化学操作的图灵机的制作方法【专利说明】化学操作的图灵机发明领域[0001]本公开涉及化学操作的图灵机（Turingmachine)。[0002]置量[0003]通用图灵机在1936年由爱伦图灵设计。期望它模仿数学家的铅笔和纸操作(pencil-and-paperoperation)。图灵机是一种计算模型，或通过一些也称作机器的"程序"的算法代表和进行给定计算的方式。图灵机在数学上和逻辑上与许多其它计算模型，如元胞自动机、神经网络和数字计算机等同。因为没有计算模型较图灵机更强大，所以当问题被称作"可计算的"时考虑使所意指的具体化。换言之，可写出算法的任何事都可由图灵机计算。图灵机已推进了关于计算的性质和极限的许多重要思想和原理的证明，如停机问题的不可判定性和不可计算的函数的存在。[0004]虽然图灵机可被构建以执行任何可想象的的特定算法，但是建造解决每个新问题的物理机器是不实际的。幸运地，图灵机可被构建，其将来自另一个图灵机的描述和数据带作为输入，并在它自己的带上模拟那个图灵机。这样的图灵机称作通用图灵机（UTM)。个人计算机是良好地近似通用图灵机，因为它们运行的程序是特定算法和因此是特定图灵机的描述。然而，个人计算机不及UTM，因为它们的存储器不能在每当需要更多存储的时候被扩展。因此本领域存在对克服例如个人计算机的缺点并更密切地近似UTM的图灵机的需求。[0005][0006]发明的第一方面是基于振荡化学反应的图灵机，该图灵机包括反应器，其包括包含反应物的反应物溶液；第一化学物质源，其提供选择量的第一化学物质；第二化学物质源，其提供选择量的第二化学物质；一个或多个控制器，其经连接以响应输入而控制来自第一和第二化学物质源的第一和第二化学物质的添加；和一个或多个传感器，其经安置以当控制器控制第一和第二化学物质源将选择量的各自第一和第二化学物质加入反应器时感测反应物中的变化，其中控制器接收对应于反应物状况的信号并将反应物的状况与作为输入函数计算的结果相关联。[0007]发明的第二方面是如第一方面所限定的图灵机，其进一步包括将输入提供给控制器的带。[0008]发明的第三方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中反应物变化的一个或多个传感器包括氧化还原传感器、PH传感器、温度传感器、压力传感器、紫外-可见光传感器或其组合。[0009]发明的第四方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中第一化学物质包括氧化剂，以及第二化学物质包括还原剂。[0010]发明的第五方面是第四方面的图灵机，其中氧化剂是溴酸根离子。[0011]发明的第六方面是如发明的第四方面所限定的图灵机，其中还原剂是丙二酸。[0012]发明的第七方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中反应器是连续搅拌的罐式反应器。[0013]发明的第八方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中传感器包括分光计，其适合周期性地检测反应物溶液的颜色变化。[0014]发明的第九方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中第一化学物质源和/或第二化学物质源包括滴定管或注射栗。[0015]发明的第十方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中反应物包括能达到亚稳态（metastablestates)或振荡状态的化合物。[0016]发明的第十一方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中反应物包括过渡金属络合物。[0017]发明的第十二方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中过渡金属络合物是钌络合物、铈络合物、铁络合物或钴络合物。[0018]发明的第十三方面是如发明的十二方面所限定的图灵机，其中钌络合物是三（二吡啶）钌（II)络合物。[0019]发明的第十四方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中，如上所限定的图灵机的输入包括括弧或括弧串。[0020]发明的第十五方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机，其中所述图灵机是括弧检验器。[0021]发明的第十六方面是如先前方面中任何一个所限定的图灵机作为可编程化学计算机的中央处理单元的元件的应用。[0022]发明的第十七方面是可编程化学计算机的中央处理单元，其包括如先前方面中任何一个所限定的一个或多个图灵机，或其适当的变型。[0023]发明的第十八方面是包括中央处理单元的可编程化学计算机，所述中央处理单元包括如先前方面中任何一个所限定的一个或多个图灵机，或其适当的变型。[0024]发明的第十九方面是操作基于振荡化学反应的化学图灵机的方法，该图灵机包括反应器，该反应器包括包含反应物的反应物溶液；将输入提供给控制器，所述控制器经连接以响应输入而控制来自第一和第二化学物质源的第一和第二化学物质的添加；和当控制器控制第一和第二化学物质源以将选择量的各自第一和第二化学物质加入反应器时感测反应器中的变化，其中控制器接收对应反应物状态的信号；和将反应物的状态与作为输入函数计算的结果相关联。[0025]附图简沐[0026]图1是根据示例实施方式的有限状态机（FSM)的示意图示。[0027]图2和3是诺谟图（nomographs)(即，预校准的图，针对其比较发生的计算结果和解释的结果）。[0028]图4是根据示例实施方式的FSM(有限状态机）的示意图示。[0029]图5A和5B是本发明实施方式的化学操作的图灵机的标准示意逻辑图示，其包括输入带和头；逻辑计数器带和头；定位器带和头；和输出带和头。[0030]图6和7是诺谟图。[0031]详细描沐[0032]本公开呈现化学操作的图灵机的实施方式的设计、实现和操作。在一些实施方式中，化学操作的图灵机组合潜在地无限的输入带和利用化学反应的有限状态机（FSM)。在一些实施方式中，一旦输入带中的信息已进入本发明的实施方式的化学操作的图灵机，本发明的实施方式的化学操作的图灵机就将化学能（即，化学反应）用于其操作中涉及的所有特征，包括其逻辑状态转换，并且在其逻辑操作过程期间不需要任何机械的、电的、电子的或任何其它形式的外部介入。[0033]在一些实施方式中，有限状态机基于贝洛索夫（Belousov/Zhabotinsky)(B/Z)反应的多状态半间歇式或间歇式（例如，间歇流动）或连续搅拌的罐式反应器（CSTR)版的众所周知和广泛记载的性质的状态动力学。在该实施方式中，信息通过输入带进入机器的"字母表"（例如，两成员字母表或两字母字母表）基于两字母或两符号字母表，因为它对应两种不同的化学物质的添加。取决于预定量的两种不同的化学物质加入反应器一一该反应器包括包含反应物（例如，水溶液中）的反应物溶液--的具体顺序，B/Z反应被驱动成有限数目的离散状态。这些状态然后被感测/检测并可被解释为响应输入带提供的刺激/输入的特定的有序排列，化学操作的图灵机进行的"计算"的结果。用于化学操作的图灵机的操作的能源是计算期间发生的化学反应中消耗的化学能。[0034]在一些实施方式中，信息进入本文描述的化学操作的图灵机的输入带"的字母表"包括左括弧"和右括弧在这样的实施方式中，如本文描述的化学操作的图灵机可被配置为基本的"括弧检验器"以决定左和右括弧的排列是否是良好地形成，即，如果对于排列中的每一个左括弧存在对应的右括弧。事实上，在一些实施方式中，化学操作的图灵机是20世纪50年代Minsky构建的一般规范的括弧检验器的化学概括。参见，例如，Minsky1967，计算：有限和无限机，PrenticeHall。Minsky的机器众所周知是最简单的图灵机之一。迄今为止这样的机器已基于机械学、电子学和理论上利用具有已知化学性质的酶而被构建，但是它们从基本原理的实际物理或化学实施尚未被实现。像Minsky的机器从来没有利用化学装置被设计和实现；即，没有利用或参考现存的活的系统的化学，并在它的功能性、操作、设计和构建方面由设计者完全控制。[0035]本发明的实施方式的化学操作的图灵机是任何无机（例如，不依赖现存的生命）系统中进行的化学计算的构思的实际实现，并基于振荡化学反应。它的原理是通用的并可扩展到例如任何无机化学系统或任何有机金属化学系统。本发明的实施方式的化学操作的图灵机打开了化学编程和化学操作并具有以完全自主的方式执行预编程的功能、进行操作和处理信息的能力的基于化学的计算机的构建之路。这样的基于化学的计算机可以有能力以这样的方式对化学刺激化学地反应：结果是有序的化学响应，独特地与输入带上的刺激相关，是通过一些有效程序（即，算法）的化学实现的结果。[0036]然而，本发明的实施方式的化学操作的图灵机不限于无机化学。它是通用的构建物，因此它还可在天然存在的和合成的生物化学系统中执行。这是如此，只要生物化学系统是振荡的并具有至少两个底物或一个底物和行为能像底物一样的另外物质用于振荡目的。需要化学的振荡性质以应对本发明的一些实施方式的图灵机执行的程序（或算法）中非线性的存在。在图灵机的非化学执行中这是通过ON-OFF开关进行的，如继电器，其适当地互联，提供作为幂级数展开的程序中的非线性的展开（Shannon1940,ASymbolicAnalysisofRelaysandSwitchingCircuits,M.Sc.Thesis,MIT；Lloyd1992,Phys.Lett.A167255-260。在本发明的各种实施方式的化学操作的图灵机中，这通过利用傅里叶级数的非线性展开代替进行的。化学中的振荡为是傅里叶级数中展开的基础的正弦和余弦函数提供元素。振荡反应需要至少两个底物（或一个底物和行为像底物一样的另外物质，用于振荡目）似乎是因为为字母表提供"字母"的必要性，在字母表中问题（例如左和右括弧的任意排列）提交给本发明的各种实施方式的化学操作的图灵机。实际上两字母字母表是需要表达，或许在编撰的版本中，任意长度的任何消息的最小长度的字母表。[0037]因此，本发明的各种实施方式的化学操作的图灵机不依赖于性质或起源或特定化学。无机和有机的，并且在任一情况中，合成或天然的将运转机器。只要利用振荡化学反应一一其中存在两个底物（或一个底物和行为像底物一样的另外物质，用于振荡目的），实现对具有本领域知识的任何人都是可能的。两个底物振荡器可基于合成的有机振荡器或生物振荡器（如在转录调节子的合成网络的情况中（Elowitz和Liebler2000,Nature403:335-338)中或有机化学和现存的天然生物化学（如在糖分解振荡情况中（Sel'kov1968，EuropeanJ.Biochem.4:79_86;HessandBoiteaux1971，AnnuRevBiochem.40:237-258；Chance,PyejGhoshandHess1973,BiologicalandBiochemicalOscillators(AcademicPress)；NovakandTyson2008,NatRevMolCellBiol.12:981-991)中的无机化学（如在贝洛索夫（Belousov-Zhabotinsky)反应的情况中）。_[0038]"生物振荡器"的一个实例由光致发光酶磷酸果糖激酶（PFK)提供，例如Tyson2002,BiochemicalOscillations,inFall,Marland,Wagner,Tyson,eds.,ComputationalCellBiology(Springer-Verlag)230-260,其磷酸化果糖-6-磷酸以产生果糖-I,6-二磷酸，三磷酸腺苷（ATP)作为磷酸盐供体。在醣酵解中ATP是PFK的底物和抑制剂，而反应产物腺苷二磷酸（ADP)还是酶的激活剂。在该发明的实施方式的化学操作的图灵机中ADP将类似于第一化学物质，而ATP将类似于第二化学物质。此外，不是像在贝洛索夫无机实施方式中所做的监测反当前第1页1 2 3 4 5