近年来,受大脑工作机制启发建立具有人类水平的类脑智能逐渐成为人工智能领域研究的热点,因此借鉴大脑的信息处理方式,建立存算一体的神经网络以实现具有学习、记忆及产生情感等能力的类脑智能是必要的。然而当前有关类脑智能的诸多研究并未基于神经元、突触等基本单元构建存算一体的类脑信息处理架构,导致无法执行分层和并行的信息处理,不能有效解决冯·诺依曼瓶颈,且由于过多地简化了大脑的相关工作机制,使得所实现的功能不够仿生;此外大部分工作特别是有关类脑情感的研究是基于软件算法来实现的,尽管也在追求不同的算法和体系结构以提高训练效率,但使用模拟电路来实现部分甚至全部软件算法的功能,可以达到更高效的加速目的。因此,本文利用忆阻这种具有记忆功能的存算一体器件,设计仿生的神经元和突触电路,结合大脑学习、记忆等生物学原理,设计类脑的学习与记忆电路,在此基础上,充分借鉴大脑情感学习等生物启发式模型以及大脑边缘系统中的情感产生机制,设计类脑的情感信息处理架构,实现存算一体的类脑情感生成与演化。主要的创新工作和研究成果如下:为构建功能仿生、结构简单且易于级联的神经元和突触模块,基于忆阻的阻值可塑、记忆等特性,结合大脑中神经元、突触的功能和连接结构,分别设计了忆阻神经元和突触电路,作为后续实现类脑功能电路的基本单元模块。所设计的忆阻神经元实现了类似生物神经元的激活和静息过程,可完成对输入信息的高效处理;所设计的忆阻突触可根据来自前后神经元的信息连续地调节权值,实现了仿生的学习和遗忘功能。为了更仿生地模拟大脑的学习与记忆方式,基于巴甫洛夫联想记忆实验中的学习和遗忘原理,对所设计的忆阻神经元和突触电路进行适应性的功能扩展和级联,建立了具有多种学习和遗忘功能的联想记忆忆阻电路,并且其学习和遗忘的速度可根据学习次数的不同进行自适应的调节,即模拟了重复的训练可提高学习速度、减慢遗忘速度的过程,从而实现了类脑的学习与记忆功能。基于联想记忆忆阻电路中的学习和遗忘规则及电路实现方式,结合情感学习理论,构建了可通过对某种情感进行联想学习从而习得类似情感的单联想情感学习电路;在此基础上,结合情感融合原理,提出了多联想情感学习机制,基于该机制将多个单联想情感学习电路进行级联,设计了可不断地基于各种不同的原始情感去习得不同新情感的多联想情感学习电路,从而可有效地模拟大脑的情感发育过程。为了从功能和结构上全面地模拟大脑的情感生成过程,首先基于大脑情感学习模型和生物长短时记忆模型,构建了类脑的多模态情感信息处理架构,然后采用自下而上的电路设计方法,基于所设计的忆阻神经元和突触,构建相应的功能模块模拟大脑边缘系统中与情感生成有关的神经核团的功能,再根据所建立的类脑情感信息处理架构将功能模块进行级联,实现了可基于视觉、语音和文本等多模态信息在二维情感状态空间中进行情感生成的忆阻电路。基于所构建的类脑情感信息处理架构,借鉴情感的时空演化理论,建立了内调节和外刺激相结合的类脑情感演化模型,在此基础上,通过对类脑情感生成忆阻电路中所设计的神经核团功能模块进行适应性的功能扩展和级联,设计了可基于时间信息进行无意识情感演化的内调节情感演化忆阻电路,以及可基于多模态信息进行有意识情感演化的外刺激情感演化忆阻电路,它们相互协作可高效地模拟大脑的情感演化过程。本文的研究成果给用模拟电路的方式实现类脑情感学习、生成和演化提供了新思路与借鉴,为硬件实现更大规模的类脑情感电路奠定基础,为实现情感机器人的类脑情感学习、生成和演化系统等相关功能带来新的希望。