Molecular robotics is challenging, so it seems best to keep it simple. We consider an abstract molecular robotics model based on simple folding instructions that execute asynchronously. Turning Machines are a simple 1D to 2D folding model, also easily generalisable to 2D to 3D folding. A Turning Machine starts out as a line of connected monomers in the discrete plane, each with an associated turning number. A monomer turns relative to its neighbours, executing a unit-distance translation that drags other monomers along with it, and through collective motion the initial set of monomers eventually folds into a programmed shape. We provide a suite of tools for reasoning about Turning Machines by fully characterising their ability to execute line rotations: executing an almost-full line rotation of $5\pi/3$ radians is possible, yet a full $2\pi$ rotation is impossible. Furthermore, line rotations up to $5\pi/3$ are executed efficiently, in $O(\log n)$ expected time in our continuous time Markov chain time model. We then show that such line-rotations represent a fundamental primitive in the model, by using them to efficiently and asynchronously fold shapes. In particular, arbitrarily large zig-zag-rastered squares and zig-zag paths are foldable, as are $y$-monotone shapes albeit with error (bounded by perimeter length). Finally, we give shapes that despite having paths that traverse all their points, are in fact impossible to fold, as well as techniques for folding certain classes of (scaled) shapes without error. Our approach relies on careful geometric-based analyses of the feats possible and impossible by a very simple robotic system, and pushes conceptional hardness towards mathematical analysis and away from molecular implementation.


翻译:分子机器人具有挑战性, 因此似乎最好保持简单 。 我们考虑一个基于简单折叠指令的抽象分子机器人模型, 以不同步的方式执行。 将机器转换是一个简单的 1D 至 2D 折叠模型, 也可以很容易地向 2D 到 3D 折叠。 一个旋转机器在离散的平面上作为一个连接的单体线开始, 每个都有一个相关的翻转数字。 一个单体与其邻居相对地旋转, 执行一个单位距离翻译, 拖动其它的单体, 并通过集体移动, 单体机器人最初的组合最终会折叠成一个程序化的形状。 我们提供一套工具, 通过完整形状的形状将机器转换成 2D 折叠 : 执行几乎完全的 5\ pi/3 利差值旋转, 但完全的 $ 2\ pi 的旋转是不可能的。 此外, 直线旋转到 5\ pi3 美元( 美元) 的直线旋转是高效的, 在连续的时间链模型中, $(\ log n) 使所有单体的单体的单体的直体最终折体最终折变为 。 我们的直体- 的折体和折体- 渐变的折体的折体- 。

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