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如何将你的照片存储1000年?哈佛大学最新钻研:用这个

发布日期:2021-11-21 17:26    点击次数:101

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撰文:吴婷婷编审:寇建超排版:李雪薇

在计算机技术飞速发展、数字生态蒸蒸日上的今天,数据存储技术变得愈发主要。然而现在,用于数据存储的设备,比如光学介质、磁介质和闪存,行使寿命清淡不到 20 年,并且还必要消耗大量能量来维护。不息以来,尽管科学家们首终在追求以高密度和无电的手段来存储新闻的其他手段,比如 DNA 分子或其他聚相符物,但这些手段也会受到相对成本高和读写速度慢等因素的局限。那么,有异国一栽更益的手段呢?近日,哈佛大学化学与化弟子物系 George Whitesides 教授团队及其配相符者,就开发了一栽崭新且原理浅易的光学分子存储手段。他们行使荧光染料分子编码二进制新闻,成功将各类文字、图像新闻写入并读掏出来,读/写速度别离能够达到 128 bits/s 和 469 bits/s,甚至能够读写视频或其他任何能够数字存储的新闻。同时,比首传统存储技术,该手段还具有存储密度高、存储寿命长(理论上可达数千年或更久)、成本可批准等益处。有关钻研论文以“Storing and Reading Information in Mixtures of Fluorescent Molecules ”为题,已发外在科学期刊 ACS Central Science 上。钻研人员外示,这栽光学分子技术并不请求对分子内部的组织或序列进走复杂编码,专门浅易易懂,也为存储能耗、成本和抗消耗能力等新兴分子新闻存储技术面临的主要题目挑供晓畅决方案。

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不光快,还“保真”现在,用于存储数字新闻的技术五花八门,包括光盘、闪存和驱动硬盘等,但其做事寿命大约只有几十年。另一栽可走的手段是将新闻存储在一些分子中,例如 DNA——受大自然将各栽复杂的生物遗传新闻存储在 DNA 中的启发,科学家尝试人造创造相通的分子,以有现在标地存储数字新闻。云云的手段在理论上具有专门高的存储密度,而且无需能耗维护;更妙的是,按照科学家推想,能够存储新闻数千年乃至更久。然而,这些分子编制也存在劣势:读/写速度不足快,众次读取容易造成新闻亏损,成本较高,以及尺寸缩短导致噪声增补。所以,为解决分子存储技术存在的题目,Whitesides 等人开创性地行使荧光分子来将现在标新闻编码成二进制并存储,并行使荧光显微镜来读守新闻。行使这栽手段,他们成功在一块幼至 7.2 mm^2 的基板上存储了约 14KB 的数字新闻,文本和图像均可存入,空间新闻密度高达 271.5 bytes/mm^2。

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图|团队行使喷墨打印机成功将新闻存储在很幼的树脂基板上,而电脑程序能够放大望到其上各染料的点状分布(动图素材来源:YouTube)此外,议决重复读守新闻 1000 次以上,钻研团队发现荧光信号强度的亏损较少(矮于 20%),且每次都能成功读取。而在读写速度方面,钻研团队也取得了不菲的收获——在行使喷墨打印机将荧光分子写入新闻时,速度能够达到 16 bytes/s。同时,只必要浅易判别某处有无荧光染料分子,就能够读取对答的二进制新闻。所以,该手段能够并走众通道读守新闻,速度达到 58.6 bytes/s。

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图|用该技术将“电学之父”法拉第的图像(3.95 KB)转换成荧光染料图案,并存储在 4.2mm^2 大幼的环氧树脂基底上,打印舛讹率只有 0.4%(来源:该论文)所以,这栽手段能够以可批准的成本实现高密度、迅速读/写的新闻存储技术,以及对单个分子集的众次读取而不丢误期息,能够说很益地解决了不息以来分子存储技术中存在的题目。

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荧光分子如何编码数字新闻?实际上,此次的技术是一栽基于数据磁带(Write Once Read Many,WORM)的分子新闻存储手段,不克重复写入且不批准修改,但能够重复读取。最先,钻研人员选择了 7 栽可在差别波长发光的荧光染料分子,这些染料都很容易买到。他们行使染料来别离标记 ACSII 码的每一位,倘若染料存在则代外“1”,逆之则代外“0”。

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图|荧光分子对文本新闻“Arts”进走二进制编码和打印成像暗示图(来源:该论文)接下来,该团队行使喷墨打印机将染料同化物按照新闻编码打印在环氧树脂表面的幼点中,环氧树脂基底中含有活性氨基,会与染料发生逆答并形成安详的共价键,从而固定住染料分子并防止后续读取时有过高消耗。然后,他们行使配备有众通道荧光检测器的荧光显微镜,读取每个点上染料分子的发射光谱并解码新闻。云云一来,该检测器能够同时且互不作梗地分辨出基底上肆意点的染料新闻组相符,计算机程序再将二进制码还原为图像/文本,读取过程随即完善。

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图 | 荧光显微镜读取基板上某点的染料颜色,分析出对答新闻暗示图(来源:论文)钻研人员外示,以这栽手段存储的数据能够在数千年内保持可读。另外,它还不容易受到水的损坏、不克被长途暗客抨击、不会受到现有存储编制的尺寸局限,并且它的存储不必要任何能源。

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视频|一栽基于荧光染料的新式数据存储技术(来源:YouTube)

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数字新闻存储技术盘点从古至今,新闻存储从最传统原首的书籍文字演变至今天的数字新闻,沿路变迁,现在仍在普及行使的数字新闻存储技术有哪些?硬盘:采用磁介质的数据存储设备,希捷(Seagate)在 1980 年生产了第一款 5.25 英寸硬盘(HDD),同年 IBM 推出的第一款 1 GB 硬盘则是个重大无比,重达 550 磅。到了今天,1T 硬盘都不再稀奇,科学家们不息在竭力突破磁介质技术,以挑高硬盘密度、扩充容量、降矮能耗。光盘:1960 年代,一位名叫 James T. Russel 的发明家致力于将光行为一栽机制来记录并重播音笑。直到 1975 年,索尼出资完善该项现在,生产出 CD 和 DVD。闪存:2000 岁暮问世,采用电子式可消弭程序化只读存储器的形势,批准在操作中被众次擦或写的非易失性存储器。主要用于手持式移动设备,例如存储卡、U 盘等。数据孤岛与数据湖:大数据的有用来源,以原首格式存储数据,并批准处理这些数据,其用户能够议决互联网访问大片面新闻。云数据存储:互联网基于云服务器进走数据存储与传输,云内心上为用户挑供了无限量的存储空间,同时必要添密和身份验证。分子存储:行使 DNA、蛋白质平分子内部组织原理对新闻进走存储。2019 年,同样是来自哈佛大学的一个钻研团队开发出一栽基于寡肽的分子存储技术,那时的数据写入和读取的平均速率别离为 8 bit/s 和 20 bit/s。值得一挑的是,该团队正是来自 George Whitesides 实验室。参考原料:https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/10/harvard-researchers-use-dyes-to-store-data/https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00728https://www.youtube.com/watch?v=EHg2Li52qUIhttps://gmwgroup.harvard.edu/

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