基于DNA分子链置换反应提取实现组合逻辑的CRNs的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于DNA计算领域，尤其是涉及一种基于DNA分子链置换反应提取实现组 合逻辑的CRNs的方法。
【背景技术】
[0002] 2〇10 年，David Soloveichik 等人提出"DNA as a universal substrate for chemical kinetics"，一定程度上从理论层面证明：对于任何一个形式化学反应网络（下 文简称为CRNs)，我们总能方便地找到其对应的DNA的物理实现。也就是说，任意一个我们 所设计的CRNs，可以映射到DNA分子链置换反应上；而DNA分子链置换反应，在"忽略反应 物、生成物具体是什么DNA分子"的前提下，可以抽象为一个由一系列形如A+B - C+D的基 元反应所构成的CRNs，从而使设计简单化。
[0003] 2011 年，Phillip Senum等人提出"Rate-independent constructs for chemical computation"，表明化学反应网络结构如果设计的合理，化学反应的反应速率将不会影响 整个CRNs系统的动态特性，即一定程度上可以不去考虑化学反应速率的精确值，而关心 CRNs在某个相对反应速率范围内的稳定特性。
[0004] 2013 年，Hua Jiang 等人提出"Digital Logic with Molecular Reactions"，对 于单个比特如X，可以用下面公式中3个化学反应来表示，并由此提出了基于分子反应双稳 态的数字逻辑，以及简单组合逻辑的设计。然而，该设计方法需要具体的电路架构，且不具 有一般性。
[0008] 在现有技术中，获取CRNs的方法都比较复杂，最后得到的CRNs不具有一般性，而 且CRNs中的反应方程式多，这样导致计算的时间长，需要的成本高。
【发明内容】
[0009] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种无需考虑具体的 电路架构，简化了 CRNs，有效降低了能耗的基于DNA分子链置换反应提取实现组合逻辑的 CRNs的方法。
[0010] 技术方案：本发明提供了一种基于DNA分子链置换反应提取实现组合逻辑的CRNs 的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1 :按照设定的逻辑功能，得到一张反映输入、输出逻辑关系的真值表，并从 真值表中映射出形式化学反应网络；
[0012] 步骤2 :采用卡诺图化简的方法，对步骤1中获得的形式化学反应网络进行化简， 获得用于实现组合逻辑功能的形式化学反应网络。
[0013] 进一步，所述步骤1中的映射的方法包括同时进行的以下步骤：基于双稳态分子 反应的数字逻辑表示单个比特，得到稳定的输入和输出信号；根据输入和输出的真值表得 到对应的化学反应方程；对输出信号参数进行修正。
[0014] 进一步，所述步骤2中采用的卡诺图化简方法中每个卡诺圈仅贯穿1整行或1整 列。
[0015] 进一步，所述步骤2中在进行卡诺图化简时，如果所有输出信号的情况都被输入 信号所涵盖，则不进行步骤103的操作。
[0016] 有益效果：与现有技术相比，本发明提供的方法主要用于DNA分子链置换反应中 表示逻辑关系的化学反应网络的获得，主要采用电子学中的真值表以及卡诺图化简的方式 获取CRNs，不仅无需考虑具体的电路架构就可以获得能够反应逻辑关系的CRNs，而且简化 了 CRNs，有效降低了能耗。同时本发明提供的方法更具有一般性，通俗易懂，操作更加简单 方便。
【附图说明】
[0017] 图1是主要反应的化学反应式图；
[0018] 图2是实施例1中通过真值表映射出形式化学反应网络图；
[0019] 图3是实施例1的卡诺图；
[0020] 图4是实施例1的化简表；
[0021] 图5是实施例1输出结果的仿真结果图；
[0022] 图6是实施例2的卡诺图；
[0023] 图7是实施例2的化简图；
[0024] 图8是实施例2输出结果的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和具体实例，对本发明提出的一种基于DNA分子链置换反应提取实 现组合逻辑的CRNs的方法进行具体说明。
[0026] 本发明提供的基于DNA分子链置换反应提取实现组合逻辑的CRNs的方法，包括 以下步骤：
[0027] 步骤1 :按照设定的逻辑功能，得到一张反映输入、输出逻辑关系的真值表，并从 真值表中映射出形式化学反应网络。其中，形式化学反应网络由3部分组成，背景反应，主 要反应和修正反应。
[0028] 对于2输入-1输出的逻辑电路，我们用X、Y表不输入信号，Z表不输出信号。输入 信号X、Y和输出信号Z均为单个比特，其中，X 1表示输入信号X的逻辑值为1，X。表示输入 信号X的逻辑值为〇 A表示输入信号Y的逻辑值为LYc表示输入信号Y的逻辑值为〇 ;z i 表示输出信号Z的逻辑值为1，Z。表示输出信号Z的逻辑值为0,以此类推。在本发明中输 入信号即为输入的物种，输出信号即为产出的物种，如果输入信号和输出信号的逻辑值为1 则表示该物种存在，如果逻辑值为0则表示该物种不存在。
[0029] 背景反应是基于双稳态分子反应的数字逻辑表示单个比特，得到稳定的输入和输 出信号。主要是以下化学反应来表示：
[0030] ffo+ff^ Sw
[0033] 上述反应表明，一分子的W。和一分子的W i反应，生成一分子的中间产物S w，该中间 产物SwK可以和W。结合，又可以和W i结合，最终使得输入信号的值不再模糊，从逻辑值0和 逻辑值1中分化开来。
[0034] 主要反应是根据输入和输出的真值表得到对应的化学反应方程。其目的是将真值 表所涵盖的逻辑功能，映射到CRNs当中，使得设计的CRNs能实现一定的逻辑功能。
[0035] 如图1所示，将二输入真值表中四个小分隔，从左到右、从上到下，分别定义为T。。、 TQ1、T1Q、T11J。。、TQ1、T 1Q、T11表示具体的逻辑值，因此T。。、TQ1、T1Q、T 11不是逻辑0就是逻辑1。 各自对应于主要反应里的预生成物Z'的逻辑值。
[0036] 修正反应是对输出信号参数进行修正，其目的是使得输出稳定在同等输入水平 上，不产生输出的放大。其化学反应如表1所示：
[0037] 表1 :修正反应的化学反应式
[0038]
[0039] 预反应物需要经过修正得到最终反应物。以Z。的修正反应为例，