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在信息化社会迅猛发展的今天,提高信息传递的保密性、有效性及效率成为当下科学和技术发展的重心。纳米级尺寸的新型非线性器件忆阻器拥有断电非易失性等特点,忆阻器的提出为智能信息处理带来了新的解决方案。在非线性电路的构建中加入忆阻器,基于忆阻器的混沌系统拥有更加丰富的动力学行为,产生的混沌信号拥有更佳的伪随机特性,并且在功耗和体积等方面比传统的混沌系统更占优势。使其在图像加密、扩频通讯以及保密通讯等范畴有更高的研究价值。本文研究了忆阻器的数学及物理结构,分析了对应的基本电学特性与非线性特性,结合忆阻器与混沌系统,设计出基于忆阻器的混沌系统及其所对应的电路。紧接着,本文将忆阻器用于人工神经网络,建立了忆阻细胞神经网络。本论文重点探究了4个部分:(1)研究了忆阻元件的数学模型,并建立了其对应的PSPICE模型,利用数值仿真和电路仿真探究其物理机制,进而验证了其电学特性。(2)构造了具有心型吸引子的忆阻混沌系统。不同于以往的忆阻混沌系统,本系统不仅利用了忆阻器的非线性特性,还利用其可调控特性。忆阻器极性的改变会使该系统产生镜像吸引子,并且随着忆阻参数的调整该系统状态能在混沌态、周期态、稳定态之间转换。使得该系统能同时运用到需要产生混沌信号的系统和需要抑制混沌信号的实际运用中。此外,探讨了该忆阻混沌系统的基本特性如Poincaré截面、Lyapunov指数、分岔图等,并建立了对应的PSPICE仿真电路。(3)提出了一个新型忆阻时滞混沌系统。对提出的忆阻时滞混沌系统进行了稳定性分析,确定了显示系统稳定平衡点的相应参数区域。讨论了在不同参数情况下的系统状态,系统呈现出形态各异的混沌吸引子相图,表现出丰富的混沌特性和非线性特性。将忆阻时滞混沌系统用于产生伪随机信号,并经过实验证明所提出的系统具有良好的相关性,同时能获得相对显著的近似熵。该时滞混沌系统具有复杂的动力学行为和良好的随机性,能满足扩频通信和图像加密等众多领域的应用需要。(4)构建出一种新的忆阻细胞神经网络。改进了传统的忆阻突触桥电路,使之除了具有传统突触桥电路的优势外,还具有更加简化的电路和简化的权值变化条件。通过PSPICE仿真模拟了该突触电路能够实现权值运算。另外,将忆阻细胞神经网络用于图像处理的去噪和边缘提取,实验结果表明忆阻细胞神经网络在图像处理的应用中具有良好的效果。所提出的忆阻细胞神经网络可以减小电路尺寸及提高运算速度,电路结构具有更紧凑和更通用的优点,有助于促进人工神经网络的硬件实现。