基于分子计算的米利型状态机设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分子计算的米利型状态机设计方法，包括以下步骤：S1：针对米利型状态机特定的时序逻辑功能画出对应的状态转换图；S2：确定状态机的初始状态；S3：如果状态机的输入变量只有一个，则所述输入变量分子通过催化反应将维持当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；如果状态机的输入变量超过一个，则所有输入变量分子通过二分子反应压缩为一种分子，压缩后的分子将当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；S4：转化后的催化剂根据状态转换图更新状态变量和输出变量的值，将输入变量转化为与整个化学反应网络无关的物质。本发明专利技术提高了化学反应网络的物理实现的可行性。

Design method of milli based state machine based on molecular computation

The invention discloses a design method of Millie state machine based on molecular computing, which comprises the following steps: S1: drawing corresponding state transition diagram for specific timing logic function of Millie state machine; S2: determining the initial state of state machine; S3: determining the input variable of state machine if there is only one input variable, the input variable of the state machine. A molecule converts a catalyst that maintains its current state into a catalyst corresponding to an arrow pointing from the current state to the next state by catalytic reaction; if the input variable of the state machine exceeds one, all the input variable molecules are compressed into one molecule by a binary reaction, and the compressed molecule transforms the catalyst in the current state S4: The converted catalyst updates the values of the state variables and the output variables according to the state transition diagram, and converts the input variables into substances unrelated to the entire chemical reaction network. The invention improves the feasibility of the physical realization of the chemical reaction network.

【技术实现步骤摘要】
基于分子计算的米利型状态机设计方法
本专利技术涉及基于分子计算的米利型状态机设计方法。
技术介绍
化学反应网络是由一系列形如的基元反应所构成的集合(包含反应物、生成物、反应速率常数)。化学反应网络是分子计算的建模语言，为了用分子计算实现逻辑功能，化学反应网络中反应物、生成物都以双轨逻辑的形式来表征数字逻辑变量。例如，某一逻辑变量X的2个逻辑值由2种分子X0、X1表示，即：若化学反应网络中出现一定浓度的X0，代表X的逻辑值为0；若化学反应网络中出现一定浓度的X1，代表X的逻辑值为1。化学反应网络的物理实现载体是溶液中的化学反应，其中DNA链置换反应已在理论上被证明能实现任意的化学反应网络，前提是化学反应网络中只包含双分子反应和单分子反应。前人已提出了用化学反应网络设计基于时钟驱动的状态机方法，其缺点在于实现该状态机需要依靠化学反应网络产生的时钟来驱动。虽然化学反应网络可以在理论上仿真出时钟信号，但是其相应的物理实现(如：DNA链置换反应)具有很大的难度，且至今没有相关的成熟技术。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种不需要时钟驱动的基于分子计算的米利型状态机设计方法。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的基于分子计算的米利型状态机设计方法，包括以下步骤：S1：针对米利型状态机特定的时序逻辑功能画出对应的状态转换图，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，为每一个逻辑变量分配特定的化学分子以表示其逻辑值；状态转换图中包含多个箭头，每一个箭头都代表从一个状态向另一个状态的转换；对于每一个状态转换都设定一种特定的催化剂分子，催化剂分子用于通过催化反应使得状态变量和输出变量的值更新或保持为箭头所对应的状态值和输出值；S2：确定状态机的初始状态；S3：如果状态机的输入变量只有一个，则所述输入变量分子通过催化反应将维持当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；如果状态机的输入变量超过一个，则所有输入变量分子通过二分子反应压缩为一种分子，压缩后的分子将当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；S4：转化后的催化剂根据状态转换图更新状态变量和输出变量的值，将输入变量转化为与整个化学反应网络无关的物质。进一步，所述步骤S2中初始状态用状态变量分子和输出变量分子来表示，并且用催化剂通过催化反应来维持状态变量和输出变量的值。有益效果：本专利技术公开了基于分子计算的米利型状态机设计方法，通过构建化学反应网络，在分子计算领域实现了米利型状态机，使得分子计算领域的时序逻辑功能能够摆脱时钟的依赖，提高化学反应网络的物理实现的可行性。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中米利型状态机的状态转换图；图2为本专利技术具体实施方式中多个输入变量分子压缩为一种分子的示意图；图3为本专利技术具体实施方式中状态机的单次状态跳变示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图对本专利技术的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种基于分子计算的米利型状态机设计方法，包括以下步骤：S1：根据米利型状态机具体的时序逻辑功能，画出相应的状态转换图，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，为每一个逻辑变量分配特定的化学分子以表示其逻辑值；状态转换图中包含多个箭头，每一个箭头都代表从一个状态向另一个状态的转换；对于每一个状态转换都设定一种特定的催化剂分子，催化剂分子用于通过催化反应使得状态变量和输出变量的值更新或保持为箭头所对应的状态值和输出值。状态转换图如图1所示，其中X、Y为状态变量，M为输入变量，Z、C为输出变量，Ti为催化剂分子，i＝1,2,…,k，k是状态转换图中箭头的总数目。S2：确定状态机的初始状态。初始状态用状态变量分子和输出变量分子来表示，并且用催化剂通过催化反应来维持状态变量和输出变量的值。S3：如果状态机的输入变量只有一个，则所述输入变量分子通过催化反应将维持当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；如果状态机的输入变量超过一个，则所有输入变量分子通过二分子反应压缩为一种分子，压缩后的分子将当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂。S4：转化后的催化剂根据状态转换图更新状态变量和输出变量的值，且为了防止下一时刻的输入分子与当前输入分子同时存在，转化后的催化剂会将当前的输入变量(单输入变量或者压缩后的输入变量)转化为与整个化学反应网络无关的物质。输入变量分子能够通过驱动催化剂的转化，从而间接驱动状态的跳变，这使得时序逻辑摆脱了对时钟的依赖。并且，催化剂分子可消耗当前输入变量分子，防止当前输入变量分子与下一时刻的输入变量分子同时存在而产生输入值的不明确。状态转换所涉及的催化反应如式(1)所示，其中Y1代表逻辑值为1，Y0代表逻辑值为0。该反应实现的功能是催化剂分子Ti把逻辑变量Y的值由0转化为1。若化学反应网络中的初始状态是只有Y1和Ti存在，那么Ti的作用可以理解为维持Y的值为1，防止Y的值发生反转。Y0+Ti→Y1+Ti(1)图2为多个输入变量分子压缩为1种分子的例子，其中Xi(i＝1,2…9)为9个输入变量,Ii(i＝1,2,…,7)为中间产物，L1为压缩后的输入变量分子。图中总共有8个反应，所有的反应都具有2个反应物和1个生成物，如：底部所对应的反应方程为：I7+X19->L1。式(2)表示催化剂分子Ti将单输入变量或者压缩后的输入变量(在此都用Li表示)转化为与整个化学反应网络无关的物质(用Ф表示)。Li+Ti→φ+Ti(2)图3是状态机的单次状态跳变示意图。Statec代表当前的状态值和输出值；Tj是当前状态(statec)的催化剂；staten代表下一状态值和输出值；Tk是下一状态(staten)的催化剂；Inputs代表多个输入变量；Li代表压缩后的输入分子；Ф代表与整个化学反应网络无关的物质。实线代表物质的转化，虚线代表催化作用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分子计算的米利型状态机设计方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：针对米利型状态机特定的时序逻辑功能画出对应的状态转换图，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，为每一个逻辑变量分配特定的化学分子以表示其逻辑值；状态转换图中包含多个箭头，每一个箭头都代表从一个状态向另一个状态的转换；对于每一个状态转换都设定一种特定的催化剂分子，催化剂分子用于通过催化反应使得状态变量和输出变量的值更新或保持为箭头所对应的状态值和输出值；S2：确定状态机的初始状态；S3：如果状态机的输入变量只有一个，则所述输入变量分子通过催化反应将维持当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；如果状态机的输入变量超过一个，则所有输入变量分子通过二分子反应压缩为一种分子，压缩后的分子将当前状态的催化剂转化为从当前状态指向下一状态的箭头所对应的催化剂；S4：转化后的催化剂根据状态转换图更新状态变量和输出变量的值，将输入变量转化为与整个化学反应网络无关的物质。

【技术特征摘要】
1.基于分子计算的米利型状态机设计方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：针对米利型状态机特定的时序逻辑功能画出对应的状态转换图，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，为每一个逻辑变量分配特定的化学分子以表示其逻辑值；状态转换图中包含多个箭头，每一个箭头都代表从一个状态向另一个状态的转换；对于每一个状态转换都设定一种特定的催化剂分子，催化剂分子用于通过催化反应使得状态变量和输出变量的值更新或保持为箭头所对应的状态值和输出值；S2：确定状态机的初始状态；S3：如果状态机的输入变量只有一个，则所述输入变量分子通...

【专利技术属性】
技术研发人员：张川，钟志伟，戈璐璐，尤肖虎，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32