[发明专利]一种基于DNA链置换的竞争神经网络框架

说明书

一种基于DNA链置换的竞争神经网络框架，属于生物计算领域。首先根据分子逻辑计算AND、NAND和OR逻辑值的输入来设置DNA信号浓度，通过两个神经元分别构建每个逻辑门组成一个小的神经网络，将通过竞争神经网络实现的分子逻辑门进行级联，实现分子逻辑器件XOR和半加法器逻辑电路，并构建三人表决器。将分子逻辑计算与竞争神经网络结合在一起，实现了基于DNA链置换的竞争神经网络，减少了链的使用，通过调整各个模块DNA链的初始信号浓度，能够得到更加稳定直观的仿真结果。

技术领域

本发明涉及生物计算领域，尤其涉及一种基于DNA链置换的竞争神经网络框架。

背景技术

DNA是一种生物信息载体，根据沃森-克里克碱基互补配对原理，DNA除了单链形式外，还可以形成双螺旋结构，DNA链置换作为一种无酶自动DNA计算技术，可以实现复杂的模型来解决各种问题。近年来，DNA链置换已成为一个研究热点，越来越多的模型被用来解决各种问题，如数字逻辑电路、反馈控制电路、神经网络等。

DNA链置换在逻辑电路和神经网络中的应用成为研究热点，钱璐璐团队利用双轨逻辑，通过DNA链置换反应，构建了具有反馈功能的Hopfield神经网络，利用四神经元实现了“读心”的游戏；2013年，日本东京大学教授提出利用竞争神经网络实现预测科学家问题，仅仅使用23条DNA链构造成功，这样的方式不仅使DNA电路缩小，模拟赢者通吃效应，也证明了DNA是一种精致的底物；2014年，石晓龙教授等人提出的生物传感器，设计了智能DNA分子系统，该系统由一些特定的DNA神经元串联而成，可以自动执行逻辑计算，包括和、或、异或逻辑门；2018年，Cherry等实现的赢者通吃DNA神经网络，使用Winfree研究的跷跷板DNA门基序，顺利地对测试模式进行分类，证明了基于DNA神经网络的模式可识别9个手写数字，用来识别9种模式；由此看来，DNA链置换实现的神经网络拥有巨大的发展空间。

发明内容

本发明提供了一种基于DNA链置换的竞争神经网络框架，以获得更加稳定直观的仿真结果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于DNA链置换的竞争神经网络框架，包括以下步骤：

S1：根据输入的分子逻辑值设定输入DNA信号浓度，随机初始化权重，使神经元进行链置换反应，获取输出链，神经元进行反应的过程如下：

Di×Ma+Gate→Pi+waste               (1)

Di×Mb+Gate→Qi+waste               (2)

公式(1)为输入的单链Ma与权重门Gate进行链置换反应的过程，公式(2)为输入的单链Mb与权重门Gate进行链置换反应的过程；其中Di为输入的分子逻辑值，当单链Ma或单链Mb存在时，对应的Di为逻辑值“1”，当单链Ma或单链Mb不存在时，对应的Di为逻辑值“0”；waste为生成的废料链；Pi，Qi为生成的输出链；

S2：在利用神经元实现分子逻辑计算AND时，生成的输出链Pi和Qi通过神经元反应进行累加并获取权重之和，神经元反应过程如下：

Pi+Qi→Zj+waste                 (3)

其中Zj为权重之和；

S3：在神经元反应中加入湮灭链Anni和帮助链Help，实现分子逻辑计算NAND、OR，神经元反应过程如下：

Zj+Anni+Help→waste(4)

限制条件为

S4：构建三人表决器，其准则如下：