[发明专利]基于DNA链置换的四输入阶乘加法运算分子电路设计方法

说明书

本发明提出了一种基于DNA链置换的四输入阶乘加法运算分子电路设计方法，其步骤为：列写出两位二进制数对应的阶乘，依照随机组合列出十种两个二进制数阶乘之和的真值表，构建阶乘加法运算电路；采用双轨思想将四输入阶乘加法运算电路转化为只包含逻辑与门及逻辑或门的双轨逻辑电路，利用DNA分子设计DNA分子逻辑门并构建四输入阶乘加法运算分子电路，通过Visual DSD仿真软件验证输出结果的正确性，分析四输入阶乘加法运算分子电路的复杂动力学行为，并验证其动力学行为。本发明对于以后构建更复杂的逻辑运算电路提供了基本的理论基础，促进了生物计算机的发展，从而提高生物计算机逻辑电路的可靠性。

技术领域

本发明涉及分子电路的技术领域，尤其涉及一种基于DNA链置换的四输入阶乘加法运算分子电路设计方法。

背景技术

电子计算机的高速发展、不断更新换代，使得计算机面临着微型化这一问题。以硅基材料为基础的微电子器件随着向大规模集成电路的发展，对集成度要求也会越来越高。从而，超大规模与特大规模集成电路就必须要面临物理原理和传统工艺技术这两个方面的问题。通过开发新的制作工艺或者引进新型的可替代的制作材料或许能够解决这一问题，但是这需要更高的成本，同时也将各种不确定误差产生的可能性提高。由此，DNA分子计算模型展开的强大并行计算能力以及高精度等优点开始使得更多的人尝试并且利用DNA计算解决问题。DNA计算是生物计算的一个分支，其基本思想是利用DNA分子特殊的双螺旋结构和Watson-Crick互补原理进行信息编码。既然是一种计算方法，即针对的便是数学问题，解决问题就是一个求解的过程，在DNA计算中，要先将数据进行高度并行映射，从而生成DNA分子链。第一步是对原始问题中的数据对象映射生成DNA分子链；第二步是对生成的DNA分子链进行编码，这个编码是通过采用不同的DNA序列来完成；第三步是让这些DNA分子链在生物酶的催化作用下形成数据池；第四步是对映射后的DNA分子链进行可控的、能够瞬间完成的生化操作，在这些完成后新的DNA片段就得以产生，这就是一个数学问题的所有可能解空间；最后，通过萃取出所需要的DNA片段，这就是原始问题的解，萃取过程需要借助生物检测技术。在以上DNA计算过程中，DNA自组装技术解决了人工操作错误率高这一问题，它在减少人工操作的同时也使得算法的精度得以提高。这种计算模式信息存储量大，信息处理速度快，分子器件的合成简单，多种逻辑门基于这种自组装原则得以构建。这种构建逻辑门的方法优点是简单，缺点是不具备通用性，即一旦遇到新的问题时，就需要重新设计DNA链，这使得多层逻辑电路进行运算时的速度大大降低。于是，新型计算方法DNA链置换技术应运而生。

DNA链置换技术操作简单，其反应是一种不需要添加任何生化酶的自发反应；因为具有动态特性，因此能够构成动态级联系统。基于DNA链置换反应网络的大多数DNA装置可以进行动态操作，运用于机器，生物传感，电路等。因为DNA链置换技术是以生物分子为基础的纳米技术，因此它具备了生物分子并行计算速度高、存储信息量大以及可编程模拟的优点。以上使DNA链置换技术在纳米计算机，传感器、分子检测、DNA纳米机器人、DNA纳米结构、智能载药、疾病诊断及治疗等方面都得到了很好的应用。

发明内容

针对现有DNA自组装技术通用性差的技术问题，本发明提出一种基于DNA链置换的四输入阶乘加法运算分子电路设计方法，基于链置换的反应机制，构建DNA分子放大门、DNA分子与门、DNA分子或门、DNA分子集成门、DNA分子阈值门、DNA分子报道门以及四输入阶乘加法运算分子双轨逻辑电路，并用Visual DSD仿真软件分析其复杂动力学行为，对生物计算机的发展起到良好的推进作用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于DNA链置换的四输入阶乘加法运算分子电路设计方法，其步骤如下：

步骤一：列写出两位二进制数对应的阶乘并进行随机的组合，得到十种两个二进制数阶乘之和的真值表，根据真值表写出布尔逻辑表达式并构建阶乘加法运算电路，利用双轨的思想将阶乘加法运算电路转化为四输入阶乘加法运算双轨逻辑电路；