DNA神经网罗是一种基于软物资和生物物资的新式神经网罗，这一观点支配了DNA自然的存储信息能力，将其用于构建东说念主工神经网罗。近来swag 肛交，随着DNA狡计时刻的杰出，揣摸东说念主员运行探索将DNA应用于神经网罗，以期找到传统电路基础结束除外的替代有贪图。
这种方法的进犯性在于，DNA神经网罗不仅提供了一种新的信息处理情势，还在生物医学等范畴具有高大的应用后劲。举例，在会诊和挽救遗传病时，DNA神经网罗省略平直处理生物样本，大大简化了操作进程。此外，DNA的并行狡计能力和极高的存储密度为科罚复杂狡计问题提供了新的可能。
近日，arXiv 发表的时刻章节《Neural networks consisting of DNA》由Michael te Vrugt撰写，收录于行将刊行的《东说念主工智能与智能物资》一书（Springer出书社，Cham，2025年）。Michael te Vrugt是德国好意思因茨约翰内斯古腾堡大学物理揣摸所的揣摸东说念主员，他专注于东说念主工智能和智能物资的揣摸，通过这篇著作，他向莫得生逝世学配景的读者先容了DNA神经网罗的基本观点和结束方法。
了解DNA神经网罗的基础，将匡助咱们更好地勾通这一新兴范畴的出路和应用后劲。在接下来的内容中，咱们将随着揣摸作家深刻探讨DNA狡计的基甘愿趣、DNA神经网罗的构建方法以及这种时刻在本色应用中的优污点。
关系责任
频年来，随着时刻的赶紧发展，揣摸东说念主员运行探索将机器学习方法应用于物理系统。这些责任辛劳于于将狡计的详细观点移动为物理结束，从而开辟了新的应用范畴。传统上，机器学习算法依赖于电子、磁性或光子系统进行信息处理。可是，随着时刻的杰出，科学家们渐渐相识到软物资和生物物资在物理神经网罗中的后劲。
智能物资这一观点与物理神经网罗密切关系。智能物资是指省略自行组织、处理信息并反映环境变化的材料。物理神经网罗则鉴戒了生物大脑的责任旨趣，将这些材料应用于信息处理。考虑到大脑自己即是一种软物资系统，使用软物资和生物物资构建神经网罗显得自可是合理。
在这些新兴材料中，DNA因其特有的性质脱颖而出，成为信息载体的理思遴荐。DNA不仅具有极高的信息存储密度，而且其分子结构允许进行复杂的狡计操作。DNA看成信息载体的优胜性在于其自然进化而成的存储和处理信息的能力。此外，DNA狡计的并行性和能效上风，使其在科罚复杂狡计问题和节能方面发达出色。频年来，揣摸东说念主员运行尝试将DNA用于神经网罗构建，取得了初步后果。
生逝世学基础
DNA，或脱氧核糖核酸，是一种捎带遗传信息的生物大分子。它的基本结构由长链分子组成，这些链由很多重迭的单位（单体）组成。DNA的单体称为核苷酸，每个核苷酸由三个部分组成：一个磷酸基团，一个脱氧核糖（糖分子），和一个碱基。四种碱基区别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。在DNA分子中，核苷酸通过磷酸二酯键勾通成链，两条这么的链通过碱基配对酿成双螺旋结构。
碱基配对是DNA结构和功能的要津场所。在DNA双螺旋中，A老是与T配对，C老是与G配对，这些碱基通过氢键结合。由于这种特定的配对章程，一条链上的碱基序列不错信托另一条链上的序列，即两条链是互补的。举例，如若一条链上的序列是ACCGAT，那么它的互补链上的序列即是TGGCCTA。
DNA在卵白质合成中饰演了至关进犯的变装，这个过程包括两个主要门径：转录和翻译。领先，转录过程中，DNA的一部分被复制成信使RNA（mRNA）。RNA与DNA访佛，但往往是单链结构，且使用核糖而非脱氧核糖，况且用尿嘧啶（U）替代胸腺嘧啶（T）看成与腺嘌呤（A）配对的碱基。随后，在核糖体中，mRNA被翻译成卵白质。基因密码由三核苷酸序列组成，每个三核苷酸对应一个特定的氨基酸。举例，序列UUC编码苯丙氨酸，序列AGG编码精氨酸。通过这种情势，mRNA的序列指挥核糖体怎样将氨基酸勾通成特定的卵白质。
这种遗传信息的流动，即从DNA到RNA再到卵白质，被称为分子生物学的中心顺次。DNA不单是是遗传信息的存储库，它通过精准的分子机制限制生物体的助长、发育和功能，这亦然将其应用于东说念主工神经网罗的后劲场所。
DNA狡计
DNA狡计的历史不错追念到1994年，其时Adleman收效地使用DNA科罚了“有向哈密顿旅途问题”，这是一类经典的狡计机科学清贫。这个问题旨在找到一个旅途，该旅途窥伺每个节点仅一次。Adleman支配DNA狡计的并行性，仅通过线性门径增长科罚了这个问题，这是传统狡计方法无法企及的效力。
优点方面，DNA狡计的并行性尤为隆起。DNA狡计机省略同期扩充遍及任务，性能远超当代超等狡计机。举例，Adleman的DNA狡计机仍是达到了每秒100万亿次浮点运算的性能。数据存储效力亦然DNA狡计的上风之一。DNA的存储密度极高，仅需一个立方纳米就能存储一个比特的信息。到2025年，东说念主类产生的所罕有据齐能在一个乒乓球大小的DNA内存中存储。另一个显赫的优点是能量效力。DNA狡计机基于化学反应，不需要电力，与传统狡计机比较，能耗极低。
可是，DNA狡计也存在一些显赫的污点。其准确性是一个挑战，生化过程容易出错，瑕疵概率随操作数目加多而指数增长。此外，DNA狡计机的操作也相对复杂，需要分子生物学的常识和生化实验的操作手段，大多数门径齐需要东说念主工干扰。
胜者为王狡计
胜者为王狡计是一种基于竞争机制的狡计方法。在这种方法中，神经元互相竞争，通过防止其他神经元并激活我方，从而确保惟有输入最大的神经元保合手活跃，而其他神经元则变得不活跃。这种狡计方法在神经网罗顶用于勾通倒数第二层和最终层，通过遴荐具有最大输入的神经元来生成输出。
在DNA系统中结束胜者为王狡计触及将化学反应与DNA链相结合。具体而言，支配催化轮回和燃料链，输入信号与权重矩阵结合生成输出信号。DNA链通过结合和置换，结束了访佛于传统神经网罗中的矩阵乘法和非线性函数。在这种配置中，DNA门阐述了要津作用，通过趾柄介导的链置换，使得输入信号省略替换输出信号，从而结束狡计。
在模式识别任务中，胜者为王狡计具有进犯应用。以手写数字识别为例，DNA神经网罗省略通过编码图像像素为DNA链，并支配化学反应处理这些信号，来识别图像中的数字。通过这种方法，DNA神经网罗不错收效地识别手写数字，这是东说念主工神经网罗的规范基准任务。尽管DNA神经网罗在手写数字识别方面并非最有用的遴荐，但其特有的方法展示了DNA狡计在模式识别中的后劲，也为生物医学等范畴的应用提供了新的可能。
DNA门
趾柄介导的链置换时刻是DNA狡计和DNA神经网罗中的一个要津时刻。该时刻触及单链DNA（输入）和双链DNA（门和输出）。双链DNA中的一条链（门）具有一个隆起的趾柄区域，输入链不错与其结合。通过链迁徙（链置换），输入链渐渐取代输出链，使得输出链被开释。反应的肇端几率与趾柄的长度揣摸，趾柄越长，反应速率越快。
在结束DNA门的方法中，跷跷板门是一种典型的方法。跷跷板门不仅包括输入和输出链，还触及燃料链。当输入链结合到门时，输出链被开释，而输入链也会被燃料链置换，使其不错再次参与反应，从而使少许的输入链不错触发遍及的输出链，燃料链在这个过程中充任催化剂的变装。
这种时刻在DNA神经网罗中的应用颠倒进犯。通过趾柄介导的链置换，DNA神经网罗不错结束多样狡计操作，举例矩阵乘法和非线性函数的结束。在模式识别任务中，举例手写数字识别，DNA神经网罗通过编码图像像素为DNA链，支配这些化学反应处理输入信号，生成输出驱散。这一过程不仅展示了DNA狡计的后劲，也为异日智能物资的发展提供了新的旅途。通过应用趾柄介导的链置换时刻，DNA神经网罗省略高效地处理复杂的狡计任务，为咱们提供了一个探索新式信息处理情势的窗口。
图1：趾柄介导的可视化。
DNA神经网罗
在DNA神经网罗中，将手写数字编码为DNA链是第一步。举例，一个由九个像素组成的字母L的图像不错用九种不同的DNA分子来示意，每个像素对应一个DNA分子。在这个例子中，像素A1、B1、C1、C2和C3是玄色的，不错用相应的DNA分子来编码。这种方法使得DNA分子成为图像的输入信号，通事后续的化学反应进行处理。
图2：将手写字母（L）看成DNA面容的输入信号输入系统。这九个像素由九个不同的DNA分子示意。L通过A1、B1、C1、C2和C3的存在进行编码。
在DNA神经网罗中，化学反应被用来结束矩阵乘法和非线性函数。输入信号与权重矩阵结合，通过催化轮回生成输出信号。这个过程支配了DNA分子的特质，通过燃料链和输入链的反应，模拟了神经网罗中的矩阵乘法操作。具体而言，输入链与门分子结合，开释坐褥物分子，然后燃料链再将输入链置换，使其省略络续参与反应，从而结束矩阵乘法。
非线性函数的结束通过撤消反应和信号规复反应来完成。在这个过程中，DNA链之间的反应决定了最终的输出信号。举例，两个DNA链结合到一个撤消分子上，会生成两个废料分子，这些废料分子不可再参与后续反应。经过一段时辰后，惟有浓度最大的DNA链会保留住来，剩下的DNA链会被撤消。信号规复反应则确保剩下的DNA链省略生成饱和的输出信号，从而结束非线性函数的操作。
这种DNA神经网罗在手写数字识别中具有本色应用。举例，DNA神经网罗不错通过将手写数字的图像像素编码为DNA链，并支配化学反应处理这些输入信号，识别图像中的数字。通过这种方法，DNA神经网罗收效地结束了手写数字识别任务，展示了其在模式识别中的后劲。
这种方法不仅展示了DNA看成信息处理引子的高大后劲，也为异日智能物资的发展提供了新的标的。通过将DNA链编码和化学反应相结合，DNA神经网罗省略高效地处理复杂的狡计任务，为咱们提供了一个探索新式信息处理情势的契机。
DNA储层狡计
DNA储层狡计是一种新颖的机器学习方法，支配动态系统（储层）的反映来进行狡计。在储层狡计中，输入信号驱动动态系统，系统的反映被用作神经网罗单层（读取层）的输入。读取层是系统中独一在测验过程中会变化的部分，因此储层自己无需改变。这使得储层不错是物理系统，举例由DNA组成的系统。
通过化学轰动器网罗结束储层狡计是一种有用的方法。Goudarzi等东说念主在表面揣摸中冷落了一种支配耦合化学轰动器的DNA网罗看成储层的有贪图。这种网罗由微流控腔室内不同互相作用的DNA物种组成。底物分子过问反应腔，与门分子结合，被移动为产物分子。产物分子的存在防止了底物和门的反应，况且产物分子以一定速率流出腔室，从而酿成反应-防止轮回，导致产物浓度的合手续轰动。
巨乳 乳首在这种系统中，底物的流入速率被用作输入层，储层情状由多样物资的浓度示意，至极是产物的浓度。为了读取储层情状，不错使用荧光探针。这些探针省略检测特定产物的浓度，并将其移动为可测量的荧光信号。已知的产物浓度然后被输入到读取层，该层不错在狡计机上结束，并通过线性记忆进行测验。通过这种情势，统共这个词神经网罗由微流控DNA腔室和单层神经网罗组成，收受输入信号并复返输出信号。
优污点分析
DNA神经网罗在某些特定应用中展示了显赫的上风和特有的后劲。从适用性和并行性方面来看，DNA神经网罗至极适用于生物医学范畴。在这种应用中，输入信号相似以DNA链或生物分子的面容存在。DNA神经网罗省略平直处理这些信号，大大简化了操作进程。举例，识别遗传病基因的网罗不错平直使用患者的DNA样本进行分析，而无需进行繁琐的信号移动。
此外，DNA神经网罗的速率可调是其另一大上风。化学反应速率不错通过调整趾柄长度进行限制，这使得DNA神经网罗在处理需要与输入信号速率匹配的任务（如语音识别）时发达出色。这种天真性使得DNA神经网罗省略符合不同的应用场景，凭据具体需求进行调整。
教训意旨亦然DNA神经网罗的一个进犯上风。由于其架构相对简便，学生不错通过揣摸DNA神经网罗，直不雅地勾通东说念主工智能的基本观点和责任旨趣。通过这种情势，DNA神经网罗不仅在本质中具有应用价值，还在教训和教学中阐述了进犯作用。
可是，DNA神经网罗也靠近一些局限性。信号移动的复杂性是一个主要挑战。将一般输入信号移动为DNA链需要复杂的过程，这加多了操作难度和本钱。DNA神经网罗的狡计速率相对较慢。DNA狡计机的运算速率取决于化学反应速率，往往需要数分钟才能完成狡计，这在一些应用中可能是一个限制。
此外，DNA神经网罗的适用边界有限。诚然它在生物医学范畴展示了高大的后劲，但在一些需要快速处理和高精度狡计的应用中，DNA神经网罗可能并不是最优遴荐。因此，诚然DNA神经网罗在特定范畴具有特有上风，但其凡俗应用还需要克服一些时刻隔断和限制。
论断
DNA神经网罗看成一种新兴时刻，展示了在多个范畴的高大后劲，尤其是在生物医学和智能物资的应用中。通过将DNA链编码、化学反应和神经网罗相结合，揣摸东说念主员收效地结束了复杂的狡计任务，如手写数字识别。这不仅拓宽了东说念主工智能的结束旅途，也为处理生物分子信息提供了新的方法。
在生物医学范畴，DNA神经网罗省略平直处理DNA样本，大大简化了会诊和挽救过程。举例，通过识别遗传病基因，DNA神经网罗不错在早期检测疾病并提供个性化的医疗有贪图。此外，DNA的高效存储和并行狡计能力，使其在大数据处理和复杂狡计任务中发达出色，进一步鼓动了智能物资的发展。
揣摸异日，DNA神经网罗的揣摸标的将连系在几个要津范畴。进一步升迁DNA狡计的准确性和速率，优化化学反应过程，减少瑕疵率。探索将DNA神经网罗应用于更多本色场景，如环境监测、食物安全检测等。通过跨学科吞并，鼓动DNA狡计和东说念主工智能的结合，开采出更强劲的智能系统。
总之，DNA神经网罗为咱们展示了智能物资的高大后劲，通过连续的揣摸和改造，这一范畴有望在异日结束更凡俗的应用，为东说念主类生计带来更多便利和改变。随着时刻的杰出，咱们期待DNA神经网罗在异日的发展中阐述更大的作用，成为东说念主工智能和生物时刻的进犯组成部分。（END）
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