[論文レビュー] Slime mould logical gates: exploring ballistic approach

Andrew Adamatzky|arXiv (Cornell University)|May 13, 2010

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 17被引用数 64

ひとこと要約

本稿では、*Physarum polycephalum* のプラズモデウムを用いて、非栄養基板上での自己の慣性による直線的移動（ボールスティック伝播）を活用してブール論理ゲートを実装する新規な手法を提案する。著者らは、波動断片同士の衝突を介してANDやXORなどの論理演算を実行する2入力2出力の論理ゲートを設計し、修正されたオレゴンエーターモデルを用いて1ビット半加算器をシミュレートした。これにより、非伝統的な生物学的計算の可能性が実証された。

ABSTRACT

Plasmodium of \emph{Physarum polycephalum} is a single cell visible by unaided eye. On a non-nutrient substrate the plasmodium propagates as a traveling localization, as a compact wave-fragment of protoplasm. The plasmodium-localization travels in its originally predetermined direction for a substantial period of time even when no gradient of chemo-attractants is present. We utilize this property of \emph{Physarum} localizations to design a two-input two-output Boolean logic gates $ o $ and $ o $. We verify the designs in laboratory experiments and computer simulations. We cascade the logical gates into one-bit half-adder and simulate its functionality.

研究の動機と目的

• ブール論理ゲートを実装するための方法を開発すること。
• 非栄養アガー基板上におけるプラズモデウム局在部のボールスティック伝播を、信頼性の高い信号伝送の基盤として探求すること。
• ANDやXORなどの関数を計算する2入力2出力の論理ゲートを設計・検証すること。
• 実験と数値シミュレーションの両方を用いて、これらのゲートを1ビット半加算器回路に段階的に接続すること。
• プラズモデウムを用いた非伝統的で生物学的な計算の可能性を示すこと。

提案手法

• プラズモデウムを非栄養2%アガー板に培養し、論理ゲートの幾何形状を形成するためのチャネルを加工する。
• 実験は暗所・室温下で実施し、入力チャネルにプラズモデウムを接種し、走査により伝播を観察する。
• プラズモデウムに類似した波動断片を、不活性な媒体内でシミュレートするため、2変数のオレゴンエーターモデルを適応する。パラメータを調整してボールスティックな挙動を再現する。
• 光感受性のインヒビター項（$\phi$）を含む修正されたオレゴンエータ方程式を用い、化学的および光的誘導物質の効果を模擬する。
• 入力チャネルで波動断片を発生させ、その伝播、衝突、融合挙動を分析し、論理的出力を特定する。
• ゲートを段階的に接続して1ビット半加算器回路を構築し、波動ダイナミクスのタイムラプスシミュレーションにより出力を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非栄養基板上において、*Physarum polycephalum* のプラズモデウムは、化学的誘導物質勾配が存在しない状態でも、慣性による直線的移動を示すことができるか？
• RQ2 移動するプラズモデウム局在部同士の相互作用を用いて、ANDやXORなどのブール論理演算を実装できるか？
• RQ3 修正されたオレゴンエーターモデルを用いて、プラズモデウムベースの論理ゲートの挙動を正確にシミュレートできるか？
• RQ4 これらのゲートを段階的に接続して、機能的な1ビット半加算器回路を構築できるか？
• RQ5 実験的プラズモデウムベースの論理ゲートの信頼性を制限する要因は何か。また、それらをどのように改善できるか？

主な発見

• プラズモデウムはボールスティック伝播を示す。化学的誘導物質勾配が存在しない状態でも、直線的に移動し、制御実験では直進伝播の成功率が100%であった。
• 著者らは2入力2出力の論理ゲート $P_1$ と $P_2$ を成功裏に設計・実験的に検証した。$P_1$ は $\langle xy, x+y \rangle$ を計算し、実験的信頼性は69%であった。$P_2$ は $\langle x, \overline{x}y \rangle$ を計算し、実験的信頼性は59%であった。
• オレゴンエーターモデルを用いた数値シミュレーションにより、両ゲートの機能が確認され、ゲートの段階的接続による1ビット半加算器のシミュレーションに成功した。
• 半加算器のシミュレーションでは、4通りの入力組み合わせ（$x=0,y=0$；$x=0,y=1$；$x=1,y=0$；$x=1,y=1$）すべてにおいて、正しい和およびキャリー出力を得た。
• シミュレーションでは、$x=1$ および $y=1$ を表す波動断片が、不活性化領域（リフラクタリー尾）によって遮断され、干渉を防ぎ、正しい出力を保証していることが示された。
• 本研究は、信頼性のある論理計算が、栄養が豊富でない基板上でのみ実現可能であると結論づける。栄養が豊富な基板では、制御不能な分岐が生じ、論理関数が機能しなくなる。