自从Adleman首次利用DNA分子及生化反应求解困难的计算问题以来,不少研究人员希望借助DNA分子海量并行的计算能力、高密集的存储能力及其特定的生物活性来设计一种新型的DNA计算机,用于处理信息问题、构建纳米设备、实现药物筛选和医学诊断等。十多年的研究表明,DNA计算这一领域无论从理论模型研究,还是实验技术改进,都有了突飞猛进的发展。这些研究成果为DNA计算机的设计与研制提供了良好的理论基础和丰富的实验验证。　　 在对DNA计算相关工作的深入学习和总结的基础上,本文研究分析可知,通用型DNA计算机的研制与实现必须考虑DNA分子特定的理化性质,结合各种IT控制和检测手段,通过软件编程、硬件编程和分子编程的相互协调来搭建一个自动化、可扩展的通用计算平台。在此基础上,本文提出了通用型DNA计算机的体系结构设计方法。它分别由应用层、模型层、实验层和芯片层四个抽象层组成,分别对应于DNA计算相关领域的详细分工和具体任务。这些理论和设计方法可有效地指导DNA计算机的设计与研制。　　 基于上述理论研究,本文在总结微流控DNA计算机芯片现有工作的基础上,结合本研究组关于图顶点着色DNA计算模型的现有研究成果,设计了一种基于微反应腔级联、气动微阀控制的微流控DNA计算机芯片,可用于实现求解给定规模的任意一个图顶点着色问题。本文详细介绍了这种芯片的工作原理和操作流程,诠释和验证了这种DNA计算机芯片自动化求解问题的能力。　　 在对上述微流控DNA计算机芯片的详细分析和深入讨论的基础上,本文结合北京大学微电子所微流体与纳流体研究组的现有工作,提出了一种基于三维电极阵列的新型DNA计算机芯片。结合通用型DNA计算机体系结构的理论基础,本文利用这种芯片设计实现了一个通用的DNA计算平台,并详细介绍了这种芯片的结构设计、控制方法。通过分析计算实例,这种芯片可用于求解可满足性问题,但仍然无法计算大规模的复杂问题。结合通用型DNA计算机体系结构的可扩展性,本文利用这种芯片设计实现了一种DNA密码仪,可有效地实现信息加密和解密,具有良好的应用价值。　　 本文总结和回顾了DNA计算机现有的研究工作,在此基础上提出了通用型DNA计算机的设计原理和体系结构。在此理论基础上,本文分析讨论了两种不同类型微流控DNA计算机芯片的结构设计方法、控制原理和应用背景,从而验证了通用型DNA计算机结构设计理论。这些工作对设计实现实用型微流控DNA计算机芯片具有一定的指导意义。