Samoskládání: modelování, simulace a plánování

Abstract

Samoskládání je proces, při kterém se kolekce neuspořádaných částic samovolně orientuje do uspořádaného vzoru nebo funkční struktury bez působení vnější síly, pouze za pomoci lokálních interakcí mezi samotnými částicemi. Tato teze se zaměřuje na teorii dlaždicových samoskládacích systémů a jejich syntézu. Nejdříve je představena oblast výzkumu věnující se dlaždičovým samoskládacím systémům, a poté jsou důkladně popsány základní typy dlaždicových skládacích systémů, kterými jsou abstract Tile Assembly Model (aTAM ), kinetic Tile Assembly Model (kTAM ), a 2-Handed Assembly Model (2HAM ). Poté jsou představeny novější modely a modely se specifickým použitím. Dále je zahrnut stručný popis původu teorie dlaždicového samoskládání společně s krátkým popisem nedávného výzkumu. Dále jsou představeny dva obecné otevřené problémy dlaždicového samoskládání s hlavním zaměřením na problém Pattern Self-Assembly Tile Set Synthesis (PATS), což je NP-těžká kombinatorická optimalizační úloha. Nakonec je ukázán algoritmus Partition Search with Heuristics (PS-H ), který se používá k řešení problému PATS. Následovně jsou demonstrovány dvě aplikace, které byly vyvinuty pro podporu výzkumu abstraktních dlaždicových skládacích modelů a syntézy množin dlaždic pro samoskládání zadaných vzorů. První aplikace je schopná simulovat aTAM a 2HAM systémy ve 2D prostoru. Druhá aplikace je řešič PATS problému, který využívá algoritmu PS-H. Pro obě aplikace jsou popsány hlavní vlastnosti a návrhová rozhodnutí, která řídila jejich vývoj. Nakonec jsou předloženy výsledky několika experimentů. Jedna skupina experimentů byla zaměřena na ověření výpočetní náročnosti vyvinutých algoritmů pro simulátor. Druhá sada experimentů zkoumala vliv jednotlivých vlastností vzorů na vlastnosti dlaždicových systémů, které byly získány syntézou ze vzorů pomocí vyvinutého řešiče PATS problému. Bylo prokázáno, že algoritmus simulující aTAM systém má lineární časovou výpočetní náročnost, zatímco algoritmus simulující 2HAM systém má exponenciální časovou výpočetní náročnost, která navíc silně závisí na simulovaném systému. Aplikace pro řešení syntézy množiny dlaždic ze vzorů je schopna najít relativně malé řešení i pro velké zadané vzory, a to v přiměřeném čase.

Self-assembly is the process in which a collection of disordered units organise themselves into ordered patterns or functional structures without any external direction, solely using local interactions among the components. This thesis focuses on the theory of tile-based self-assembly systems and their synthesis. First, an introduction to the study field of tile-based self-assembly systems are given, followed by a thorough description of common types of tile assembly systems such as abstract Tile Assembly Model (aTAM ), kinetic Tile Assembly Model (kTAM ), and 2-Handed Assembly Model (2HAM ). After that, various recently developed models and models with specific applications are listed. A brief summary of the origins of the tile-based self-assembly is also included together with a short review of recent results. Two general open problems are presented with the main focus on the Pattern Self-Assembly Tile Set Synthesis (PATS) problem, which is NP-hard combinatorial optimisation problem. Partition Search with Heuristics (PS-H ) algorithm is presented as it is used for solving the PATS problem. Next, two applications which were developed to study the abstract tile assembly models and the synthesis of tile sets for pattern self-assembly are introduced. The first application is a simulator capable of simulating aTAM and 2HAM systems in 2D. The second application is a solver of the PATS problem based around the PS-H algorithm. Main features and design decisions are described for both applications. Finally, results from several experiments are presented. One set of experiments were focused on verification of computation complexity of algorithms developed for the simulator, and the other set of experiments studied the influences of the properties of the pattern on the tile assembly system synthesised by our implementation of PATS problem solver. It was shown that the algorithm for simulating aTAM systems have linear computation time complexity, whereas the algorithm simulating 2HAM systems have exponential computation time complexity, which strongly varies based on the simulated system. The synthesiser application is capable of finding a relatively small solution even for quite large input patterns in reasonable amounts of time.