Thực hiện tự động hóa tế bào của Oregonator mô phỏng môi trường nhạy cảm ánh sáng Belousov–Zhabotinsky

Michail-Antisthenis Tsompanas1, Iosif-Angelos Fyrigos, Vasileios Ntinas1, Andrew Adamatzky2, Georgios Ch. Sirakoulis
1Department of Electrical and Computer Engineering, Democritus University of Thrace, Xanthi, Greece
2Unconventional Computing Lab, Department of Computer Science, University of the West of England, Bristol, UK

Tóm tắt

Tự động hóa tế bào (CA) đã được sử dụng để mô phỏng nhiều hiện tượng hóa học, sinh học và vật lý khác nhau. Khả năng của chúng trong việc mô phỏng các động lực phức tạp, phát sinh từ các tương tác địa phương đơn giản của các tế bào cơ bản của chúng, đã khiến chúng trở thành ứng viên mạnh mẽ để mô phỏng những hiện tượng này, đặc biệt khi cần gia tốc tính toán thông qua song song hóa. Belousov–Zhabotinsky (BZ) là một lớp phản ứng hóa học mà do tiềm năng của chúng như các dao động hóa học phi tuyến, đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học sử dụng chúng như các máy tính hóa học. Các phương trình Oregonator, gần như mô phỏng động lực của các phản ứng BZ, đã được thực hiện ở đây bằng cách sử dụng các phương pháp CA. Cách tiếp cận mô hình mới này (Oregonator dựa trên CA) đã được kiểm tra về độ chính xác và hiệu quả so với các mô hình trước đó và kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, trong khi các lợi ích của phương pháp này đã được nêu rõ. Đã quan sát thấy rằng các kết quả từ Oregonator dựa trên CA có sự đồng thuận tốt với cả các thử nghiệm mô hình và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Lợi thế chính của phương pháp này có thể được tóm tắt là sự gia tốc đạt được trong các triển khai hiện tại (máy tính tuần tự), nhưng cũng hướng tới các triển khai tiềm năng trong các hệ thống tính toán song song lớn (như phần cứng mạch lập trình trường và các mạch nano-neuromorphic) đã được chứng minh là cơ sở tốt để gia tốc các mô hình CA đã được thực hiện.

Từ khóa

#Tự động hóa tế bào #phản ứng hóa học Belousov–Zhabotinsky #mô hình hóa Oregonator #tính toán song song #kết quả thực nghiệm.

Tài liệu tham khảo

Adamatzky, A.: Computing in Nonlinear Media and Automata Collectives. CRC Press, Boca Raton (2001)

Adamatzky, A.: Collision-based computing in belousov-zhabotinsky medium. Chaos, Solitons Fractals 21(5), 1259–1264 (2004)

Adamatzky, A.: Bioevaluation of World Transport Networks. World Scientific Publishing, Singapore (2012)

Adamatzky, A.: Collision-based Computing. Springer, Berlin (2012)

Adamatzky, A.: Fredkin and toffoli gates implemented in oregonator model of belousov-zhabotinsky medium. Int J Bifurcation Chaos 27(03), 1750041 (2017)

Adamatzky, A., Costello, B.D.L., Asai, T.: Reaction-diffusion Computers. Elsevier, Amsterdam (2005)

Adamatzky, A., De Lacy Costello, B., Bull, L., Holley, J.: Towards arithmetic circuits in sub-excitable chemical media. Israel J Chem 51(1), 56–66 (2011)

Adamatzky, A., Holley, J., Bull, L., Costello, B.D.L.: On computing in fine-grained compartmentalised belousov-zhabotinsky medium. Chaos, Solitons Fractals 44(10), 779–790 (2011)

Adamatzky, A., de Lacy Costello, B.: Collision-free path planning in the belousov-zhabotinsky medium assisted by a cellular automaton. Naturwissenschaften 89(10), 474–478 (2002)

Adamatzky, A., de Lacy Costello, B.: Binary collisions between wave-fragments in a sub-excitable Belousov-Zhabotinsky medium. Chaos, Solitons Fractals 34(2), 307–315 (2007)

Adamatzky, A., Phillips, N., Weerasekera, R., Tsompanas, M.A., Sirakoulis, G.C.: Street map analysis with excitable chemical medium. Phys. Rev. E 98(1), 012306 (2018)

Alonso-Sanz, R.: Cellular Automata with Memory, vol. 3. Archives contemporaines (2008)

Amemiya, T., Ohmori, T., Nakaiwa, M., Yamaguchi, T.: Two-parameter stochastic resonance in a model of the photosensitive belousov- zhabotinsky reaction in a flow system. J Phys Chem A 102(24), 4537–4542 (1998)

Azhand, A., Totz, J.F., Engel, H.: Three-dimensional autonomous pacemaker in the photosensitive belousov-zhabotinsky medium. EPL (Europhys Lett) 108(1), 10004 (2014)

Bandman, O.L., Kireeva, A.E.: Stochastic cellular automata simulation of oscillations and autowaves in reaction-diffusion systems. Numer. Anal. Appl. 8(3), 208–222 (2015)

Barkley, D.: A model for fast computer simulation of waves in excitable media. Physica D 49(1–2), 61–70 (1991)

Beato, V., Engel, H.: Pulse propagation in a model for the photosensitive Belousov-Zhabotinsky reaction with external noise. In: SPIE’s First International Symposium on Fluctuations and Noise, pp. 353–362. International Society for Optics and Photonics (2003)

Chopard, B., Droz, M.: Cellular Automata, vol. 1. Springer, Berlin (1998)

Costello, B.D.L., Adamatzky, A.: Experimental implementation of collision-based gates in belousov-zhabotinsky medium. Chaos, Solitons Fractals 25(3), 535–544 (2005)

Dockery, J., Keener, J.P., Tyson, J.: Dispersion of traveling waves in the belousov-zhabotinskii reaction. Physica D 30(1–2), 177–191 (1988)

Dourvas, N., Tsompanas, M.A., Sirakoulis, G.C., Tsalides, P.: Hardware acceleration of cellular automata physarum polycephalum model. Parallel Process. Lett. 25(01), 1540006 (2015)

Dourvas, N.I., Sirakoulis, G.C., Adamatzky, A.: Cellular automaton belousov-zhabotinsky model for binary full adder. Int. J. Bifurcation Chaos 27(06), 1750089 (2017)

Dourvas, N.I., Sirakoulis, G.C., Tsalides, P.: Gpu implementation of physarum cellular automata model. In: AIP Conference Proceedings, vol. 1648, p. 580019. AIP Publishing LLC (2015)

Evangelidis, V., Jones, J., Dourvas, N., Tsompanas, M.A., Sirakoulis, G.C., Adamatzky, A.: Physarum machines imitating a roman road network: the 3d approach. Sci. Rep. 7(1), 1–14 (2017)

Field, R.J., Noyes, R.M.: Oscillations in chemical systems. iv. limit cycle behavior in a model of a real chemical reaction. J. Chem. Phys. 60(5), 1877–1884 (1974)

Gao, C., Feng, Y., Tong, X., Jin, Y., Liu, S., Wu, P., Ye, Z., Gu, C.: Modeling urban encroachment on ecological land using cellular automata and cross-entropy optimization rules. Sci. Total Environ. 744, 140996 (2020)

Gerhardt, M., Schuster, H., Tyson, J.J.: A cellular automation model of excitable media including curvature and dispersion. Science 247(4950), 1563–1566 (1990)

Hartman, H., Tamayo, P.: Reversible cellular automata and chemical turbulence. Physica D 45(1–3), 293–306 (1990)

Hu, R., Ruan, X.: Differential equation and cellular automata model. In: IEEE International Conference on Robotics, Intelligent Systems and Signal Processing, 2003. Proceedings. 2003, vol. 2, pp. 1047–1051. IEEE (2003)

Jahnke, W., Skaggs, W., Winfree, A.T.: Chemical vortex dynamics in the belousov-zhabotinskii reaction and in the two-variable oregonator model. J. Phys. Chem. 93(2), 740–749 (1989)

Karafyllidis, I.: A model for the prediction of oil slick movement and spreading using cellular automata. Environ. Int. 23(6), 839–850 (1997)

de Lacy Costello, B., Toth, R., Stone, C., Adamatzky, A., Bull, L.: Implementation of glider guns in the light-sensitive Belousov-Zhabotinsky medium. Phys. Rev. E 79(2), 026114 (2009)

Li, Y.N., Chen, L., Cai, Z.S., Zhao, Xz: Experimental study of chaos synchronization in the belousov-zhabotinsky chemical system. Chaos, Solitons Fractals 22(4), 767–771 (2004)

Madore, B.F., Freedman, W.L.: Computer simulations of the belousov-zhabotinsky reaction. Science 222(4624), 615–616 (1983)

Markus, M., Hess, B.: Isotropic cellular automaton for modelling excitable media. Nature 347(6288), 56–58 (1990)

Maselko, J., Showalter, K.: Chemical waves in inhomogeneous excitable media. Physica D 49(1–2), 21–32 (1991)

Muñuzuri, A.P., Dolnik, M., Zhabotinsky, A.M., Epstein, I.R.: Control of the chlorine dioxide- iodine- malonic acid oscillating reaction by illumination. J. Am. Chem. Soc. 121(35), 8065–8069 (1999)

Mutthulakshmi, K., Wee, M.R.E., Wong, Y.C.K., Lai, J.W., Koh, J.M., Acharya, U.R., Cheong, K.H.: Simulating forest fire spread and fire-fighting using cellular automata. Chinese J. Phys. 65, 642–650 (2020)

Ntinas, V., Karamani, R.E., Fyrigos, I.A., Vasileiadis, N., Stathis, D., Vourkas, I., Dimitrakis, P., Karafyllidis, I., Sirakoulis, G.C.: Cellular automata coupled with memristor devices: A fine unconventional computing paradigm. In: 2020 International Conference on Electronics, Information, and Communication (ICEIC), pp. 1–4. IEEE (2020)

Ntinas, V.G., Moutafis, B.E., Trunfio, G.A., Sirakoulis, G.C.: Gpu and fpga parallelization of fuzzy cellular automata for the simulation of wildfire spreading. In: Parallel Processing and Applied Mathematics, pp. 560–569. Springer (2016)

Ntinas, V.G., Moutafis, B.E., Trunfio, G.A., Sirakoulis, G.C.: Parallel fuzzy cellular automata for data-driven simulation of wildfire spreading. J. Comput. Sci. 21, 469–485 (2017)

Schönfisch, B.: Anisotropy in cellular automata. Biosystems 41(1), 29–41 (1997)

Sirakoulis, G.C., Adamatzky, A.: Robots and Lattice Automata. Springer, Berlin (2015)

Sirakoulis, G.C., Bandini, S.: Cellular Automata: 10th International Conference on Cellular Automata for Research and Industry, ACRI 2012, Santorini Island, Greece, September 24-27, 2012. Proceedings, vol. 7495. Springer (2012)

Sriram, K.: Effects of positive electrical feedback in the oscillating belousov-zhabotinsky reaction: experiments and simulations. Chaos, Solitons Fractals 28(4), 1055–1066 (2006)

Steinbock, O., Kettunen, P., Showalter, K.: Chemical wave logic gates. J. Phys. Chem. 100(49), 18970–18975 (1996)

Stovold, J., O’Keefe, S.: Associative memory in reaction-diffusion chemistry. In: Adamatzky A. (Eds.), Advances in unconventional computing, pp. 141–166. Springer (2017)

Štys, D., Náhlík, T., Zhyrova, A., Rychtáriková, R., Papáček, Š., Císař, P.: Model of the belousov-zhabotinsky reaction. In: International Conference on High Performance Computing in Science and Engineering, pp. 171–185. Springer (2015)

Sun, M.Z., Zhao, X.: Multi-bit binary decoder based on belousov-zhabotinsky reaction. J. Chem. Phys. 138(11), 114106 (2013)

Taboada, J., Munuzuri, A., Pérez-Muñuzuri, V., Gómez-Gesteira, M., Pérez-Villar, V.: Spiral breakup induced by an electric current in a belousov–zhabotinsky medium. Chaos: An Interdiscip. J. Nonlinear Sci. 4(3), 519–524 (1994)

Toffoli, T.: Cellular automata as an alternative to (rather than an approximation of) differential equations in modeling physics. Physica D 10(1–2), 117–127 (1984)

Toth, R., Stone, C., Adamatzky, A., de Lacy Costello, B., Bull, L.: Experimental validation of binary collisions between wave fragments in the photosensitive belousov-zhabotinsky reaction. Chaos, Solitons Fractals 41(4), 1605–1615 (2009)

Toth, R., Stone, C., de Lacy Costello, B., Adamatzky, A., Bull, L.: Simple collision-based chemical logic gates with adaptive computing. Int. J. Nanotechnol. Molecular Comput.(IJNMC) 1(3), 1–16 (2009)

Tsompanas, M.A., Adamatzky, A., Ieropoulos, I., Phillips, N., Sirakoulis, G.C., Greenman, J.: Cellular non-linear network model of microbial fuel cell. BioSystems 156, 53–62 (2017)

Tsompanas, M.A.I., Adamatzky, A., Sirakoulis, G.C., Greenman, J., Ieropoulos, I.: Towards implementation of cellular automata in microbial fuel cells. PLoS ONE 12(5), e0177528 (2017)

Tsompanas, M.A.I., Sirakoulis, G.C., Adamatzky, A.I.: Physarum in silicon: the greek motorways study. Nat. Comput. 15(2), 279–295 (2016)

Turner, A.: A simple model of the belousov-zhabotinsky reaction from first principles (2009). https://discovery.ucl.ac.uk/id/eprint/17241/

Vanag, V.K., Epstein, I.R.: Design and control of patterns in reaction-diffusion systems. Chaos: An Interdiscip. J. Nonlinear Sci. 18(2), 026107 (2008)

Vavilin, V., AM, Z., Zaikin, A.: Effect of ultraviolet radiation on oscillating oxidation reaction of malonic acid derivatives Russian J. Phys. Chem. USSR, 42(12), 1649 (1968)

Weimar, J.R.: Three-dimensional cellular automata for reaction-diffusion systems. Fundamenta Informaticae 52(1–3), 277–284 (2002)

Wilensky, U.: Netlogo bz reaction model. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston (2003). http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/B-ZReaction

Winfree, A., Winfree, E., Seifert, H.: Organizing centers in a cellular excitable medium. Physica D 17(1), 109–115 (1985)

Wolfram, S.: A New Kind of Science, vol. 5. Wolfram media Champaign, Champaign, IL (2002)

Zaikin, A., Zhabotinsky, A.: Concentration wave propagation in two-dimensional liquid-phase self-oscillating system. Nature 225(5232), 535–537 (1970)

Zhabotinsky, A., Zaikin, A.: Autowave processes in a distributed chemical system. J. Theor. Biol. 40(1), 45–61 (1973)