Prírodou inšpirované algoritmy

Experimentálne výsledky

Brána OR(x,y,z)

Na tomto obrázku je systém, ktorý realizuje geometriu korešpondujúcu s OR(x,y,z) bránou. Oblasti obsahujúce katalyzátory vyzerajú ako tmavé obdĺžníkové regióny na pozadí membrány bez katalyzátorov. Brána má štyri vstupné kanály vľavo: 1, x, y, z a dva výstupné kanály na pravo. Vstup (x,y,z) v danom čase je reprezentovaný vygenerovaním alebo nevygenerovaním vlny, tomu odpovedá hodnota true(1), alebo false(0). Je tu ešte jeden "časový" vstup, ktorý slúži na synchronizáciu vstupov. Ak je ten true(1), tak nastáva iniciácia všetkých vstupov s hodnotou true(1). Vyžaduje sa zabezpečiť výstup aj keď je tento vstup false(0). Výstup je definovaný ako true alebo false, respektíve sú to synchrónne alebo asynchrónne vlnami vystupujúce dvoma kanálmi napravo. Výstup je monitorovaný ako funkcia času sumovaním intenzít z 5 x 5 pixelové okno (0.2 mm²) pre oba výstupné kanály. Pri tejto reprezentácií, hodnoty true a false korešpondujú s jedným alebo dvoma maximálnymi signálmi. Časový sled ukazuje výstupné signály z brány, ktoré korešpondujú so vstupmi.

Časový sled výstupov brány OR(x,y,z)

Operácia vykonaná na OR(x,y,z) bráne je zobrazená prekrývajúcimi sa zábermi zrodenia vlny zo vstupného kanálu 1, zobrazené na obrázku: "brána OR(x,y,z)". V tomto príklade, vstup (x,y,z)=(0,0,0) nám dáva asynchrónne vlny na výstupných kanáloch korešpondujúci s výstupom fasle(0) ako zobrazuje predchádzajúci obrázok. Každá s ostatných siedmych vstupných možnosti nám dáva synchrónne vlny na výstupných kanáloch, s ktorých dve ((1,1,1),(0,1,0)) sú zobrazené na predchádzajúcom obrázku. Tieto vstupy korešpondujú so výstupmi s hodnotou true(1).

Brána AND[OR(w,x),OR(y,z)]

(video 83 kB)

Realizácia logických brán z nutne geometrických excitovaných médií nie je obmedzená iba na jednoduchú OR operáciu. Predchádzajúci obrázok zobrazuje nastavenia, ktoré vyhovujú bráne korešpondujúcej s AND[OR(w,x),OR(y,z)] pre 16 možných vstupných kombinácií z (x,y,z,w). Prekrývané zábery zobrazujú vstup (1,1,0,0). Druhý OR pre tento vstup je false a preto celkový výstup bude takisto false, s asynchrónnymi vlnami na výstupných kanáloch. Časový sled na nasledujúcom obrázku ukazuje príklady šiestich výstupných signálov korešpondujúcich so vstupným vektorom.

Časový sled výstupov brány AND[OR(w,x),OR(y,z)]

Brána OR[z,AND[x,NOT(y)]]

Aj s veľmi jednoduchými geometriami vieme dosiahnuť veľmi komplexné logické operácie, ako OR[z,AND[x,NOT(y)]] bránu zobrazenú na predchádzajúcom obrázku. Pretože vstup z má rovnako dlhé spojenia na výstupné kanály, preto je výstup vždy true ak vlna je iniciovaná v z. V štyroch možných prípadoch keď z je false, tak iba pri jednej kombinácií vie generovať symetrické vybudenie na výstupných kanáloch. Táto kombinácia je (x,y,z)=(1,0,0) a korešponduje s evolúciou vlny zobrazenej na predchádzajúcom obrázku. Časový sled ilustrujúci symetrický signál pre túto kombináciu, spolu s príkladom signálov pre päť ďalších kombinácií je zobrazené na nasledujúcom obrázku.

Časový sled pre bránu OR[z,AND[x,NOT(y)]]

Mnoho ďalších brán môže byť navrhnutý tak, že budú mať funkcie určené geometriou domén naplnených katalyzátormi. Toto priblíženie takisto môže byť rozširujúce pre kapacitu brán na riešenie rôznych úloh. Funkcia brány môže byť podstatne zmenená otváraním a zatváraním strategicky umiestnených ciest v excitovanej sieti.

Brána XNOR(x,z)

(video 351 kB)

Predchádzajúci obrázok ukazuje systém, v ktorom malá platinová elektróda bola umiestnená pod centrálne dvere, spojenie dvoch obdĺžnikovitých oblastí. Šírenie vlny v tejto oblasti sa ľahko potlačilo aplikovaním negatívneho potenciálu na elektródu na cca 15 sekúnd. Geometria brány so zavretými kanálmi dáva true výstupy pre (x,y,z)={(0,0,0),(1,0,1), (0,1,0), (1,1,1)}, tieto zabezpečujú rozpoznávanie vzorov pri kombinácií symetrických vstupov. Predchádzajúci obrázok ukazuje evolúciu vlny pre (x,y,z)-(1,1,0) a obrázok

Časový sled výstupov brány XNOR(x,z)

zobrazuje výsledky výstupných signálov z kombinácie dvoch symetrických a dvoch asymetrických vstupov.

Spomalenie šírenia vlny je vykonané cez elektródu a je to vratný dej. Tento proces aplikuje možné výsledky v elektrochemickej reakcii, ktorá tlmi šírenie vlny pomocou znižovania lokálnej excitability média. Šírenie čerstvých reaktantov do regiónu zabezpečuje obnovovací mechanizmus. Ten zmení zloženie na pôvodné a vlny sa budú môcť opäť šíriť cez kanál.

Brána XNOR(x,z)

(video 480 kB)

Predchádzajúci obrázok ukazuje správanie keď dvere sú otvorené a brána dáva výstupy true pre vstupy (1,1,0) a (0,1,1). Evolúcia vlny pre vstup (1,1,0) je zobrazená na prechádzajúcom obrázku a nasledujúci obrázok ukazuje príklady výstupných signálov.

Časový sled výstupných signálov brány XNOR(x,z)