Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Nanosystemy informatyki Nowak Sławomir Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Nanosystemy informatyki Nowak Sławomir Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej."— Zapis prezentacji:

1 Nanosystemy informatyki Nowak Sławomir Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej

2 NEMS

3 Wprowadzenie Przez systemy informatyki rozumiemy systemy realizujące odpowiednie procesy kodowania, przechowywania, przetwarzania i przekazywania danych. System – grupa interaktywnych komponentów stanowiących razem całość, rozróżnialnych od otoczenia. System rozpatrywany na wyższym poziomie opisu wykazuje się nowopowstałymi właściwościami (emergentnymi), które nie wynikają bezpośrednio z budowy i własności poszczególnych komponentów.

4 Możliwa jest, poza organizmami biologicznymi, techniczna realizacja systemów informatyki służących do bezpośredniej realizacji niektórych, potrzebnych nam materiałów i produktów

5 Wprowadzenie Techniczne systemy informatyki Techniczne systemy informatyki Główne zastosowanie wspomaganie człowieka w realizacji procesów obliczeniowych Główne zastosowanie wspomaganie człowieka w realizacji procesów obliczeniowych Obecnie także powszechne jest wykorzystywanie przy realizacji procesów technologicznych (sterowanie) Obecnie także powszechne jest wykorzystywanie przy realizacji procesów technologicznych (sterowanie) Cele realizacji systemów informatyki: Cele realizacji systemów informatyki: –systemy obliczeniowe –systemy bezpośredniego wytwarzania Przetwarzanie informacji zapisanych w postaci odpowiednich molekuł prowadzi do otrzymania w rezultacie określonych struktur materialnych (materiałów i produktów). Systemy biologiczne jako przykład systemów informatycznych bezpośredniego wytwarzania

6 Techniczne nanosystemy Mechaniczne (koncepcja Babbagea), logika prętów Mechaniczne (koncepcja Babbagea), logika prętów Elektroniczne – wykorzystanie nanorurek Elektroniczne – wykorzystanie nanorurek Problem - specyfika nanotechnologii: miliardy współpracujących nanomaszyn Problem - specyfika nanotechnologii: miliardy współpracujących nanomaszyn –Konieczność koordynacji i komunikacji –Trudność w lokalizacji w przestrzeni 3-D –Ograniczona pamięć itp.

7 Techniczne nanosystemy Nanotechnologiczne wytwarzanie

8 pojedyncza kostka układu a) b) c) d) a) system A; b, c) reorganizacja; d) system B; systemy polimorficzne

9 Systemy biologiczne jako systemy informatyki Materialny charakter informacji Najlepiej poznane molekuły systemów biologicznych to: Kwasy nukleinowe DNA i RNA Życie to obliczenia

10 Nanosystemy informatyki systemy informatyki, w których symbolami terminalnymi stosowanych w nich języków programowania, oraz elementami stosowanymi w ich częściach urządzeniowych są atomy i molekuły ALGORYTMY realizowane w nanosystemach informatyki to zbiory operacji technologicznych na argumentach którymi są struktury fizyczne (molekuły i atomy) po wykonaniu których otrzymujemy jako wynik określone struktury materialne Biologiczne systemy informatyki

11 Systemy biologiczne jako nanosystemy informatyki Systemy biologiczne jako nanosystemy informatyki Można je scharakteryzować opierając się na trzech podstawowych cechach: Można je scharakteryzować opierając się na trzech podstawowych cechach: –molekularny zapis programu –synteza molekularna metodami lepkiej matrycy –zdolność replikacji i samoorganizacji

12 Biologiczne systemy informatyki

13 Synteza molekularna produktu Ekspresja genów: transkrypcja, translacja, obróbka posttranslacyjna Ekspresja genów: transkrypcja, translacja, obróbka posttranslacyjna

14 Przepisanie genu na matrycę RNA: ::= ::= U | A | G | C Biologiczne systemy informatyki

15 Sekwencji nukleotydów przyporządkowuje aminokwas Tabela kodu genetycznego Biologiczne systemy informatyki

16 Kształtowanie białek przebiega w trzech etapach, nazywanych strukturami odpowiednich rzędów Ogólna liczba białek w systemie biologicznym przekracza liczbę genów zapisanych w sekwencji DNA Biologiczne systemy informatyki

17 Zdolność replikacji Jeśli więc w wyniku rozwoju obiektu w systemie następuje jego podział na kolejne obiekty zdolne do niezależnego kontynuowania procesów rozwoju z zachowaniem zdolności do kolejnych podziałów, to nazywamy to zjawiskiem samoreplikacji (replikacji) Samoreplikacja zapewnia wytworzenie w systemie dużej liczby niezależnie funkcjonujących obiektów, równolegle wykonujących własne programy działania Biologiczne systemy informatyki

18 Najszybszy wzrost całkowitej liczby obiektów ma miejsce dla ich dychotomicznych podziałów, to znaczy dla n = 2, co ma np. miejsce w przypadku samoreplikacji komórek organizmów biologicznych Systemy replikujące się: Integralną częścią wytwarzanych obiektów są zakodowane w tej samej technologii, w której budowany jest obiekt, programy budowy tego obiektu

19 Realizacja technicznych systemów... Koncepcja lepkiej matrycy opiera się na twierdzeniu, że jeśli fizycznie jest możliwe istnienie danej molekuły, to można ją otrzymać poprzez odpowiednie zbliżenie składowych atomów Koncepcja lepkiej matrycy opiera się na twierdzeniu, że jeśli fizycznie jest możliwe istnienie danej molekuły, to można ją otrzymać poprzez odpowiednie zbliżenie składowych atomów molekularna struktura produktu Lepka matryca 1) informacja w postaci lepkiej matrycy 2) integracja produktu 3) uwolnienie gotowego produktu Modyfikacja istniejących systemów biologicznych Zaprojektowanie nowych systemów, opartych o inny niż w systemach biologicznych zbiór molekuł, bardziej użyteczny z punktu widzenia technologicznego

20 system operacyjny Ogólnie: system operacyjny steruje procesami przenoszenia, przechowywania i przetwarzania danych. Funkcjonuje on na tych samych zasadach (w taki sam sposób) jak oprogramowanie komputera, to znaczy jest programem wykonywanym przez procesor. Realizacja technicznych systemów... Funkcje systemu, system operacyjny System informatyczny - zbiór powiązanych ze sobą elementów, którego funkcją jest przetwarzanie informacji System informatyczny - zbiór powiązanych ze sobą elementów, którego funkcją jest przetwarzanie informacji

21 Determinowanie cech przez program genetyczny Cecha – własność danego obiektu Cecha – własność danego obiektu cecha DNA cecha DNA cecha 1cecha 2

22 System operacyjny, w pojęciu klasycznym (związanym z technicznymi systemami informatyki) jest programem, którzy zarządza zasobami komputera, obsługuje programistów i szereguje wykonywanie innych programów. Wśród głównych celów stosowanie systemów operacyjnych wymienia się sprawność (system operacyjny umożliwia sprawne eksploatowanie zasobów systemu komputerowego). Realizacja technicznych systemów... Funkcje systemu, system operacyjny system operacyjny DNA

23 Realizacja technicznych systemów... Funkcje systemu, system operacyjny Mechanizmy kontroli w DNA nie zostały w pełni poznane Mechanizmy kontroli w DNA nie zostały w pełni poznane Sekwencje bezpośrednio kodujące geny zajmują jedynie ok. 3% długości łańcucha DNA Sekwencje bezpośrednio kodujące geny zajmują jedynie ok. 3% długości łańcucha DNA

24

25 Sekwencje sterujące są programami, zapisanymi w pamięci Realizacja programów w systemach technicznych odpowiada odczytywaniu sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA Podobnie jak w systemach technicznych na przemian odczytywane są sekwencje sterujące i na ich podstawie odpowiednie sekwencje programu genetycznego (przekazywanie sterowania) Biologiczny system operacyjny DNA reguluje i synchronizuje wykonywanie programów genetycznych w zależności od określonych, dynamicznie zmieniających się potrzeb i wymagań. Brak centralnego zegara systemowego

26 Realizacja technicznych systemów... Pojęcie czasu, systemy czasu rzeczywistego Systemy biologiczne jako systemy z przesyłem komunikatów, komunikaty te mają określoną postać materialną (są określonymi produktami, półproduktami) Systemy biologiczne jako systemy z przesyłem komunikatów, komunikaty te mają określoną postać materialną (są określonymi produktami, półproduktami) System składa się z procesów, których realizacja uzależniona jest od spełnienia określonych warunków. Ponieważ nie istnieje centralny mechanizm synchronizacji zachodzących w systemie biologicznym procesów, procesy te możemy traktować jako asynchroniczne System składa się z procesów, których realizacja uzależniona jest od spełnienia określonych warunków. Ponieważ nie istnieje centralny mechanizm synchronizacji zachodzących w systemie biologicznym procesów, procesy te możemy traktować jako asynchroniczne Można więc określić biologiczny system informatyczny jako rozproszony, asynchroniczny system sterowany za pomocą przesyłu komunikatów

27 Realizacja technicznych systemów... Pojęcie czasu, systemy czasu rzeczywistego Hierarchiczność Hierarchiczność Emergentność Emergentność Zdolność do samoorganizacji (wraz z samoreplikacją) Zdolność do samoorganizacji (wraz z samoreplikacją) wzrost złożoności źródło efektywności systemu

28 Realizacja technicznych systemów... Hierarchiczność System hierarchiczny - układ wzajemnie powiązanych podsystemów, z których każdy ma również strukturę hierarchiczną, aż do osiągnięcia najniższego poziomu – podsystemu elementarnego Poziom określa odpowiednia struktura, czyli sposób wzajemnego powiązania składników oraz funkcje, które określają działanie poszczególnych składników jako części struktury Prosty podział - -Organizm - - Organ - -Tkanka - -Komórka - - Jądro komórkowe (informacja genetyczna) Udostępnianie informacji genetycznej Zmniejsza się zróżnicowanie organizmów

29 Realizacja technicznych systemów... Emergentność Trudne jest przewidzenie własności białek na podstawie sekwencji nukleotydów

30 Realizacja technicznych systemów... Samoorganizacja Samoorganizacja jest rezultatem działania każdego elementu układu w ramach systemu, w warunkach stworzonych przez oddziaływanie innych elementów tego systemu. W wyniku tych oddziaływań można obserwować pojawienie się globalnej struktury a jednocześnie komponenty systemu mogły oddziaływać ze sobą jedynie lokalnie. W systemach biologicznych samoorganizacja jest podstawowym zjawiskiem, na którym opiera się funkcjonowanie tych systemów. Cechy biologicznych systemów informatyki: Brak centralnej kontroli Odporność i elastyczność Zdolność do regeneracji Zdolność do adaptacji - Różnorodność

31 Realizacja technicznych systemów... Badania symulacyjne Symulator nSIM pozwala na badanie zachowania elementarnych obiektów, poruszających się swobodnie w przestrzeni, a także zachowania obiektów złożonych (konglomeratów). Symulacja posługuje się czasem dyskretnym.

32 Trywializując, można powiedzieć, że samoorganizacja jest rezultatem "dbania o własne interesy" każdego elementu układu w warunkach działania konkurencji ze strony innych elementów tegoż układu. W przyrodzie "dbanie o własne interesy" jest zazwyczaj dążeniem każdego atomu lub molekuły do obniżenia swej energii swobodnej (redukcji wszelkiego rodzaju gradientów w swoim otoczeniu) tak bardzo, jak to możliwe.

33 Przykładem samoorganizacji w społeczeństwie jest mechanizm działania dużych, nowoczesnych społeczności, np. Manhattanu. Tam nie ma centralnego planisty; każdy z członków społeczności - działając w sprzężeniu ze swoim bliskim otoczeniem - dba o własne interesy lokalne, nie zaś o miasto, a całość funkcjonuje znakomicie.

34 Realizacja technicznych systemów... Badania symulacyjne Prosta koncepcja samoorganizującego się systemu złożonego z n elementów składających się na pożądaną strukturę

35 Realizacja technicznych systemów... Badania symulacyjne Rozkład obiektów w systemie

36 Podsumowanie i wnioski Przedstawiona koncepcja technicznej realizacji produktów w nanosystemach opiera się na podstawowym mechanizmie biologicznym, związanym z budową białek, tzw. lepką matrycą. Dwie fazy wytwarzania: - -Wytwarzanie oraz powielanie elementarnych obiektów w systemie (w systemach biologicznych – budowa I rzędowej struktury białka oraz replikacja DNA i inne mechanizmy związane z udostępnianiem informacji genetycznej) - -Kształtowanie struktury przestrzennej oraz funkcjonalnej produktu w wyniku samoorganizacji i samoreplikacji (w systemach biologicznych – kształtowanie przestrzennej struktury białek, tkanek, organów, procesy podziałów komórek itp.)

37 Podsumowanie i wnioski Rozwiązanie problemu wytwarzania w oparciu o koncepcję lepkiej matrycy nie rozwiązuje problemu kształtowania struktur wyższego rzędu o określonej strukturze funkcjonalnej. Współczesne komputery budowane są wg tzw. schematu von Neumana. W nanosystemach informatyki postuluje się odejście od tej architektury. Powstaje więc problem opracowania odpowiednich systemów operacyjnych oraz struktury urządzeniowej systemu. - ogromna liczba współpracujących elementów - dysponują ograniczoną pamięcią - zdolnych do samoreplikacji - kształtowanie struktur następuje w wyniku samoorganizacji

38 Podsumowanie i wnioski Systemy realizujące bezpośrednio procesy wytwarzania: rozproszone, asynchroniczne systemy sterowane za pomocą przesyłu komunikatów, oraz hierarchicznie zorganizowane, dynamiczne systemy samoorganizujące dalekie od stanu równowagi. Badania nad przewidywalnością oraz funkcjonalnością takich systemów (w określonych zakresie). Dalsze badania w oparciu o przedstawione w pracy podstawowe założenia oraz model teoretyczny stanowi szeroki i ciekawy temat do dalszych prac. Szczególną rolę odgrywają tutaj prace symulacyjne.


Pobierz ppt "Nanosystemy informatyki Nowak Sławomir Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej."

Podobne prezentacje


Reklamy Google