一种仿生脉冲温度调节器的设计、建模与分析

在生物学中，稳态是维持内部环境稳定的过程，这对于维持生物体最佳功能至关重要。热调节是关键的稳态机制，使生物体能够在暴露于广泛变化的外部温度时维持核心温度。热感受神经元在身体各部位（包括肌肉、脊髓和大脑）发挥着重要作用，提供用于核心温度的脉冲感应信号。针对这些信号，热效应器被激活，形成负反馈回路。此外，皮肤中的温度敏感神经元提供了外部温度的前馈信号。本文提出一种基于电子电路的体系结构设计来复制生物热调节过程，并进行形式化数学分析。所考虑的体系结构由四个温度敏感神经元和一个执行器组成，配置在负反馈回路中，带有前馈控制。为对整个系统进行数学建模，提出了混合动力学描述，用于分析和模拟该设计的性能。分析和数值案例研究说明了前馈控制在减少对外部温度依赖方面的关键作用。