下一个科技风口？生物学+信息工程正在重塑未来

以下为重点内容摘编：

当前，人类正处于多种变革性技术交汇的关键阶段。人工智能、量子计算、基因编辑等前沿技术正与宏观经济与地缘战略力量深度结合，带来重构未来的重大机遇，也推动科研界重新定义生物创新（BioInnovation）的研究重点。其中，“混合生物-半导体”系统融合了生物合成、生物信息工程与生物电子技术，已在新药开发、生物材料、传感器和生物计算等领域展现出广泛潜力。

▲关键技术的融合正推动信息与能源的流动。

未来，这类系统将拓展至机器人与生物诊断等方向，并通过集成感知与逻辑功能，实现对生命体的精准监测与智能操控。

在全球技术竞争加剧的背景下，各国正致力于通过改进现有材料和平台，提升芯片性能，以获取技术领先与国家战略优势。然而，传统路径的性能提升，往往伴随着成本与能耗的大幅度增长。为突破这一瓶颈，科研界正转向跨学科融合，探索包括光子学、量子技术和人工智能在内的多种技术工具，与传统半导体的协同发展。

生命科学作为一个关键领域，正被工程化思维深度重塑。合成生物学中的DNA写入技术已可实现染色体与基因组的构建与重编程，为生物体赋予自然界中未曾存在的性能。这一趋势推动了计算、通信、存储与感知等核心功能向生物系统迁移，催生出诸如生物传感器、脑-机接口、DNA纳米存储、脑-芯片系统以及类脑计算等新型融合路径。未来甚至可能实现将信息处理与存储功能直接嵌入生物体系之中。

尽管目前这些方向尚未形成统一体系，但它们共同指向一个目标——理解生命模型，并在任务导向、抽象层级与生物特异性之间，构建高吞吐、强鲁棒性（High Throughput Robust）的数字仿生系统。这一过程不仅需要真实生物数据的训练支持，也依赖新工具将生物底物中的信息导出至数字系统，是一个高度多元、融合且依赖大规模科研协作的前沿领域。

▲芯片与半导体类型的分类。

合成生物学正在模糊生物启发工程与工程反哺生物学之间的界限，它将工程理念与分子科学结合，广泛应用于能源、材料、环境、生物修复、农业等多个领域。通过基因线路设计，研究者已在大肠杆菌中构建出布尔逻辑门（Boolean Logic Gates），探索活细胞用于计算的可行性。

生物系统与电子系统的融合亦在推进。细胞能够感知化学、光、电等多种信号，并通过蛋白质开关将这些信号转换为电子信息，用于生物传感器或微生物代谢控制。数字系统和生命系统之间的另一个重要融合是器官芯片（Organ-on-Chip，简称 OoC）的发展，器官芯片技术将微型组织与微流控系统结合，模拟器官功能，为药物测试和生理研究提供新平台。

人工智能的引入加速了合成生物学的发展。机器学习在蛋白质结构预测和代谢途径设计中展现出巨大潜力，推动自动化构建合成微生物体系。合成基因组技术也取得突破，研究者已能在计算机上设计并合成完整基因组，甚至构建全新染色体，预示着“可编程生命体”正在成为现实。

▲ 生物合成、生物信息与生物工程技术的融合 。

当传统计算遭遇半导体微缩、能耗上限和带宽瓶颈三重物理极限时，生物智能为我们打开了另一扇门。生物系统天生擅长以化学、光学和电信号处理模拟信息，这些能力源自长达35亿年的自然演化优化。相比之下，传统人工智能在追求“真正的智能”过程中，不仅依赖高能耗计算，还受限于现有非生命技术的传感与处理手段。

“半合成生物学”（semisynbio）是连接生物系统与信息系统的关键路径。通过开发更先进的生物信息采集、转译、处理与存储技术，它为生物系统与数字计算之间搭建起接口。诸如细胞计算、液态计算和DNA存储等新型协同计算模式，正在显示出超越CMOS（互补金属氧化物半导体）架构的潜力。一个黏菌就能以极低能耗完成最短路径计算，而人类尚无法“种出”一枚具备同等能力的芯片。

在这样的背景下，我们应当从复制生命系统，转向与其协同工作。发展“生物物联网”（IoBT），不只是技术概念的更新，更是对信息处理范式的根本重构。我们要构想的不仅是更强大的人工智能系统，而是一个融合自然智能与人造系统的全新网络架构。

简而言之，未来计算的关键，不是继续追逐硅芯片的极限，而是让“万维网”（World Wide Web）连接“万物之网”（Wood Wide Web）。通过自然与工程的共同设计，我们有望重新定义“智能”的边界。这正是半合成生物学的承诺与召唤。

▲ 基于生物的混合半导体电子系统已进入可实现范围。

过去五年，芯片制造和半导体公司市值迅速攀升，英伟达一度跃居全球市值最高公司。类似的，1950年艾伦·图灵撰写《计算机器与智能》时，全球最有价值的企业是通用电气、标准石油等能源与信息基础设施公司。由此可见，不同时代的领军企业，都以提供通用基础能力为核心。展望未来五十年，这一趋势可能延伸至生物领域：最有价值的公司或将是那些设计并制造“半合成生物基础平台”的企业，它们将融合生物智能与人工智能，构建统一生命模型，支撑通用应用，推动从DNA写入到生态系统建模、再到生物安全模拟等多项变革性能力的实现。

科学的起点与终点都是“测量”，我们只能研究我们能够测量的事物。半合成生物学为跨时间与空间尺度测量此前不可达的生物机制打开了新可能。而这些测量工具，正是构建“数字生物学”的前提。本文希望重新定义信息—生物—纳米—工程（Info-Bio-Nano-Eng）融合交汇点上的可能性，以及生物启发工程与工程赋能生物之间的模糊边界。我们相信，有可能构建出支持统一生命模型的工具，其影响力将超越传统计算技术对生命科学的变革。

当物理世界与生物世界即将实现深度融合，几乎所有社会与经济领域都将因此受益，全球地缘政治也将受到深远影响。