DNA逻辑电路可能是医学的未来，这个程序降低了DNA逻辑电路的设计门槛

传统电子元件制造的雕刻技术将很快达到物理极限。计算机应对不同医学检测环境时，需要环境组件与计算组件进行连接，包括化学组件、生物组件。所以科学家亟须研发新的计算技术。

于是，科学家提出了一个巧妙的想法，以合成的脱氧核糖核酸(DNA)分子作为底物来存储信息，并利用DNA的分子扩增机制完成计算。然而，DNA计算项目的实际运算过程相当复杂；我们需要新工具在高层次结构上描述它们，并利用当前的计算资源设计替代方案。

南马托格罗索联邦大学(UFMS)计算学院的Renan Marks团队研发了一种名为DNAr-Logic 的算法系统。DNAr-Logic能够模拟概括，具有数百个反应的复杂数字逻辑电路。用户设计数字逻辑电路时，无需手动编写所有化学反应网络（Chemical reaction network ，CRN），更无需深入了解化学反应网络和 DNA 链置换技术（DNA Strand Displacement ，DSD）。

该研究于2021年3月29日以「Design and Test of Digital Logic DNA Systems」为题发布在《IEEE Design&Test》杂志。

化学反应网络 (CRN) 是，一组耦合的化学反应，如图1。每组反应都会对应一系列数学模型，程序编写非常复杂。

CRN示例

DNA 链置换 (DSD) 机制是，一种利用合成 DNA 分子链和短链 DNA 分子的相互作用进行编程的实验技术，如图2。

DSD仿真结果示例

编写化学反应网络 (CRN) 极其复杂，而且对于更大的系统（例如逻辑电路）来说非常容易出错。为了简化这个任务，该研究团队创建了 DNAr-Logic。它是 DNAr 数据库的软件扩展，由 R 语言编写，可以建设性地创建逻辑电路并模拟其行为，且无需深入了解化学或 DSD 机制。DNAr-Logic 扩展实现了使用 DNAr 工具构建更复杂电路所需的所有基本逻辑门。

JK-Flip-Flop示例

在了解 DNAr-Logic 之前，必须定义三个概念：信号、门和电路。信号是门使用的二进制值，通过使用两种不同的 DNA 物种来表示值（0和1）来定义；如图2中所展示，当溶液系统中存在X0时，X1不存在，反之亦然。门是接收一个或多个输入信号、处理它们并产生一个或多个输出信号的结构。电路包含信号和门，也可以与其他电路合并。这样，DNAr-Logic 中的所有电路都必须包含信号和门；它们作为逻辑电路连接，从而完成信息处理工作。

虽然在DNAr中，CRNs的描述没有任何语义，但DNAr逻辑将它们分组为信号、门和电路。因此，不需要手动编写每个逻辑元素的CRN，就能以概括性的方式构造整个电路。

4-bit Carry Look-a-head Adder示例

在该研究团队之前的工作中，他们介绍了使用 DNAr-Logic 实现的多数门和全加器；它们是计算机系统的重要逻辑电路。在本研究中，主要展示了DNAr-Logic处理具有数百个反应的更复杂电路的能力，完成了一个顺序运算（JK-Flip-Flop，如图3）和其他复杂组合运算（4-bit Carry Look-a-head Adder，4-bit CLA Adder，如图4）。运算结果显示，在 Intel Core i5-4440 CPU、3.10GHz、16 GiB RAM 和最新的 Linux Debian Sid（内核 5.7.15 版）的环境中，使用 4.0.2版本R 软件套件的条件下；4-bit CLA Adder 的实际解决反应数为 676，而 JK-Flip-Flop CRN 解决了 408 个反应。这些结果表明，该工具能够抽象和处理大型数字逻辑电路的项目和模拟，而无需手动编写所有化学反应网络。

文章作者曾表示：「未来的 DNA 计算机将比传统机器慢得多。模拟实验表明，该反应需要消耗比传统计算机3-4个数量级的时间才能收敛。需要强调的是，DNA 数字系统不会取代传统的数字电路。尽管如此，该工具依然是分子逻辑电路技术发展的进步，这应该会促进针对不同疾病的新医学治疗技术的发展。」

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9388701

参考内容：https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/dna-based-circuits-future-of-medicine-this-software-program-gets-us-there-faster

理论医学未来DNA逻辑电路