“事物的DNA”——在日常物品中储存大量数据

时间:2019-12-19 00:34 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

“事物的DNA”——在日常物品中储存大量数据3d打印的塑料兔子。塑料中含有DNA分子,其中的打印指令已被编码。资料来源:苏黎世联邦理工学院/朱利安·科赫

生物以DNA的形式包含自己的装配和操作指令。但无生命的物体却不是这样:任何想要3D打印物体的人都需要一套指令。如果他们选择几年后再次打印相同的物体,他们需要访问原始的数字信息。对象本身不存储打印指令。

苏黎世联邦理工学院的研究人员现在与一位以色列科学家合作,开发了一种几乎可以在任何物体中储存大量信息的方法。有了这种方法,我们可以把3d打印指令整合到一个物体中,这样几十年甚至几个世纪后,就可以直接从物体本身获得这些指令。化学与应用生物科学系教授罗伯特·格拉斯解释道。储存这些信息的方式和生物是一样的:在DNA分子中。

苏黎世联邦理工学院的研究人员和一名以色列科学家发现了一种新方法,可以将几乎任何物体转换成数据存储单元。这使得人们可以将大量数据保存在衬衫纽扣、水瓶甚至眼镜镜片中,几年后再取回。该技术还允许用户隐藏信息并将其存储到以后的版本中。它使用DNA作为存储介质。

“没有,Things&rdquo DNA;

过去几年的若干事态发展使这一进展成为可能。其中之一是格拉斯公司用DNA条形码标记产品的方法。嵌在小玻璃珠里。这些纳米电极有多种用途;例如,作为地质测试的示踪剂,或作为高质量食品的标记,从而将它们与假冒产品区分开来。条形码相对较短:只有100位代码(100个填满“0”或“1”的位置)。这项技术现在已经由ETH的附属公司Haelixa进行了商业化。

与此同时,在DNA中储存大量数据也成为可能。格拉斯的同事、以色列计算机科学家亚尼夫·埃尔利希(Yaniv Erlich)开发了一种方法,理论上可以在一克DNA中存储21.5万兆兆字节的数据。而格拉斯自己就能在DNA中储存整个音乐专辑相当于15兆字节的数据。

两位科学家在《自然生物技术》杂志上发表的报告称,他们已经将这些发明融入了一种新的数据存储形式。他们称这种存储形式为“物的DNA”,是对物联网的一种模仿,在物联网中,物体通过互联网与信息相连。

“事物的DNA”——在日常物品中储存大量数据美国联邦理工学院博士生朱利安·科赫戴的眼镜里有一段短视频。资料来源:苏黎世ETH / Jonathan Venetz

与生物学

作为一个用例,研究人员3D打印了一只塑料兔子,其中包含了指令(约100千比特;值数据)用于打印对象。研究人员通过在塑料中添加含有DNA的微小玻璃珠实现了这一目标。“就像真的兔子一样,我们的兔子也有自己的蓝图,”草说。

就像在生物学中一样,这种新的技术方法在几代人的时间里保留了信息科学家们通过从兔子的一小部分中提取打印指令,然后用它们打印出一个全新的指令,从而证明了这一点。他们可以重复这个过程五次,基本上创造了“曾曾曾孙”原来的兔子。

所有其他已知的存储形式都有一个固定的几何图形:硬盘驱动器必须看起来像硬盘驱动器,CD必须像CD。你不可能在不丢失信息的情况下改变存储形式。Erlich设计说。DNA是目前唯一能以液体形式存在的数据存储介质,我们可以将它插入任何形状的物体中。

隐藏的信息

这项技术的进一步应用将是在日常物品中隐藏信息,专家们称之为隐写术。展示这个应用程序中,科学家们转向历史:在缺乏文档证明生活在华沙犹太人区第二次世界大战期间是一个机密档案,这是由当时的犹太历史学家和贫民窟居民和隐藏在Hitler’年代部队在牛奶罐。今天,这个档案被列入联合国教科文组织的世界记忆名录。

格拉斯、埃尔利希和他们的同事利用这项技术在玻璃微珠中储存了一段关于这个档案(1.4兆字节)的短片(见上图),然后将其倒入普通眼镜的镜片中。“带一副这样的眼镜通过机场安检,将信息从一个地方传送到另一个地方而不被发现是没有问题的。”Erlich设计说。从理论上讲,应该可以将玻璃珠藏在任何在制造过程中温度不太高的塑料制品中。这些塑料包括环氧化合物、聚酯、聚氨酯和硅树脂。

标记药品和建筑材料

此外,这项技术还可以用于标记药物或建筑材料,如粘合剂或油漆。格拉斯解释说,关于它们质量的信息可以直接储存在药物或材料本身中。这意味着医疗监督机构可以直接从产品的生产质量控制中读取检测结果。例如,在建筑物中,进行翻新的工人可以找出哪些产品是制造商在原来的结构中使用的。

目前,这种方法仍然相对昂贵。格拉斯说,翻译一个储存在塑料兔DNA中的3d打印文件大约需要2000瑞士法郎。其中很大一部分用于合成相应的DNA分子。然而,对象的批量越大,单位成本越低。

参考文献:“用嵌入式内存创建材料的dna存储体系结构”朱利安·科赫,西尔万·甘坦拜因,库纳尔·马萨尼亚,温德林·j·斯塔克,亚尼夫·埃利希和罗伯特·n·格拉斯,2019年12月9日,《自然生物技术》。DOI: 10.1038 / s41587 - 019 - 0356 - z

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