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Biomolecular implementation of a quasi sliding mode feedback controller based on DNA strand displacement reactions

机译:基于DNA链置换反应的准滑模反馈控制器的生物分子实现

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摘要

We show how an important class of nonlinearfeedback controllers can be designed using idealized abstractchemical reactions that can be implemented via DNA strand dis-placement (DSD) reactions. Exploitingchemical reaction networks(CRNs) as a programming language for the design of complexcircuits and networks, we show how a set of unimolecularand bimolecular reactions can be used to realize ultrasensitiveinput-output dynamics that produce a nonlinearquasi slidingmode(QSM) feedback controller. The kinetics of the requiredchemical reactions can then be implemented as enzyme-free,entropy-driven DNA reactions using DNA strand displacementvia Watson-Crick base pairing and branch migration. We demon-strate that the closed loop response of the nonlinear QSM con-troller outperforms a traditional linear controller by facilitatingmuch faster tracking response dynamics without introducingovershoots in the transient response. The resulting controller ishighly modular and is less affected by retroactivity effects thanstandard linear designs.
机译:我们展示了如何使用理想的抽象化学反应来设计一类重要的非线性反馈控制器,该化学反应可以通过DNA链置换(DSD)反应实现。利用化学反应网络(CRNs)作为设计复杂电路和网络的编程语言,我们展示了如何使用一组单分子和双分子反应来实现超灵敏的输入输出动力学,从而产生非线性准滑模(QSM)反馈控制器。然后,可以通过Watson-Crick碱基配对和分支迁移使用DNA链置换,将所需化学反应的动力学实现为无酶,熵驱动的DNA反应。我们证明了非线性QSM控制器的闭环响应优于传统的线性控制器,因为它促进了更快的跟踪响应动态,而不会在瞬态响应中引入过冲。最终的控制器是高度模块化的,与标准线性设计相比,其追溯性影响较小。

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