電磁防護仿生原理與故障自修復機制研究

原 亮，滿夢華，常小龍

（1.軍械工程學院信息工程系，石家莊 050003；2.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，石家莊 050003）

1 前言

在信息傳輸、實時控制及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對大規(guī)模集成電路的體積、功耗限制日益增多，使其對各種類型的電磁干擾越發(fā)敏感。傳統(tǒng)的屏蔽、濾波、接地、使用瞬態(tài)抑制和鈍感器件以及電磁防護材料等防護手段均因各自固有的局限性，難以滿足信息化設備在目前復雜電磁場環(huán)境下綜合度較高的可靠性要求[1]。因此，將生物系統(tǒng)抗擾機理引入電路設計，進行基于電磁仿生理論、原理和技術的全新嘗試，設計并構建具有全新理念的電磁防護方式，有望使得電子電路在遭受電磁干擾或是局部硬損傷的情況下，仍能不依賴于外界的干預而容錯運行并予以自行修復，甚至自行適應所處的電磁環(huán)境。

2 電磁仿生的生物基礎與研究目標

從仿生學的誕生、發(fā)展至今，短短幾十年的研究成果實屬豐碩。從微觀到宏觀，生物的任何結構、特征、功能等要素，均因簡捷、高效及具有不可思議的魯棒性、穩(wěn)定性等特點，成為各個工程領域競相研究和效法的對象。在大大開闊了人們眼界之時，仿生學亦充分拓展了人們的研究思路，在設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成等方面另辟蹊徑，獲有長足進步。為了滿足高性能電路設計及其電磁防護的需求，電磁仿生研究應運而生，且已成為一項全新的研究和應用領域[2]。

2.1 生物神經(jīng)網(wǎng)絡的抗擾特點

經(jīng)過漫長的演化，生物系統(tǒng)充分表現(xiàn)出了優(yōu)異的功能魯棒特性。在這個高度復雜的系統(tǒng)中，生物神經(jīng)網(wǎng)絡正是整個生物體以及細胞之間相互通信及調控的基礎。盡管神經(jīng)元之間、神經(jīng)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)之間的輸入信息往往包含大量的噪聲干擾，但這并未對其信息處理造成明顯的影響。此外，隨著神經(jīng)元老化或凋亡的數(shù)目增加，神經(jīng)系統(tǒng)的確會以漸變方式逐步退化直至失能，但其過程相對穩(wěn)定，很難找到一個突然使得整體功能徹底喪失的臨界點。

從微觀作用的形式上來看，生物生存環(huán)境對生物神經(jīng)網(wǎng)絡的影響與復雜電磁環(huán)境對電子信息系統(tǒng)的影響相似，都會引起系統(tǒng)內的單元部件產(chǎn)生信號擾動、信息錯亂乃至物理損傷。而從宏觀效應的結果來看，前者可以自行抗擾、修復、適應環(huán)境，而后者卻往往只因局部的損傷就能立即導致全局失效。因此，生物神經(jīng)網(wǎng)絡維持其功能魯棒性的內在機理可為電磁環(huán)境下電路防護的仿生研究提供有益啟示，成為其理想的研究對象。

2.2 生物系統(tǒng)的自律機制

生物系統(tǒng)的每一個層次都可以看作是下一層的多個組分因自組而形成的有序結構，其整體復雜、高級行為的表征正是下層組分簡單、低級功能的涌現(xiàn)。這種突出的特點可歸結為生物系統(tǒng)三項獨有的自律機制，即自律三特性。

1）結構自組織。生命是一個原始物質和能量的開放系統(tǒng)從無序到有序的耗散結構，是一個從低級到高級、從簡單到復雜的演化自組過程[3]。例如，生物系統(tǒng)可以通過演化而自然具備了自身的各種形態(tài)、結構和相應的生存特性。這也是整個自律機制的核心所在。

2）損傷自修復。生物系統(tǒng)的各個器官既能自我控制，又可彼此協(xié)調，共同組成一個有機的整體。對于任何生物而言，只要沒有受到致命的損傷，其基本功能仍可得到一定的保證，進而逐漸自愈，即自行完成全部或部分受損組織的修復工作。

3）環(huán)境自適應。生物的各種優(yōu)良結構與特性是在大自然中經(jīng)長期的演化而自組形成，而且，能在受損之后自行修復。但如果環(huán)境變化導致了過于頻繁的損傷和修復，則意味著該生物對這種變化后的環(huán)境適應性較差。此時，不適應環(huán)境的基因能夠通過逐步淘汰而自然得以減少，而較為適應的基因則相對逐漸增多，即進化出新的體系結構。生物的環(huán)境適應能力便可因此得以保證。

2.3 電磁仿生的研究目標

生物系統(tǒng)及其神經(jīng)網(wǎng)絡的突出特點，毋庸置疑地成為了電磁仿生所要進行仿效的主要對象。首先，需要研究其神經(jīng)細胞及組織的抗擾方式，進行本征或規(guī)律性的了解和抽象。進而，完成相應的電路實現(xiàn)和實驗驗證。其仿生方式為針對生物神經(jīng)網(wǎng)絡組織在電磁環(huán)境下所具有的抗干擾及自修復本能的仿生，屬于功能級仿生[4]。

電磁仿生包含了電路設計仿生與電磁防護仿生兩大內容，其研究目標如下。

借助生物進化的概念和仿生模型，通過采用全新的思路、方法和技術進行電路設計和電磁防護研究，為工作于復雜電磁環(huán)境中的電子系統(tǒng)直接提供有別于傳統(tǒng)方式的設計思想、工作原理、系統(tǒng)構成和防護方法，使得被研究的目標或控制系統(tǒng)最終能在不同層面上滿足安全、穩(wěn)定、高效、低耗的運行要求。藉此，逐步形成一種新型的實用技術以及可供持續(xù)發(fā)展的學科方向和科研領域。

2.4 電磁防護仿生的特點

電磁防護仿生需要通過研究生物系統(tǒng)可靠性原理，建立仿生模型，從傳統(tǒng)實現(xiàn)的冗余、重構等技術逐漸發(fā)展為仿生導向的簡并、可塑等機制，以指導構建具有自律三特性的功能電路和相應的控制系統(tǒng)。從而使其不但能在傳統(tǒng)技術的基礎上巧妙地進一步提高抗擾效果，更可在未知環(huán)境中面對未知干擾時，爭取能夠自行完成相應的抗擾防護和損傷修復工作，即防患于未然。至少，能在受到干擾或發(fā)生局部損傷的情況下，系統(tǒng)能夠保持相對正常的功能輸出，避免發(fā)生與所受損傷并不相稱的、更為嚴重的破壞。

因此，電磁防護仿生是嘗試使用新理論、新器件進行電磁仿生探索、解決傳統(tǒng)問題的一個研究切入點，又是將生物技術、電磁技術與微電子技術等諸多學科予以結合之后而誕生的一個技術增長點，甚至可能成為奠定整個電磁仿生發(fā)展方向的一個長遠立足點。

3 仿生層級標定與坐標建立

仿生學是通過研究生物的結構、性狀、機理、行為以及相互作用，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[5]。直接冠名仿生學的研究眾多，但只有少數(shù)具有實質性的進展。實際上，從微觀到宏觀，生物的任何結構、特征、功能等要素均可成為仿生研究的對象，而目前的分類方式多在生物個體或其外在表現(xiàn)的基礎上進行，似有必要再予抽象層面和本征級別的進一步劃分、定位，使其能在規(guī)模和難度上做出大致的比對，以便更為有效地進行分析、歸納和深入研究。

3.1 仿生層面和工程級別的劃分

仿生模式可按照被仿目標所處的層面直接按照生物學的方法標定成為細胞、組織、器官、系統(tǒng)、個體和群落共6個型別。進而，將其分別歸屬至解析、可視和能動3個層面（見表1）。

表1 仿生層面的劃分Table 1 Classification of the bionic layer

按照具體研究內容與目前技術條件下的實現(xiàn)難度，可以從其工程實現(xiàn)角度予以級別的劃分。表象級的形態(tài)類仿生概念與方法簡單、直觀。不難想象，蒙皮骨架與拱可以分別理解為是從結構上對鳥翅和蛋殼的仿生。

功能級仿生則是在表象級的基礎之上遠遠深入了一步，即不再是對生物從整體或可見部位的外在模仿，而是將生物的某一具體本能或智能特性當作模仿的對象進行研究和模擬。例如，聲納和雷達只是分別對豚類、蝙蝠具有的超聲探測、定位進行的功能模擬，而與其外觀、習性等諸多主要生物特征毫無關聯(lián)。

材料與生物學類型的仿生均處于分子級別，難度最高。例如，對蛛絲的仿生，不但需從視覺角度相像，而且必須滿足高強度、有黏性等理化指標。尤其對生物學仿生而言，更需使其擁有生理活性的要素，即對外應有活體和生命的體現(xiàn)（見表2）。

表2 工程級別的劃分Table2 Classification of the engineering level

3.2 仿生坐標的建立

若將仿生層面和工程級別作為縱橫兩軸，則可形成一個仿生坐標，或稱仿生平面，以更為直觀和清晰的方式分門別類地進行仿生工作的劃分和標定，如圖1所示。

從圖1中可以看出，這種分類方式還包含了研究深度的繼承和遞進關系。從左至右，各項內容主要是以復雜度的增加為主；自下而上，則體現(xiàn)于綜合性的提高（圖1中未將轉基因和克隆等生物學自身技術歸類于仿生研究，且各例僅為描述方便而設，尚待推敲）。

不難想象，攝影界常見的魚眼鏡頭是從結構上對魚眼的仿生，以獲得更大范圍的廣角功能。這種通過結構模仿以獲得相應功能的方式，也應歸結為可視層-表象級中的結構類-器官型仿生。而在仿生偽裝中與綠色植物的同色同譜要求，則是解析層-表象級中結構類-細胞型仿生。如能將其從功能角度進行葉綠素的實現(xiàn)，即具有在陽光下將二氧化碳與水合成為有機物的能力，則不管其顏色是否為綠色，均應定位于對葉綠素的解析層-功能級中本能類-細胞型仿生。若是更進一步，全部模仿了葉綠素的結構、功能，甚至顏色、性狀都一致，那就應歸類為解析層-分子級中的材料類-細胞型仿生。

僅就電磁仿生而言，暫時定位于解析層的功能仿生即可。具體則應屬于針對神經(jīng)組織在電磁環(huán)境下所具有的抗擾及自修復本能的仿生。的確，神經(jīng)組織在強場環(huán)境中的抗擾能力、修復機制并未完全明了，尚需更為深入的探索。但即便如此，該領域中的已有成果、現(xiàn)代電子技術的長足發(fā)展和電子設備電磁防護的迫切需求，已使相關研究初具條件，也是現(xiàn)階段所能起步的基礎所在。

3.3 電磁仿生研究中的領域對等

如將某一生物或其組織看作是一個功能系統(tǒng)，則電子系統(tǒng)即為由人類制造的特殊生物。兩者至少在概念上有所對等。盡管這種基于表象的對等方式尚待商榷或深化，但畢竟簡捷、直觀、邏輯完整。在現(xiàn)有的硬件技術保障下，足以啟動某些生物特性在電子系統(tǒng)中的等效實現(xiàn)研究[6]，進行抗干擾、自修復嘗試。將生物個體的基本結構特征直接映射至電子系統(tǒng)便可看出，兩者之間存在著微妙的結構對應關系和較高的區(qū)域相似度，如圖2所示。

圖2 生物、電子領域對等模型Fig.2 Field equivalence models for biology and electronics

圖2中，結構配置位串和脫氧核糖核酸分別標定了現(xiàn)場可編程門陳列（FPGA）電路和生物細胞的結構與功能。并且，通過各自信息元素所形成的對等特征，使得二者之間具有了一定的映射關系。在此基礎上，F(xiàn)PGA片內海量基本邏輯單元則可看作生物體內眾多的細胞，映射關系則為“演化操作”。由此類邏輯單元所構成的功能電路則可看作為生物細胞形成的組織，其映射關系為“魯棒策略”。進而，又可經(jīng)由各種“組織”而形成具有一定功能、能在某種程度上自修復的“仿生器官”，此時的映射關系為“自律特性”。多個相互關聯(lián)的芯片形成了結構復雜、功能完備的板卡，等同于生物領域中的系統(tǒng)，映射關系為“簡并機制”。不同功能單機和以此為基礎的相關網(wǎng)絡則是分別以“人工智能”和“耗散理論”[2]為映射關系，直接對應于具有智能行為的生物個體及群落。

對于以功能仿生為主要研究方向的電磁防護仿生而言，目前在技術上則是集中于狀態(tài)-電路區(qū)間的板卡級、芯片級或是功能電路級的可靠性研究?？梢灶A見，將來若是能有“蛋白質”計算機的出現(xiàn)，則必然是仿生工作的巨大成就。

3.4 電路實現(xiàn)時的對等區(qū)間

以前述“自律三特性”為代表的廣義自律機制，落實到具體對象之后，不妨也稱為“進化”。無疑，這將成為電磁防護中仿生研究的重點所在。參照仿生坐標和對等模型，并從具體的技術和實現(xiàn)角度考慮，其抗擾和防護研究又可規(guī)劃如圖2中的3個區(qū)間進行。

1）行為-整合區(qū)。從耗散結構、生物抗擾原理和仿生修復機制角度進行電子系統(tǒng)的電磁防護能力與自修復能力的宏觀研究。該層面的研究重點關注整體特性，多以黑箱方式描述。因此，應將生物個體和群落中均能體現(xiàn)的自組織過程及其簡并性、進化性恰當?shù)靥崛〔⑷诤系诫娮酉到y(tǒng)的電磁防護方面，通過引入新的抗擾電路理念和網(wǎng)絡結構，以形成新的規(guī)劃和設計思想。

2）狀態(tài)-電路區(qū)。從簡并和自律機制角度，特別是從環(huán)境自適應的要求進行網(wǎng)絡結構、抗擾系統(tǒng)等穩(wěn)定性、魯棒性的具體研究。該層面重點關注系統(tǒng)某一信息傳輸或裝備控制環(huán)節(jié)的內部運作規(guī)律，多以模型方式描述。因此，可以通過仿真平臺的建立，深化研究其給定狀態(tài)、現(xiàn)行狀態(tài)和干擾環(huán)節(jié)，形成相應的狀態(tài)方程并可按照定量方式推知其抗擾或自修復狀態(tài)。最終目標是在過強的干擾使得工作程序、系統(tǒng)狀態(tài)紊亂甚至遭受局部硬損傷的情況下，仍能不依賴外界的支援而逐步自行修復，進而完成全部或部分預定功能[7]。

3）結構-元件區(qū)。從生物基礎特性和物理原理、元件方面進行具體抗擾電路的實現(xiàn)研究，多以新型的基礎器件甚至是新型材料、以及具體配置模式為主，通過多方面進行降低電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境敏感度[8]的努力，使其提高基礎抗擾水平，并形成一個能夠滿足自修復要求的基本電路環(huán)境。

總之，該項研究的深化需要通過建立抽象的布爾網(wǎng)絡模型來進行[9]。借助信息熵的概念和計算方法，研究細胞網(wǎng)絡組織的簡并特性，以分析其對于網(wǎng)絡功能魯棒性的影響。同時，利用神經(jīng)元電生理模型，研究神經(jīng)元之間相互耦合、調控的關系，再分析其對于神經(jīng)信息處理抗擾及防護特性的影響。整個研究的重點，則是在于從抗干擾和自修復角度進行仿生電路的實現(xiàn)。

4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡結構的抗擾原理

干擾是所有類型的信息處理系統(tǒng)所面臨的最基本問題之一。對于生物而言，尤為如此。神經(jīng)網(wǎng)絡的干擾來源眾多，例如，離子通道的隨機打開與關閉、神經(jīng)遞質的隨機釋放、突觸電流的隨機輸入，以及各種頻段的電磁波和脈沖電磁場的干擾等。然而，生物系統(tǒng)對此似乎并不敏感。實際上，生物系統(tǒng)的復雜程度遠高于目前各類控制系統(tǒng)，但其優(yōu)異的可靠性卻使當今所有人工系統(tǒng)望塵莫及。因此，電子系統(tǒng)的可靠性問題有望通過借鑒生物系統(tǒng)的可靠性機理及其抗擾方式得以改善，即在電磁領域中創(chuàng)建一種基于仿生機制的新型防護模式和工程實現(xiàn)。

4.1 仿生對象的網(wǎng)絡模型

對于細胞網(wǎng)絡的動態(tài)行為，布爾模型提供了較為簡潔的形式化描述，并已被廣泛應用于生物網(wǎng)絡的建模分析。此類模型十分有利于描述大規(guī)模網(wǎng)絡的復雜行為，可以定性地分析系統(tǒng)的功能特征與拓撲屬性，以及驗證其對于提高生物網(wǎng)絡魯棒性的作用機理與重要關系。結合電磁仿生理論研究、電路實現(xiàn)和實驗驗證的具體需求，可以建立一種基于前饋方式的布爾網(wǎng)絡拓撲模型，如圖3所示。

圖3中，輸入層的各個節(jié)點代表神經(jīng)元或細胞表面的信號感知受體，直接感受外部環(huán)境刺激。處理層中的各個節(jié)點代表信號傳導信使，其結構和功能如圖3右側內容所示，其中，節(jié)點的輸出w系由加和閾值函數(shù)計算得出，分為激活和抑制兩種狀態(tài)。輸出層節(jié)點代表細胞內的效應靶蛋白，輸出該網(wǎng)絡對外部刺激所做出的總體響應，如對代謝途徑、基因表達或細胞性狀的調節(jié)。所有節(jié)點均可為多輸入結構，但相互之間僅為前饋連接，并能夠根據(jù)需要而組合形成多個結構不同、功能各異的子網(wǎng)絡。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡的簡并特性

生物神經(jīng)網(wǎng)絡結構龐大，可進一步劃分為滿足某一輸入和輸出關系的多個子網(wǎng)絡，即“拓撲通路”[10]，以形成功能模塊。所以，每項局部功能均由一組神經(jīng)元連接形成的特定結構網(wǎng)絡完成。

盡管單個神經(jīng)元的功能簡單，但作為網(wǎng)絡節(jié)點時，卻可按交集的方式連接在結構并不相同的通路或模塊之中，以不同的參與程度工作于不同的模塊，使其既能夠做出自身獨特的貢獻，又能夠保持與其他神經(jīng)元具有部分功能重疊的能力。此類特性使得作為個體的每個神經(jīng)元均有機會在整個系統(tǒng)中發(fā)揮作用，而個體功能的喪失又對整體影響不大。

因此，以這種方式形成的模塊便具有了多輸入、多輸出、結構各異（異質化）的特征。在不同模塊具有各自功能的前提下，也可出現(xiàn)部分模塊中子功能的重疊。甚至在特定情況下，不同功能的模塊可對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生相同的貢獻和作用。此即生物網(wǎng)絡中一種獨到的簡并特性[11]，使得生物系統(tǒng)等同于具有了裕度設計，成為了提高魯棒性的主要原因之一[12]。該特性對于電磁防護仿生研究而言，尤為重要。

4.3 網(wǎng)絡模型的功能分析

需要特別強調的是，上述異質化結構之間功能的部分重疊可以類似于功能的部分冗余，但并非一般冗余概念中所采用同質化部件、以結構性重疊保證冗余單元在功能上的重疊。簡并和冗余在概念和結構上的基本區(qū)別如圖4所示。

圖4 簡并與冗余的結構區(qū)別示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure difference between degeneracy and redundancy

在圖4所示的模型中，外界信號均由輸入節(jié)點進入，經(jīng)過多個信息處理節(jié)點的調控通路，最后再由輸出節(jié)點整合輸出。簡并結構的特征是其信息處理功能由多個不同結構的模塊共同完成，且不同模塊之間可能具有部分功能或節(jié)點的重疊（如簡并結構中的模塊二和模塊三），但各節(jié)點功能保持一定的獨立性；而冗余結構的特征則是多條通路或多個模塊的結構和功能完全相同（如冗余結構中的模塊一至模塊三），并且相對應的位置上信息處理節(jié)點功能具有同等的特性。

復雜電磁環(huán)境的干擾主要體現(xiàn)于對調控方式的干擾，即影響了激活或抑制作用，引起異構模塊的不同響應，從而改變其對系統(tǒng)功能的貢獻程度。所以，任何節(jié)點的狀態(tài)在遭受擾動時，均能夠激發(fā)所涉及的各個模塊發(fā)生相應狀態(tài)的后續(xù)變化。這些變化既可能使某些模塊的功能降低，又可能使某些模塊的功能增強。如果功能增強的模塊能夠補償（或緩解）功能降低的模塊對網(wǎng)絡整體功能的負面影響，便可認為內部節(jié)點相互之間形成了一種功能動態(tài)代償機制，即具備了抗擾功能。

可以認為，冗余資源只是簡并研究和功能魯棒性提高過程中的基礎或必要條件，而冗余結構則可看成為簡并研究中某一個異質化模塊的同質化特例。所以，在提高電路整體功能的魯棒性方面，簡并性所起到的作用遠大于傳統(tǒng)的冗余方式，而且是充要條件并起到主要的作用。

不言而喻，按照此類方式形成的功能電路將比使用傳統(tǒng)方式設計的同樣功能電路遠為復雜。盡管如此，系統(tǒng)的總體規(guī)模因為復用節(jié)點的存在而可能比冗余結構有所降低。然而，簡并結構的最大優(yōu)勢在于利用了這種局部的簡單電路復雜化方式，以使得生物中的某些現(xiàn)象（如涌現(xiàn)）在電路中也成為可能，從而有望從整體上實現(xiàn)電路的抗擾、修復等復雜問題簡單化。

5 基于神經(jīng)突觸功能的自修復機制

盡管電子系統(tǒng)與生物系統(tǒng)多有相似之處，但其畢竟是由人類制造和使用的被組織系統(tǒng)，不能自發(fā)地進化，更無法在需求變化時自主形成新型結構。特別是，電子系統(tǒng)的局部毀損可能使得整體功能瞬間喪失，某些器件甚至是在沒有任何征兆的情況下突然失效。所以，需將“被組織”與“自組織”方式有機結合于電子系統(tǒng)之中，針對電路的局部損傷進行基于仿生概念的修復研究。這不僅需要深入的理論分析，而且必須從實現(xiàn)的角度進行新的概念或原理探尋，以爭取形成相應的防護技術。

5.1 神經(jīng)突觸的基本功能

一般描述的生化網(wǎng)絡、基因網(wǎng)絡、神經(jīng)網(wǎng)絡、p53網(wǎng)絡等均屬復雜適應性系統(tǒng)，包含了許多個體的多層次作用和關系。最為典型的是生物大腦，主要由大量不同功能的神經(jīng)網(wǎng)絡連接而成，每個神經(jīng)網(wǎng)絡又由數(shù)以億計的神經(jīng)元構成。神經(jīng)元是生物神經(jīng)網(wǎng)絡的基本單元，其表面具有成百上千的突觸。所有神經(jīng)元均經(jīng)突觸以極為復雜的方式相互連接，從而形成了最基礎的信息傳輸通道。

突觸包括化學突觸和電突觸兩種。電突觸通常又有雙向和單向之分。電突觸傳遞信號的本質是電耦合，能通過同步放電行為[13]使得一個神經(jīng)元膜電位的變化被另一個神經(jīng)元快速感知并做出反應。實際上，化學突觸的動力學特性更為豐富，但與電耦合的作用機理有著本質的不同，對神經(jīng)網(wǎng)絡的作用自然也就不盡相同。鑒于電磁仿生研究工作更為注重從電路角度的實現(xiàn)，因此，相關的仿生研究在目前主要關注電突觸耦合機制及其對系統(tǒng)的影響。

5.2 可塑特征和旁路易化

實現(xiàn)電突觸耦合的三項基本內容為連接方式、耦合數(shù)目和權重分布。而最為重要的當屬體現(xiàn)“動態(tài)”和“可塑”特性的權重分布。通過可塑性，突觸能夠根據(jù)外界刺激、環(huán)境變化、內部損傷等情況自主調節(jié)各個神經(jīng)元之間的連接關系，使神經(jīng)元靈活地參與相應功能的神經(jīng)元集群運算，甚至通過改變網(wǎng)絡結構來保持或變更功能，以適應環(huán)境變化及穩(wěn)定正常運行。與神經(jīng)元一樣，突觸在仿生防護研究中也被視作一種基本的結構單元。

神經(jīng)元之間特定的權重分布變化，可以通過不同的激活或抑制方式將以往權重較小以及梯度較低的代償功能顯現(xiàn)，或作為調控手段而形成新的模塊結構，從而等效于網(wǎng)絡的可塑。若過強的干擾造成了一些神經(jīng)元的損傷時，便能用結構的調整以等效于故障的排除。

在人類腦損傷后的功能恢復時期，需對受損區(qū)域周邊其他正常結構予以適度的功能訓練。從而，使其除了完成正常運作外，對于受損部位的功能也能部分分擔，并且使其功能梯度逐漸得到提升。若是現(xiàn)有的神經(jīng)通路已經(jīng)無力代償，則需喚醒冗余的神經(jīng)元通道，發(fā)育出更多、更長的突觸結構，形成側枝與前端存活的神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系，以跨越死亡或失能的神經(jīng)元。這種神經(jīng)系統(tǒng)在損傷之后進行側枝強化甚至是重組以形成新的結構、予以功能代償過程，稱為旁路易化。

5.3 仿生電路的修復機制

通過電磁仿生方法進行復雜電磁環(huán)境下電路的防護機制研究共有兩項內容：一是如何有效抵御已知和未知的干擾以使系統(tǒng)輸出盡量不受影響；二是過強的干擾造成了電路局部損傷后如何使其功能恢復。前述神經(jīng)網(wǎng)絡的簡并性研究可從理論上部分解釋抗擾電路的工作原理，而電路損傷后的自修復工作則需參照腦損傷后的自愈過程，利用突觸可塑的機制予以實現(xiàn)。

簡并設計可使功能節(jié)點之間具備功能的動態(tài)關聯(lián)并表現(xiàn)出相應的容錯能力，以完成短時程的抗干擾；而可塑機制使得節(jié)點之間的調控權重能夠發(fā)生相應變化，屏蔽受損節(jié)點以獲得長時程的適應性，即實現(xiàn)在復雜電磁環(huán)境下的自修復。

因此，能夠快速激活的系統(tǒng)容錯能力與需要較長時間調節(jié)的環(huán)境適應能力，共同構成了基于生物特征的仿生防護和故障自修復的基本機制和模式，即在電子系統(tǒng)中，通過從整體層面模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡的簡并性以及在局部環(huán)節(jié)借鑒神經(jīng)突觸的可塑性，進行具有功能簡并和結構可塑特征的電路實現(xiàn)。

6 抗擾與修復的領域轉換和等效實現(xiàn)

生物神經(jīng)系統(tǒng)的許多工作細節(jié)仍然鮮為人知。與硅基集成電路相比，并不僅僅是其信號傳遞方式的不同。在電壓、電流以及電磁場的微觀作用效果、相互關系等諸多方面，甚至未必可用目前所熟知的物理定律來解釋。而且，從直觀的邏輯對等、模型對等難以過渡到可供描述本征特性的數(shù)學對等。但是，相關的基礎領域在原理、器件和工程技術方面的突破，為這種跨學科的研究提供了可靠的支撐和強大的動力。

6.1 抗擾問題的領域轉換

結合圖2所示的生物系統(tǒng)與電子系統(tǒng)之間的對等結構可知，基于生物與電子系統(tǒng)的種種相似性，可將某一生物看作是特殊的電子系統(tǒng)，而把電子系統(tǒng)看作是由人類制造的特殊電子生物，從邏輯上將這兩個系統(tǒng)歸納至對等領域[14]。

因此，傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)抗擾等問題可以映射至生物領域進行分析，對生物優(yōu)良的抗擾能力進行產(chǎn)生條件、作用機理的深入探尋，參考、借鑒其相關特征，充分利用生物與電子系統(tǒng)間的結構、功能、組織、能量等各方面的對等規(guī)律及數(shù)學、概念等模型和方法，給予被仿生物以恰當?shù)某橄竺枋?。進而，再將這些模型返回電子系統(tǒng)實驗和設計領域，完成其本征特性的工程描述，爭取實現(xiàn)能夠反映生物優(yōu)良特征的硬件電路。此即領域轉換的基本概念。

如前所述，若是選取合適的FPGA等類可重構邏輯器件作為仿生實現(xiàn)的載體，并輔以遺傳算法等軟件技術，便有望建立準確、實用、有效的生物-電子對等轉化機制，使仿生對象的本征特性抽象化、等效模型具體化。輔之以模擬或仿真作為工具，通過由生物到電子系統(tǒng)的領域轉換方式，也有望將生物的某些抗擾和自修復特性在電子系統(tǒng)中進行等效實現(xiàn)。

6.2 功能電路的仿生設計

在明確了網(wǎng)絡簡并性的表現(xiàn)形式、抗擾機制[15]以及領域轉換的概念之后，如何將生物領域中功能的描述從模型的建立和仿真逐步轉換至實驗驗證電路的實現(xiàn)，已經(jīng)無可回避地成為了十分棘手但又意義非凡的任務。

使用模擬電路針對神經(jīng)元電生理模型和突觸模型的神經(jīng)元電路進行模擬[16]，分析神經(jīng)元網(wǎng)絡模型中不同參數(shù)對網(wǎng)絡抗擾特性的影響規(guī)律，研究神經(jīng)元網(wǎng)絡抗擾的內在機制，是一種最為直接、有效的領域轉換工作?，F(xiàn)有技術條件下數(shù)字電路的固有優(yōu)勢，使得基于數(shù)字電路的相關研究和后續(xù)的應用探索能夠更具價值。

各種生物網(wǎng)絡（特別是大腦）中均存在大量冗余單元，但生物并非通過簡單的冗余備份來維持系統(tǒng)功能，而是形成了簡并的方式以提高系統(tǒng)功能的魯棒性。以數(shù)字電路為基礎，可在系統(tǒng)具有足夠復雜度的情況下通過數(shù)值計算模型[17]分析其簡并性，以測算其功能魯棒性[18]。不同的模塊對于擾動的魯棒性也不盡相同[19]。

猶如生物系統(tǒng)，這些模塊同樣可以采用演化的方法[20]進行其結構的探尋、調整和優(yōu)化[21]。系統(tǒng)此時雖處“亞穩(wěn)定”狀態(tài)，但有望與干擾環(huán)境形成一種“動平衡”，以收抗擾之效。一些相關實驗亦可較為方便地完成于基于FPGA芯片的基礎電路之中[22]。

6.3 故障自修復的等效實現(xiàn)

從4.2節(jié)的討論結果中可知，在具有自修復機制的系統(tǒng)中，每項功能必有一個專用的神經(jīng)元網(wǎng)絡與之對應，以確保其對于請求的響應。而每一個神經(jīng)元或功能模塊又都可能連接在不同的網(wǎng)絡中，不同程度地參加一項以上的功能實現(xiàn)，即功能上具有不同程度的重疊。這樣，不同的網(wǎng)絡或子系統(tǒng)既可對系統(tǒng)中各自節(jié)點起到支撐作用，還能對其他節(jié)點以簡并方式給予相應的備份和輔助，即有了主業(yè)和副業(yè)之分，且能按其不同的重要度形成連接上的權重或梯度，并體現(xiàn)于系統(tǒng)不同的運行狀態(tài)之中。

對于大規(guī)模的FPGA電路而言，只要不是全局性的毀損，并且故障能夠定位，前述旁路易化的工作就能夠進行。一旦某個模塊或節(jié)點失效，則立即調整相關權重，使其能夠盡快被其他模塊或節(jié)點予以代償。所以，自修復工作絕非試圖將物理毀損的電路單元修復，而是借鑒生物的旁路機制，將其易化為其他正常單元的代償。進而，以等效方式實現(xiàn)故障單元的變位修復[23]。

此外，在電路的受損單元或環(huán)節(jié)無法定位的情況下，系統(tǒng)還可利用自身的冗余空間和系統(tǒng)中尚能正常工作的部分（如傳統(tǒng)的Triple Module Redundancy（TMR）結構中某一模塊出現(xiàn)故障后的情況），同樣可以不斷生成功能相同但結構相異的電路，自動、反復地進行試探性的下載和驗證[24]。當某種結構恰能避開故障單元時，便可等效于得以旁路掉故障的電路，實現(xiàn)受損功能的激活和修復。

7 深化研究內容與應用領域

目前，不同工程技術領域的仿生研究正處于百家爭鳴、快速發(fā)展的階段。其共同特點是涉及的知識點多、領域面廣、整體難度大、研究周期長。然而，此類研究特色鮮明，具有傳統(tǒng)方法難以企及的獨到優(yōu)勢。無論是電路抗擾設計，還是故障修復研究，均可將相關生物領域的獨特機制引入，并有望嘗試打破有機與無機、自然與人工，甚至是人與機器的界限。

7.1 周邊領域進展與仿生深化

隨著仿生理論研究的日益深入和相關電子技術的飛速發(fā)展，特別是量子限器件[25]和量子計算方式[26]的出現(xiàn)，又標志著能予借鑒或可供依托的科學研究深入到了量子化層面。而突觸電路、Deoxyribonucleic Acid（DNA）芯片和憶阻器等關鍵技術在硬件結構、新型器件領域的突破，不僅有助于更為直接地通過電路和實驗進行抗擾、修復的基本原理和機制的實現(xiàn)與驗證，更可使得利用生物網(wǎng)絡簡并性和突觸可塑性等概念進行的電子系統(tǒng)抗擾及自律研究提升到一個更高的層次，為電磁仿生的整體發(fā)展提供更為新穎、實際的動力源和參照系。至少，能將這些以往看來是截然不同的領域從邊界上予以模糊、跨越和融合，進而達到學科交叉、共同作用的效果。

在這種情況下，除可繼續(xù)根據(jù)生物部分未明的黑盒抗擾結構進行行為級[27]中的網(wǎng)絡簡并研究、完成相應的實驗驗證之外，更能以了解和推定生物神經(jīng)網(wǎng)絡的主要內部工作結構為前提，開始其狀態(tài)級中的功能梯度研究，從系統(tǒng)的運行狀態(tài)層面理解細胞網(wǎng)絡的拓撲復雜性和簡并性，及其對于魯棒和演化特征的作用機制。進而，推斷網(wǎng)絡內部尚未明確的各個黑盒的組成，深入、有效地尋求系統(tǒng)完整的工程描述，以便更為明確、針對性更強地進行結構級中的旁路易化研究。在此基礎上，便可嘗試結合具體電子信息設備進行實質性的加固設計，以期提高其在不可預知的復雜電磁環(huán)境下的可靠性與生存能力。

7.2 自律基礎上的免疫與康復

根據(jù)仿生電路的防護機制，在前述電路演化的研究過程中，對于新功能、新結構的涌現(xiàn)進行了簡單驗證，并證實了在仿生實驗中自組織策略確定后，通過結構網(wǎng)絡的不斷變化，功能網(wǎng)絡逐漸得以自動形成的有趣現(xiàn)象[28]。可以推斷，若是一個電路網(wǎng)絡結構能在特定的干擾環(huán)境下以自組織方式演化生成，則可以認為該電路針對此后所遇到的同樣干擾擁有了抗擾功能，而且是一種自然的免疫。

如前所述，若是系統(tǒng)在某環(huán)境的工作中需要頻繁修復，則必定意味著該環(huán)境導致故障的因素太多，或是系統(tǒng)對環(huán)境的適應度不夠。因此，尚可按照繼續(xù)演化的方式，不斷在具有基本功能的不同結構中再行選擇。直至能在一定程度上滿足環(huán)境的適應度要求時，便固定于該結構，使其能夠適應新的工作環(huán)境。即在自修復基礎上再行結構重組，上升為自適應。

實際上，具有足夠冗余空間的FPGA系統(tǒng)只要不是整體毀損，便有望采用不同的方式進行電路修復。如果系統(tǒng)能在帶傷運行的基礎上[29]完成自修復，且能夠通過反復、適當?shù)淖晕覍W習和訓練而自適應新的環(huán)境或任務，則是實現(xiàn)了相對于修復工作難度更高的康復目標。

7.3 電磁防護仿生的應用與展望

基于電磁防護仿生概念的電路抗擾和故障自修復工作在信息傳輸、裝備控制領域中，特別是針對很難或無法回收修復的系統(tǒng)，或是對于修復環(huán)境要求苛刻、無法直接進行人工修理、維護和干預的設備等，意義重大。若能夠形成相關的技術，則可以使電子系統(tǒng)不但能在復雜電磁環(huán)境下完成通常只能在正常環(huán)境下完成的工作[30]，而且還有助于在常規(guī)電路的應用中，增大電子器件的選取范圍，甚至使用較為方便、易購的普通芯片代替抗擾能力較強、但供貨不易保證的高等級芯片，從而還可解決在制造和維修過程中此類芯片購貨渠道不暢、易被制約和價格過高等問題。

另一方面，目前的各類仿生算法多指受到生物系統(tǒng)啟發(fā)、模擬其演化規(guī)則而設計的計算方法，例如，蟻群算法、遺傳算法、粒子群算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。這些傳統(tǒng)方法已被研究多年，且得到了廣泛應用。雖其成效顯著，但仍留有諸如蟻群算法的過早停滯、遺傳算法的近緣雜交以及上述所有類型共有的求解過程復雜、運算時間太長等固有缺憾[31]。

簡并與可塑的概念雖是通過電磁防護仿生研究而引申至硬件電路設計領域，但其“變結構、定功能”的核心思想?yún)s仍可拓展到相應的軟件研究之中。特別是自律三特性的引入，不僅僅能在表象層面，更重要的是在功能層面也可以進行具有實質性生物機理和內容的軟件仿生[32]，加強具有自適應功能的演化軟件[33]等領域的研究。進而，可望為深入解決噪聲中的信號處理問題而形成軟件抗擾新方法，或是在網(wǎng)絡虛擬空間的路徑規(guī)劃、網(wǎng)格計算資源的發(fā)現(xiàn)和組織、維持網(wǎng)格平臺的負載均衡和提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的容錯性[34]等方面，形成獨到的優(yōu)勢。

8 結語

實踐證明，通過電磁學、電子學和生物領域的深入交叉和有機融合，使復雜電磁干擾環(huán)境下芯片一級的新型防護設想在理論探索與系統(tǒng)實現(xiàn)兩方面，均具備了深化研究的可能和明確實施的前景。采用革命性的思路、策略和技術，對傳統(tǒng)電路設計和電磁抗擾方式予以進一步強化、補充與完善，使其既能綜合已知，又可防患未然，已是電磁仿生研究的基本目標之一。從而，有望整體拓寬電磁防護的科研領域與項目規(guī)模，并爭取能夠進入具體的實用階段。盡管目前此類工作仍然面臨諸多理論難題和技術障礙，但其巨大的研究潛力和穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢已初現(xiàn)端倪?？梢灶A見，今后電子-生物結合的重要程度，決不亞于早年電子-機械結合，而且其規(guī)模和影響可能更為宏大和深遠。

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