一种基于DNA链置换的竞争神经网络框架的制作方法
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。
技术实现要素：
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：
其中netn为输出值最大的神经元，netj为其他神经元；获胜神经元n的输出on为1，其他的神经元n的输出on为0。
进一步的，所述步骤s3还包括：将神经元构建的分子逻辑计算and、nand、or进行组合级联，实现分子逻辑器件xor。
进一步的，还包括构建基于神经元结构的半加法器逻辑电路，具体为：对原始的两个输入进行以神经元形式实现的分子逻辑and计算，得到和位s的输出，然后采用xor计算得到半加器的进位c。
本发明的有益效果是：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。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明基于两个神经元构建分子逻辑计算and的过程示意图；
图3为本发明基于两个神经元构建分子逻辑计算and的仿真图；
图4为本发明三人表决器的卡诺图；
图5为本发明三人表决器表示通过的仿真图；
图6为本发明三人表决器表示未通过的仿真图。
具体实施方式
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，权重门gate具有相同的结构，随机初始化权重使每个门对每组输入产生不同的反应；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；本实施例的and、or湮灭门的浓度分别是150、50，nand采用两个湮灭门，其浓度分别是150、200，在输入时如果输入的逻辑值为“1”，那么就是具体的浓度输入，否则输入的浓度值就是0；
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与生成的链进行抵消，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
将神经元构建的分子逻辑计算and、nand、or进行组合级联，第一层是and和nand，第二层是or，将第一层的输出结果作为第二层的输入，如此便可用竞争神经网络解决了线性不可分的xor问题，实现分子逻辑器件xor；
构建基于神经元结构的半加法器逻辑电路，具体为：对原始的两个输入进行以神经元形式实现的分子逻辑and计算，得到和位s的输出，然后采用xor计算得到半加器的进位c；
s4：构建三人表决器，其准则如下：
其中netn为输出值最大的神经元，netj为其他神经元；获胜神经元n的输出on为1，其他的神经元n的输出on为0；
其遵守“少数服从多数”的规则，如附图4、5、6所示abc为三人的意见，按键同意为逻辑“1”，不同意为逻辑“0”，l表示表决器的结果，事件通过为逻辑“1”，事件未通过为逻辑“0”，应用三人表决器的节目的规则是只有当两个人及两个以上支持时(支持代表输入为1)，则表示选手晋级(晋级用1表示)；否则对选手进行淘汰(输出为0)，其逻辑式为：
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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