電磁防護仿生技術研究的進展與展望

常小龍，趙國亮，武翠霞，滿夢華

（1.軍械工程學院 靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊 050003；2.中國航天科工集團第二研究院706所，北京 100854）

0 引 言

隨著雷達、通信、導航等各種電磁輻射源的功率不斷加大和頻譜增寬，電子系統(tǒng)在有限的空間范圍內面臨著更加復雜和惡劣的電磁環(huán)境［1］。電子系統(tǒng)受到電磁干擾可能無法工作甚至局部損毀，這勢必造成巨大的經濟損失和安全隱患。迄今為止，國內外電磁防護主要方法仍然是濾波、屏蔽、防護器件等傳統(tǒng)防護方式。傳統(tǒng)防護方法能夠為電子系統(tǒng)提供保護，但是存在局限性。美國密蘇里科技大學的David團隊專門研究了靜電放電ESD（ElectroStatic discharge）對各種IC器件的影響，ESD 保護電路雖然能在一定程度上保護電路不受靜電損傷，但是ESD 引起的干擾依然可以引入到芯片內部導致系統(tǒng)產生故障［2－3］。在航天、通信尤其是涉及國防安全的領域，由于電磁兼容問題帶來的電子系統(tǒng)故障危害性極大。電磁防護仿生研究的目的是從生物系統(tǒng)中汲取靈感，設計具有自組織、自適應、自修復能力的電子系統(tǒng)，提高電子系統(tǒng)自身在電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性［4－5］。

1 電磁防護仿生研究內容

自然界是人類知識的寶庫，智慧的源泉。仿生科學是科技創(chuàng)新的重要動力之一，它通過研究生物的結構、性狀、原理、行為等，為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成的技術科學［6］。電磁防護仿生研究利用仿生技術，使得電子系統(tǒng)像生物一樣具有“自組織、自適應、自修復”功能，從而使得電子系統(tǒng)能夠適應外部電磁干擾環(huán)境的變化；當電子系統(tǒng)受到干擾產生故障時，系統(tǒng)仍能容錯運行或者及時從故障中自動恢復。

根據電磁防護仿生研究的目標，需要從三個方面開展電磁防護仿生研究工作：

（1）電磁防護仿生原理研究

電子工程設計的電路系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境總是暴露出各式各樣的缺點和不足，但是生物經過35 億年的不斷進化，能夠很好適應多變的外部環(huán)境。因此，以生物進化論為基礎的演化硬件相關理論為設計具有自適應能力電子系統(tǒng)提供了理論依據。演化硬件實際上是演化計算和重配置硬件的集合［7］。演化計算對生物進化過程的模擬，通過對電路種群的選擇、交叉和變異，不斷改變重配置硬件的內部結構，從而使得電子系統(tǒng)能夠適應當前的環(huán)境變化。生物進化的另一個結果就是產生了十分精巧的結構、機制。這些結構和機制具有很好的魯棒性，是生物一段時間內適應環(huán)境的基礎，同樣是電磁防護仿生研究不能忽略的部分。

因此，通過對生物進化機制和生物某些結構、機制的魯棒性進行深入研究，設計可進化的、可靠的電子系統(tǒng)，有望為電磁防護仿生研究提供理論依據，并進一步形成電磁防護仿生的基本原理。

（2）電磁防護仿生模型研究

電磁防護仿生研究需要解決防護原理的“領域轉換”的問題。即把生物維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的基本結構、機制、原理映射到電子系統(tǒng)設計之中。電磁防護仿生模型是實現(xiàn)領域轉換的橋梁。仿生模型可以用數學方法描述仿生防護原理，或是用算法描述生物運行機制，或是用電路模型直接構建生物的基本結構。

目前，電磁防護仿生研究至少應從兩個方面進行建模。一方面，模擬生物進化過程建立高效的演化計算算法，同時構建重配置電路模型。演化算法和重配置電路模型能夠讓電子系統(tǒng)靈活改變目標電路的結構，通過進化方式適應電磁環(huán)境變化。另一方面，模擬生物某些器官結構和信息處理機制建立數學模型或者電路模型，利用建立的電路模型直接設計電子系統(tǒng)使其具有優(yōu)良的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）電磁防護仿生電子系統(tǒng)

電磁防護仿生研究的目的是為了提高電子系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。因此，電磁防護仿生技術研究最終要把電磁防護仿生原理映射到電子系統(tǒng)的設計之中，提高電子系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。隨著現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（field programmable gate array）、現(xiàn)場可編程晶體管陣列FPTA（field programmable transistor array）［8］以及現(xiàn)場可編程模擬陣列（field pro－grammable analog array）［9］等可編程芯片的發(fā)展，設計可進化的電子系統(tǒng)成為可能。和生物進化的概念類似，這些可進化的硬件能夠在復雜多變的外部環(huán)境下不斷進化、優(yōu)化自身結構，從而達到適應環(huán)境的目的。

隨著大規(guī)模集成電路技術、單電子器件、量子器件和生物芯片的進步和研制，從結構上模擬生物優(yōu)良的特性也不再是遙不可及的事?？茖W家通過對生物神經系統(tǒng)深入研究，建立了很多神經網絡模型。而且研究人員致力于用硬件電路模擬生物的神經網絡，并期望硬件電路能夠獲得生物神經系統(tǒng)的優(yōu)良特性［10－11］。

2 電磁防護仿生研究主要成果

目前，電磁防護仿生研究取得的成果主要包括三個方面：

（1）開辟了電磁防護仿生研究新領域

明確了電磁防護仿生研究的內涵。即通過研究生物系統(tǒng)運行機理建立仿生模型，采用全新的思路、方法和技術深入進行電磁干擾、防護等方面的理論研究，對傳統(tǒng)的抗擾方式進行強化、補充與完善，從而構造出適于復雜多變電磁環(huán)境的電子系統(tǒng)。

對仿生研究進行詳細分類，形成仿生坐標，并對電磁防護仿生研究進行準確定位。在工程實現(xiàn)級別上對仿生進行了分類，依次為表象級、行為級和分子級。表象級主要是對生物的形態(tài)和結構進行仿生；行為級主要是對生物的本能、智能等功能進行仿生；分子級是從材料的角度進行仿生。三個仿生級別層層遞進難度也逐漸增加。電磁防護仿生研究的目標是設計自組織、自適應和自修復功能的仿生電子系統(tǒng)，適應復雜電磁干擾環(huán)境。因此，電磁防護仿生研究應屬于行為級仿生，包括對生物的結構、運行機制和功能的仿生。

確立了以演化硬件EHW（evolvable hardware）技術為基礎的電磁防護仿生技術研究。演化硬件技術使得電子系統(tǒng)像生物一樣能根據外部環(huán)境的不同或變化而自主地、動態(tài)地改變自身結構或功能以適應其外部環(huán)境的硬件電路［12］。生物通過自然選擇不斷進化，生物體通過交叉、變異產生各種基因，在優(yōu)勝劣汰的機制下逐漸形成適應能力強的優(yōu)秀個體。生物進化基本理論是演化硬件的理論基礎，演化硬件技術發(fā)展的一個十分重要的方向就是模擬生物進化過程設計高效的演化算法。因此，生物進化基本理論是電磁防護仿生技術的理論基礎之一；演化硬件技術則是電磁防護仿生的技術途徑之一；而利用演化硬件技術設計自適應和自修復功能的電子系統(tǒng)，是電磁干擾環(huán)境下防護仿生研究的重要目標之一。

（2）開展了典型可編程器件的電磁損傷效應研究

FPGA 等可編程芯片，是演化硬件的主要實現(xiàn)載體。通過對FPGA 等可編程芯片的電磁損傷效應實驗研究，獲得靜電放電或電磁干擾引起FPGA 管腳損傷的敏感閾值［13］。實驗對ALTERA 公司的EP2C5型號FPGA 芯片進行測試，結果表明FPGA 輸入管腳靜電放電電壓大于3.6KV 時產生損傷，而輸出管腳在4.7KV 時產生損傷。實驗中還發(fā)現(xiàn)靜電放電引起的管腳損傷模式通常是對地短路，輸出管腳電平固定為0，據此建立了靜電放電引起電路故障模型和故障仿真模型，為電子系統(tǒng)可靠性設計提供實驗依據，并為演化自修復算法的性能分析提供了故障仿真模型。

（3）根據電磁防護仿生研究目標進行電磁防護仿生電子系統(tǒng)設計

給出了建立電子系統(tǒng)層次結構模型的方法［14］。電子系統(tǒng)的結構層面進行分析，將其分解為系統(tǒng)功能模塊和連接結構模塊兩大部分，構建了電子系統(tǒng)的層次結構模型。將電子系統(tǒng)的連接結構映射為一種稀疏矩陣，從而將電子系統(tǒng)的設計、故障監(jiān)測、故障修復等問題轉化為特定功能模塊下帶參數的矩陣求解與優(yōu)化問題，為電子系統(tǒng)中生物特性的引入提供方法和思路。

建立了靜電放電注入損傷防護模型［13］。設計了具有冗余機制和結構自組織功能的虛擬細胞模型，利用遺傳算法實現(xiàn)故障自修復的功能。虛擬細胞模型的細胞質對應于動態(tài)重配置電路模型，而虛擬細胞核由一個嵌入式微處理器構成，里面運行的是故障診斷算法和演化算法，實現(xiàn)對虛擬細胞質的配置和故障監(jiān)控。該模型提高了電路抵抗ESD干擾的能力。為了實現(xiàn)電子系統(tǒng)功能自修復，基于FPGA設計了虛擬可重構電路演化平臺［15］。對重配置電路模型可編程單元進行深入分析，分析重配置電路模型中可編程單元結構對系統(tǒng)演化修復的影響，并提出了利用關鍵函數優(yōu)化重配置電路模型的方法［16］，提高電路演化生成速率。

結合三模冗余技術和演化硬件技術，提出了一種三模冗余演化自修復系統(tǒng)［17］。三模冗余系統(tǒng)能夠提高電子系統(tǒng)的容錯能力。引入演化修復技術后，其中一個模塊出現(xiàn)故障或者損傷時，三個模塊兩兩校驗，確定故障模塊進行修復。因此，三模冗余演化自修復技術進一步提高了電子系統(tǒng)的可靠性。

電磁防護仿生技術研究經歷了概念形成的階段，目前在基礎實驗和電子系統(tǒng)設計兩個方向取得了一些初步成果。電磁防護仿生技術研究最終要形成電磁防護仿生原理，并運用于電子系統(tǒng)設計之中，從而提高電子系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。目前的工作與電磁防護仿生研究的目標相比，還有很長一段距離。電磁防護仿生是電磁學、電子學和生物學構成的一門綜合性較強的學科，因此需要多個領域的研究人員配合研究。尤其需要加強生物系統(tǒng)在各種干擾環(huán)境下穩(wěn)定、可靠運行的機理研究，以期為電磁防護仿生技術研究提供理論基礎。同時，這也是電磁防護仿生研究亟待解決的問題。

3 電磁防護仿生研究新思路

經過漫長的自然進化，生物產生了十分精良的結構和機制來適應環(huán)境。作為自然界最復雜的控制和信息處理系統(tǒng)，生物的神經系統(tǒng)具有很強的自適應能力和容錯能力［18］。每天都有大量的神經細胞死亡，但并不影響神經系統(tǒng)的功能，而計算機中一個微小的錯誤都可能導致嚴重的后果。腦是生物的控制和信息處理中心，其在各種干擾環(huán)境下信息處理表現(xiàn)出良好的魯棒性。局部細胞的死亡不會太大程度上影響腦區(qū)的功能，腦功能會退化但不存在功能喪失的臨界點。生物神經系統(tǒng)具有較高的可靠性，其內在的信息處理機制將是電磁防護仿生研究一個十分重要的對象。

3.1 生物神經信息處理方式

神經系統(tǒng)與電子系統(tǒng)在結構和信息處理方式上有著本質的不同，電子系統(tǒng)，尤其是數字電路系統(tǒng)，通常采用串行計算的方式，不同模塊之間也通常存在主從關系。在這樣的電子系統(tǒng)中任何一個小的干擾都有可能引起嚴重的后果，某個電路模塊的損傷可能造成系統(tǒng)的崩潰。而生物神經系統(tǒng)是一個并行分布處理系統(tǒng)，不存在單個神經元，對信息處理是必不可少的。信息存儲在神經元連接強度分布上。信息的處理和傳輸都是由神經元通過復雜的連接方式相互協(xié)調共同完成。不難理解，神經系統(tǒng)的這種分布并行處理信息的方式必然具有很高的可靠性。

3.2 生物神經信息編碼

理解神經元和神經系統(tǒng)如何對外界信息進行編碼是神經科學研究的基本問題。深入研究神經信息編碼，更有助于模仿生物神經系統(tǒng)設計抗干擾能力和容錯能力較強的電路。早在上個世紀30年代，Adrian就對神經編碼進行了研究。此后人們普遍接受了神經元頻率編碼的概念［19］，神經元能夠把來自樹突的刺激進行整合進而發(fā)放一定頻率的脈沖串。隨著研究技術手段進步人們對神經信息編碼認識不斷深入。神經系統(tǒng)對信息進行編碼的過程十分復雜，信息傳遞和加工過程中絕非單個細胞獨立編碼，而是通過一組神經元構成的神經網絡進行編碼，也稱為群體編碼［20］。群體編碼大大提高了信息系統(tǒng)的可靠性，單個神經元的損傷不會對信息編碼產生太大的影響［21］。生物神經網絡對信息的群體編碼行為，不僅僅是資源的冗余，而是神經網絡中每個神經元共同作用、相互協(xié)同的結果。

3.3 神經網絡大規(guī)模集成電路實現(xiàn)

早期人們建立生物神經元模型后，往往利用相應的模型發(fā)展成人工神經網絡，然后用算法實現(xiàn)解決現(xiàn)實世界的問題。但是算法實現(xiàn)神經網絡無法模擬真實生物神經系統(tǒng)并行處理信息這一特性，更無法模擬生物的電氣特性。用電路實現(xiàn)生物神經元以及神經網絡是目前研究的熱點。特別是隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，在一個芯片上能夠集成大量的神經元電路［22］，這使得科學家可以更加真實地模擬生物神經元和神經網絡。

神經元是神經系統(tǒng)處理信息的基本單位，科學家一直嘗試建立神經元模型，研究神經元和神經系統(tǒng)的特性。1907年Lapicque提出了神經元的最初模型—積分發(fā)放模型（integrate and fire model，IF Model），IF模型是一種簡單的電路模型，但它具有了生物神經元脈沖發(fā)放，不應期等重要特性［23］。1952年Hodgkin和Huxley通過對哺乳動物視覺皮層的深入研究，提出了H－H模型（hodgkin－h(huán)uxley model），第一次用數學模型精確地描述了細胞膜的動態(tài)特性［24］。1990年Eckhorn提出了一種貓的視覺皮層模型，根據貓的大腦皮層同步脈沖發(fā)放現(xiàn)象提出了展示脈沖發(fā)放現(xiàn)象的連接模型，后來由演變成脈沖耦合神經網絡模型（pulse coupled neural network，PCNN）［25］。2003年蘇黎世大學Giacomo提出了一種低功耗IF電路模型，該模型能夠實現(xiàn)脈沖頻率自適應機制［26］。2009年Wijekoon等人基于CMOS技術提出了一種新的脈沖神經元電路模型，該模型比簡單的IF模型實現(xiàn)的脈沖發(fā)放模式要豐富的多［27］。2011年中國科學院半導體研究所韓偉華等結合IF模型和PCNN模型提出了一種非常適宜大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的脈沖耦合神經元電路模型［28－29］。該模型很好地擬合了真實神經元的點火、脈沖發(fā)放、不應期、存儲等動態(tài)特性，大大簡化了電路結構。神經元電路以及神經網絡的大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，能夠高效快速地模擬和分析神經系統(tǒng)信息處理機制，是把電磁防護仿生原理轉換為電子系統(tǒng)設計的有力技術途徑。

綜上，深入理解和研究生物神經系統(tǒng)信息處理機理，設計適應電磁干擾環(huán)境的電子系統(tǒng)，將是電磁仿防護生技術研究不可或缺的方向。探尋生物神經系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的基本原理，建立神經網絡模型，利用大規(guī)模集成電路技術建立神經網絡電路模擬神經系統(tǒng)信息處理，進而提高電磁干擾環(huán)境下電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

4 結束語

電磁防護仿生研究作為一個新的科學研究領域，確立仿生研究對象十分關鍵，是能否取得研究成果的關鍵所在。生物的進化機制是一種優(yōu)秀的適應環(huán)境的機制。利用演化硬件技術使電子系統(tǒng)具有進化能力，進而適應電磁干擾環(huán)境變化，是電磁防護仿生研究的重要目標。

同時，研究神經系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠運行機理，可望成為電磁防護仿生的重要理論基礎。生物的神經系統(tǒng)作為生命體的控制核心，具有很高的可靠性和容錯能力。神經系統(tǒng)編碼和處理信息的方式與傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)有著本質的不同。深入研究神經元以及神經系統(tǒng)工作機理，并根據具體的工程應用背景設計具有故障容錯能力的神經元電路和神經網絡電路，實現(xiàn)電磁干擾環(huán)境下可靠地系統(tǒng)控制和信息處理，是未來進行電磁防護仿生技術研究的重要方向。

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