6、自然计算与系统模拟：从分子机器人到细胞信号建模

自然计算与系统模拟：从分子机器人到细胞信号建模

在科技不断发展的今天，自然计算与系统模拟的研究正不断为我们揭示自然现象背后的奥秘。下面将为大家详细介绍自然计算中的相关概念、模型及模拟实验。

1. 自然计算与“驾驭”概念

自然计算旨在从计算的角度去理解自然。要理解自然现象，需精确界定所有相关元素和相互作用，然而人类几乎不可能掌握所有所需知识。就像在牧羊活动中，虽运用了计算，但我们无法知晓羊的所有信息，比如它们的交流方式。不过，羊有群居且跟随首领的习性，牧羊人或牧羊犬可通过威慑来控制羊群，这种策略被称为“驾驭”。

“驾驭”是一系列可修改以改变羊行为的指令，可看作一种计算算法，但它与传统算法不同，传统算法需精确了解所有相关元素和相互作用，而“驾驭”无需如此，它能在不了解所有细节的情况下控制自然系统。当“驾驭”应用于自然系统时，可能产生预期或非预期效果，改变系统行为。

2. 抽象重写系统（ARMS）

ARMS是一种基于计算代数和物理化学的人工化学模型。它可表示为化学主方程（CME）的表达式，通过连续近似还能得到确定性的反应速率方程（RRE）。

ARMS的基本构成是Γ = (A, w, R) ，其中：
- A是对象集合。
- w是多重集。
- R是重写规则集合。

重写规则r可表示为r = s → u ，应用规则到多重集w会产生新的多重集w′ = w - s + u 。

3. 自然系统模拟

3.1 贝洛索夫 - 扎博廷斯基反应

该反应呈现出复杂行为，如周期性和混沌的时间振荡等。其抽象化学方案规则如下：