基于Belousov-Zhabotinsky反应的化学计算研究

摘要

化学计算是非传统计算研究中十分重要的组成部分，它通过带有一定几何结构的化学介质来处理信息。化学振荡反应Belousov-Zhabotinsky(BZ)反应可以用来描述这种化学介质的性质，它可以产生随时间呈周期性变化的化学波图案。通过利用化学波的有无来编码信息，使用不同几何结构的化学介质就可以实现不同的信息处理功能。
　　本文基于BZ反应模型，系统地设计了数字比较器的结构、实现了反馈控制机制和图灵机的功能，具体内容如下。
　　本文采用矩形通道结构融合比较信息，结合已有的一些经典通道结构（化学二极管、T型结构），系统地设计了化学数字比较器的结构，实现了二进制数据比较的功能。而且基于两种不同构型的三位数字比较器的结构，提出了嵌套式和级联式两种可以实现多位数字比较器的结构拓展方式。
　　本文结合数字比较器的结构和已有的经典通道结构（化学二极管、渗透结构），实现了全反馈控制机制。并且基于系统输出结果之间存在抑制作用的思想，通过弓形抑制结构实现了一种半反馈控制机制。在这种半反馈控制机制中，弓形抑制结构的数量和分布情况决定了系统输出的最终稳定结果和衰减过程。
　　本文结合存储环的结构和 T型结构，实现了图灵机的读写功能，能够执行信息的写入、读出、存储和清除操作。并且在图灵机读写功能结构的基础上，结合数字比较器的结构，实现了基于匹配策略的给定字符串的识别功能和含特定字符组合的字符串的识别功能，同时结合渗透结构得到了能够体现纯0字符串和纯1字符串语法规则的识别结构。最后结合存储环结构、T型结构、渗透结构和由连续渗透结构形成的延时结构，本文设计了具有固定时钟周期（T=373）的图灵机加法器的结构，从而实现了图灵机的计算功能。
　　本文设计的所有结构的有效性都进行了充分的仿真验证，我们相信化学数字比较器、化学反馈控制机制以及化学图灵机的实现，对于化学计算领域的发展和化学计算机系统的实现都具有十分重要的意义。

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第一章 绪论

第一节 化学计算研究背景

第二节 化学计算研究现状

第三节 本文的主要工作及章节安排

第二章 基于BZ反应的数字比较器的结构设计与仿真验证

第一节 BZ反应模型

第二节 一位数字比较器的结构设计与仿真验证

第三节 二位数字比较器的结构设计与仿真验证

第四节 三位数字比较器的结构设计与仿真验证

第五节 本章小结

第三章 基于BZ反应的反馈控制机制的结构设计与仿真验证

第一节 全反馈控制机制的实现与仿真验证

第二节 半反馈控制机制的实现与仿真验证

第四节 本章小结

第四章 基于BZ反应的图灵机的功能实现与仿真验证

第一节 化学图灵机读写功能的实现

第二节 化学图灵机识别功能的实现

第三节 化学图灵机计算功能的实现

第四节 本章小结

第五章 结论与展望

第一节 结论

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、学术论文与研究成果