尺度上以更高的精度排列。
根据合著者、宾夕法尼亚州立大学哈克生命科学研究所生物分子相互作用核心设施(Penn State Huck Institutes of the Life Sciences' Biomolecular Interactions Core Facility)的研究教授兼主任Neela H.Yennawar的说法，分子工程DNA可以提供结构组织、可调节的电导率和功能控制，这是天然DNA在掺入薄膜时无法实现的。
“我们可以通过计算确定我们需要哪些序列以及它们应该有多长，然后我们可以用合成DNA合理地设计它们，”Yennawar说。“这些结构可以系统地掺杂银和其他离子，并设计成与钙钛矿无缝对接——将DNA从生物大分子转化为可编程的多功能纳米材料平台。”
DNA和钙钛矿更好地结合在一起
当银掺杂的DNA和钙钛矿结合在一起时，形成了生物混合通路，引导电流流过该器件。
研究人员发现，当施加的电压低于0.1伏时，电子会可靠地移动——相比之下，标准的美国插座有120伏——当电流方向改变时，设备会做出可预测的反应。
精心设计的DNA结构与钙钛矿相结合，也有助于使该设备异常稳定。根据该团队的说法，它在接近250华氏度的温度下持续运行，并在室温下保持功能超过六周，大大超过了现有基于钙钛矿的存储设备的性能标准。
研究人员还报告说，新系统可以执行与同类技术相同的存储功能，同时只消耗十分之一的功率。这种效率水平可能会使这种方法对未来旨在以较低的能源需求处理大量信息的电子产品特别有吸引力。
Keremane说：“仅使用DNA或仅使用钙钛矿并不能产生与组合一样强大的结果。正是这种组合实现了非常高的内存存储密度，只需要很少的电力。”
仿生电子学的新方向
该团队现在计划进一步改进该技术，并探索仿生电子系统的其他用途。
Poudel说：“大自然有解决方案，我们只需要找到并应用它。这项将DNA整合到电子设备中以完成惊人任务的工作让我们得以一窥可能性。”
参与此项研究的除了来自宾夕法尼亚州立大学的研究人员之外，还有来自明尼苏达大学（University of Minnesota）化学工程与材料科学的合作者。此研究得到了美国国家科学基金会( U.S. National Science Foundation)、美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、宾夕法尼亚州立大学(Penn State)和明尼苏达大学(University of Minnesota)的支持。
上述介绍仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或相关报道(https://www.psu.edu/news/research/story/borrowing-biology-power-next-gen-data-storage)。
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