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基于Belousov-Zhabotinsky反应的物理智能系统研究

张国茂

  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。 本文在研究过程中,主要做了如下创新性工作: (1)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。 (2)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。 (3)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。……   
[关键词]:萤火虫同步闪光;Belousov-Zhabotinsky反应;二进制加法器;神经元模型;物理智能系统
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:南开大学2012年