9、分子机器人的系统化技术：从凝胶自动机到液滴微流控

分子机器人的系统化技术：从凝胶自动机到液滴微流控

1. 凝胶自动机基础

1.1 细胞状态与反应系统

在凝胶自动机中，细胞状态由细胞反应溶液的状态实现。这意味着溶液需包含具有多个稳定状态的化学反应系统，在每个稳定状态下高浓度产生的分子可作为信号分子。不过，实现这样的反应系统并非易事。例如，可以使用PEN DNA工具箱来构建具有多个稳定状态的反应系统，包括双稳态开关。一般来说，细胞状态数量越少，凝胶自动机的可行性越高，且细胞间的转换应尽量简单，分支转换较少的凝胶自动机更易实现。

1.2 计算通用性

研究表明，满足整体性的异步细胞自动机是图灵完备的，即具有通用计算能力。也就是说，在满足整体性的异步细胞自动机下，通过设置适当的初始模式可以模拟任何图灵机。此外，满足布尔整体性且进一步满足非伪装条件的细胞自动机同样具有通用计算能力。这里细胞的晶格空间是二维的，采用的是冯·诺依曼邻域。

1.3 与分布式算法的关联

虽然上述关于计算通用性的结果描述了凝胶自动机在计算和信息处理方面的理论可能性，但未指明其现实前景。细胞自动机最初的灵感来源于多细胞生物的各种现象，如个体发育、形态发生、自我更新和自我修复等，它是作为一种能够重现这些现象的离散模型被提出的。因此，从这个方向探索凝胶自动机的可能性是合理的。

以解决迷宫问题的凝胶自动机为例，其中的细胞有蓝色和红色两种状态。当一个红色细胞的冯·诺依曼邻域中有三个蓝色细胞时，该红色细胞会转变为蓝色。红色状态会以树状扩散来解决迷宫问题，最终只有一条由红色状态组成的路径连接入口和出口。这是凝胶自动机形成图案的一个具体例子。

在并行和分布式计算领域，研究了