В.Ю. ПОПОВ АВТОНОМНЫЕ ДНК НАНОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

УДК 004(06) Информационные технологии
В.Ю. ПОПОВ
Уральский государственный университет имени А.М. Горького, Екатеринбург
АВТОНОМНЫЕ ДНК НАНОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Разработаны автономные ДНК наномеханические модели универсальных машины Минского, машины с двумя головками и искусственной иммунной системы.
В последнее десятилетие получены существенные экспериментальные
продвижения в области ДНК наномеханики. Это позволило приступить к
разработке ДНК наномеханических роботов и вычислительных устройств.
В частности, разработано большое количество неавтономных ДНК наномеханических устройств, способных к перемещению или выполнению
отдельных операций: открытие – закрытие, расширение – сжатие, поворот
[1-4]. Однако особый интерес представляют автономные программируемые наномеханические устройства, поскольку они не нуждаются в постоянном воздействии из вне и потенциально способны решать практические
задачи в реальных, а не лабораторных условиях [5]. Большое внимание в
этом направлении уделяется разработке вычислительных устройств [6].
При этом наибольший интерес представляют собой универсальные (способные вычислить произвольную вычислимую по Тьюрингу функцию)
автономные наномеханические устройства.
На сегодняшний день имеется несколько моделей универсальных
наномеханические устройств, конструктивные элементы которых исследовались экспериментально [7, 8]. С точки зрения практической реализации наиболее перспективной из них представляется модель, предложенная в работе [8]. Однако и у этой модели имеются некоторые существенные недостатки. В частности, представляя собой непосредственную симуляцию универсальной машины Тьюринга, модель требует поддержания
большой неоднородной молекулярной структуры, имитирующей ленту
машины Тьюринга. Эта структура изменяется во времени (машина записывает на нее информацию) и потому трудно поддается внешней верификации и слабо защищена от возникновения ошибок.
Разработаны автономные ДНК наномеханические модели универсальных машины Минского (определение см. [9], пункт 15.2) и машины с
двумя головками (определение см. [10]). Эти модели используют те же
конструктивные элементы, что и модель, предложенная в [8]. Однако машина Минского и машина с двумя головками в отличие от машины
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 11
1
УДК 004(06) Информационные технологии
Тьюринга используют ленты, продолжаемые только в одну сторону; не
записывают на ленты информацию; используют однобуквенный алфавит.
Поэтому предлагаемые модели в отличие от [8] требуют синтеза статичной однородной структуры и компактных управляющих устройств. Это
позволяет существенно облегчить синтез устройств, контроль возникающих ошибок и считывание результата вычислений. Преимуществом модели машины Минского является наличие только одного управляющего
устройства. Хотя модель машины с двумя головками имеет три управляющих устройства, она представляет собой более компактное устройство с
потенциально большим быстродействием и более высокой надежностью.
Разработана универсальная автономная ДНК наномеханическая модель искусственной иммунной системы [11]. Преимуществом этой модели
является то, что иммунная система состоит из независимых частей, симулирующих лимфоциты и антитела. Кроме того, при построении этой системы используются более простые конструктивные элементы, чем в [8].
В частности, нет необходимости в использовании искусственных нуклеотидов. Поэтому модель имеет лучшую перспективу на применение в живых организмах в медицинских целях.
Список литературы
1. Sherman W., Seeman N. A precisely controlled DNA biped walking device // Nano Lett.
2004. V.4. P.1203–1207.
2. Simmel F., Yurke B. A DNA-based molecular device switchable between three distinct
mechanical states // Appl. Phys. Lett. 2002. V.80. P.883–885.
3. Li J., Tan W. A single DNA molecule nanomotor // Nano Lett. 2002. V.2. P.315–318.
4. Tian Y., Mao C. Molecular gears: A pair of DNA circles continously rolls against each
other // J. Am. Chem. Soc. 2004. V.126. P.11410–11411.
5. Reif J., LaBean T. Autonomous Programmable Biomolecular Devices Using SelfAssembled DNA Nanostructures. Fourteenth Workshop on Logic, Language, Information and
Computation (WoLLIC'2007). LNCS. 2007. V.4576–0297. P.297–306.
6. Zhang Z., Fan C., He L. Development of Nano-Scale DNA Computing Devices // Current
Nanoscience. 2005. V.1. P.89–93.
7. Rothemund P.W. A DNA and restriction enzyme implementation of Turing machines.
DNA Based Computers: Proceedings of the DIMACS Workshop. Princeton, 1995. P.95–119.
8. Yin P., Turberfield A., Sahu S., Reif J. Design of an autonomous DNA nano-mechanical
device capable of universal computation and universal translational motion. Tenth International
Meeting on DNA Computing. LNCS. 2005. V.3384. P.426–444.
9. Мальцев А.И. Алгоритмы и рекурсивные функции. М.:Наука, 1965.
10. Важенин Ю.М. Проблема равенства в неассоциативных кольцах // Алгебра и логика.
1991. T.30. N.1. C.17–27.
11. Dasgupta D. An overview of artificial immune systems and their applications. Artificial
immune systems and their applications, D.Dasgupta, Ed. Springer, 1999. P.3–21.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 11
2