基于Belousov-Zhabotinsky反应的物理智能系统研究

摘要

自然界中鱼群、鸟群、萤火虫等展现的自组织现象，促进了自组织理论的深入研究。自组织体系中的化学振荡反应最早由B.P.Belousov和A.M.Zhabotinsky发现，以他们的名字命名的Belousov-Zhabotinsky反应向人们展示了真实的随时间周期性变化的化学波图案。进年来随着对BZ反应研究的不断深入，并逐渐涉及到数学、化学、生物学、图形学等领域的诸多实际问题，BZ反应系统得到了广泛的研究和应用。
　　 本文从两变量的BZ反应系统入手，通过仿真描述了其动力学行为，结合已有的一些经典结构(T型信号处理器、化学二极管)，设计并仿真验证了新的单向传输结构和交叉传播结构。通过仿真我们发现，该BZ反应过程中化学波的传播过程非常类似于神经元中脉冲信号的传导，而且在不同构型下的脉冲传播过程可以用于模拟神经元的相应结构(细胞体、突触等)，进而引导我们通过合理的设计几何构型来模拟神经元。之后通过对脉冲进行编码，再设计合理的通道结构，我们给出并仿真验证了化学二进制加法器单元，该单元可以很好的在平面结构中进行扩展，进而实现两位甚至多位二进制加法器。加法器的实现表明，完全在几何构型的作用下BZ反应系统也可以实现“复杂”的计算功能，加强了我们对构建神经元模型的信心。接着我们给出了具体的神经元模型，并按合理的连接方式组建成神经元网络，该神经元系统以化学波的形式，从神经元的角度完整地阐释了萤火虫同步闪光发生的机制。
　　 本研究创新包括：⑴通过对BZ反应系统的仿真，结合一些经典的通道结构，我们设计并仿真验证了新的单向传输结构和交叉传播结构；并基于对不同构型下BZ反应系统仿真结果的观察，我们提出了基于BZ反应，通过合理设计通道的几何构型来模拟神经元的新思路。⑵基于T型结构、单向传输结构和交叉传播结构，我们第一次给出了化学加法器的完整结构图，并通过仿真验证了其有效性，同时指出该化学加法器在理论上是实验可行的。⑶通过几何构型的合理设计，我们给出了具体的神经元模型，并按合适的连接方式组建成神经元网络，该智能系统对萤火虫同步闪光发生的工作机制给出了解释。此外，系统的智能完全依赖于几何构型和连接方式，是第一个理论上的人工物理智能系统。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第一节 研究背景

1.1.1 自组织现象

1.1.2 自组织理论

第二节 研究现状

1.2.1 物理智能的概念

1.2.2 BZ反应研究介绍

第三节 研究内容及思路

第二章 基于BZ反应的化学信号处理器

第一节 BZ反应模型

第二节 T型脉冲信号处理器

第三节 脉冲信号的单向传输

第四节 脉冲信号的交叉传播

第五节 小结

第三章 二进制加法器的构建

第一节 二进制加法器单元

第二节 两位二进制加法器

第三节 小结

第四章 物理智能系统的构建

第一节 基于BZ反应的萤火虫同步闪光机制

第二节 基本BZ反应的神经元模型

第三节 基于神经元模型的萤火虫同步闪光机制

第四节 小结

第五章 结论与展望

第一节 结论

第二节 前景展望

参考文献

致谢

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果