细胞内生物大分子相分离在生理与疾病中发挥重要作用. 首先基于扩散动力学、Hill动力学, 提出了一种细胞内核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA) 与 RNA 结合蛋白 (RNA-binding proteins, RBPs) 的动态相分离理论. 基于扩散动力学模型, 获得了RNA 与RBPs 多相 (多种相、多重相) 分离特性. 研究发现, 细胞内 RNA 与 RBP 的动态多相分离机制, 主要源于 RNA 与 RBP 生化反应相互作用以及特定的扩散性. 通过生化反应相互作用, 以不同速率扩散的 RNA 与 RBP 通过结合域结合反应, 使得扩散较快的 RNA、RBP 反应聚集, 形成扩散较慢的 RNA-RBP 复合物. 由生化反应作用导致的 RNA 与 RBP 间的扩散关联, 致使RNA 与 RBP 形成多种、多重凝聚相. RNA 与 RBP 生化反应的周期振荡, 会形成振荡传播波 (类似化学波), 波动性会导致 RNA 与 RBP 浓度空间分布不均形成凝聚相, 表明了 RNA与 RBP 凝聚相形成与相分离的耗散结构特性. 可以预测, RNA 与 RBPs 的相分离不仅源自于扩散效应、溶解度的改变, 还与 RNA 与 RBP 生化反应的周期振荡相关. 结合平均场理论,获得了扩散系数与 Flory 相互作用参数的对应关系, 不仅深刻理解体系中多种相互作用与扩散性的联系, 而且更全面揭示了 RNA 与 RBP 多相分离的物理本质. 研究结果符合实验观测,可为后续研究及应用提供参考.

微流控技术为体外构建人造微血管组织提供了一种有效方法. 提出一种三层微流控芯片, 利用聚碳酸酯 (polycarbonate, PC) 多孔膜, 将培养液通道与组织腔室分隔开. PC 多孔膜的微孔结构可以在垂直方向上形成毛细管爆破阀, 使得水凝胶可以在液体表面张力作用下充满组织腔室, 并且不会泄露到培养液通道中, 从而确保三维流体微环境的有效构建. 建立COMSOL 有限元模型, 对单矩形腔室的三维流体微环境进行仿真, 证明所提出的三层微流控芯片可以提供刺激血管形成的流速环境. 利用所提出的三层微流控芯片测试了内皮祖细胞和人脐带静脉内皮细胞的血管分化能力, 并在多组织腔室阵列芯片上构建了培养至第 8 天左右的多种形状微血管网络. 所提出的三层微流控芯片具有设计灵活的特点, 可以改变组织腔室的形状, 以高通量提供不同的流体条件, 将为研究流体因素对微血管生长的影响提供一种潜在的工程化手段.

针对人体脊柱侧凸矫正进行应力分析, 采用哈氏(Harrington) 棒和鲁氏(Luque) 棒矫正方法进行测量, 并根据强度理论计算了胸腰椎各节段的应力变化. 结果表明: 经哈氏棒和鲁氏棒矫正后的Cobb 角得到了改善, 其中经哈氏棒矫正后的Cobb 角为(49.57±2.79)^◦, 经鲁氏棒矫正后的 Cobb 角为 (39.43±1.94)^◦; 脊柱的弯曲应力和剪切应力随 Cobb 角的增大而增大,并具有显著性差异 (r=0.26, p < 0.05); 胸椎各节段的弯曲应力均值为 (106.62±9.57) MPa,大于腰椎各节段的弯曲应力均值 (103.19±8.05) MPa; 胸椎各节段的剪切应力均值为(32.80±2.60) MPa, 大于腰椎各节段的剪切应力均值 (30.95±2.26) MPa; 胸椎各节段的合成应力均值为 (123.79±7.52) MPa, 腰椎各节段的合成应力均值为 (120.78±7.00) MPa; 当Cobb 角为 62^◦ 时, 各节段的合成应力大于正常人体应力值, 其中 T7∼T12 节段所受的合成应力最大. 这些数据为以后的脊柱侧凸矫正提供了理论依据.

髓内钉固定骨折面是治疗髋关节骨折的主要方法, 髓内固定系统的力学可靠性是确保治疗成功的关键. 针对股骨转子间骨折, 构建了计及股骨层状结构特点和肌肉力作用的髓内固定系统有限元模型, 模拟分析了缓步行走条件下固定系统的力学响应. 为定量化评估髓内固定系统的力学可靠性, 提出安全因数的概念, 并基于这一概念定量化考察了头钉定位参数对固定系统力学可靠性的影响. 研究表明, 固定系统在股骨与头钉、主钉与头钉, 以及主钉与锁钉的接触区存在明显的应力集中, 是评估髓内固定系统力学可靠性的关键区域. 研究还表明, 髓内固定系统具有良好的力学可靠性, 降低头钉高度有利于提高髓内固定系统的力学可靠性, 而头钉近端钉角 (proximal nail angle) 对固定系统可靠性的影响可以忽略.

粪大肠菌群是水质微生物污染的指示性指标. 由于常规污水工艺需要进行加氯消毒处理, 达标后排放, 故增加了成本和工艺复杂度. 以挂膜填料增强型移动生物膜反应器(enhanced mobile biofilm reactor, EMBR) 处理生物实验室废水, 评估粪大肠菌群的去除效果. 研究结果表明: 未经紫外 (ultraviolet, UV) 消毒处理, 挂膜填料对粪大肠菌群的去除效果达到 95%以上; 系统出水中粪大肠菌群和大肠杆菌噬菌体的去除率能达到 99.9% 以上, 大肠杆菌噬菌体平均滴度为 22.2±38.5 PFU/mL; 细菌总数从均值 10⁷ CFU/mL 降到 10³ CFU/mL, 出水实现一级 A 排放标准. 出水安全性测试结果显示, 斑马鱼 24 h 存活率为 100%. 可见, EMBR工艺能够实现生物实验室废水的安全性排放, 具有广泛的应用潜力.

高级氧化技术 (advanced oxidation processes, AOPs) 因其具有产生强氧化性自由基的能力, 在降解有机污染物领域受到广泛关注. 然而, 由于传统的 Fenton 反应存在 pH 值适用范围窄 (2.8∼3.5) 和产生铁泥沉淀等缺点, 故通过 Al+酸+H₂O₂ 体系反应后经过滤得到含有高活性铝离子的羟基自由基滤液, 发现该体系可以有效降解水中的土霉素 (oxytetracycline, OTC). 研究了制备羟基自由基滤液所用 Al 粉体剂量、反应时间、H₂O₂ 浓度以及 pH 值等因素对降解水中土霉素的影响, 同时对滤液中羟基自由基产生的机理进行了分析.

沙尘在传输过程中会吸附大量的气态污染物, 且吸附在颗粒物表面的气态组分在非均相大气化学过程中对臭氧 (O₃) 的生成有直接贡献. 由于不同矿物组分的吸附能力、氧化潜能(oxidative potential, OP) 等物化特性存在差异, 结合观测数据、研究结论和已有的文献报道,对沙尘中的矿物组分在大气O₃ 生成过程中的机制进行了总结分析, 明确了沙尘组分中的重金属元素及主要矿物组分 (如石英等矿物) 赋存 OP 在气态污染物的大气化学过程中有重要作用, 并对未来的相关研究提出了前瞻性建议.

域适应旨在利用源域中的标注信息帮助目标域任务的进行. 逐域和逐类的对齐通常是域适应的先决条件. 然而, 上述过程没有充分利用样本级别的信息, 导致对齐结果不理想. 基于几何视角充分利用样本信息, 获得了更精细的保持结构的对齐. 首先, 在分布适应的基础上使用光滑三元组损失, 得到基于样本层面的对齐; 然后, 将结构正则项引入域适应中, 保持数据的几何结构, 并利用内蕴最速下降法对优化问题进行求解, 保证解空间的结构; 最后, 在自然图像数据集和医学数据集上, 将本方法与度量学习和域适应算法进行比较. 结果证明了所提出算法的有效性.

以无人艇 (unmanned surface vessel, USV) 为对象, 对其全局路径规划问题展开研究.针对传统 A∗ 算法进行规划时存在算法效率低、求解路径长度仅仅是栅格最优而非实际最优,且转折点多、路径不平滑等缺点, 提出了双向并行化处理和精英扩展搜索策略来提高算法的搜索性能. 同时, 采用路径剪枝优化和三次 B 样条曲线优化方式打破了栅格环境的限制, 对路径进一步优化. Matlab 仿真实验结果证明, 改进后的 A∗ 算法为无人艇提供了一种更加合适有效的全局路径规划算法.

行人流仿真对于解决大型交通场站等人群密集场所的拥挤和安全问题发挥了重要作用, 但目前广泛使用的行人流模型往往依赖人为假设的模型规则, 导致模型参数缺乏现实依据以及标定困难、模型与实际不符等问题. 近年来, 基于人工神经网络的数据驱动模型能够更高精度地还原行人流在现实场景中的实际行为特征, 但对训练数据的依赖性强, 且存在对不同场景泛化能力弱等问题. 为此, 提出一种结合仿真数据和实验数据的 BP (back propagation) 人工神经网络行人流仿真模型训练方法, 并定义了一套包含 46 个参数的新模型参数组合; 然后利用仿真数据对模型进行预训练; 最后结合实验数据对模型进行迁移学习. 结果表明, 用仿真数据预训练模型可有效弥补真实数据不足的缺陷, 且模型迁移学习训练结果的 R 值超过 0.96,均方误差低于 0.003, 证明了迁移学习在提高模型泛化能力和预测精度方面的有效性.

为了满足高端装备对环境振动隔离不断提升的需求, 提出一种基于电涡流阻尼的具有宽频高性能隔振效果的四参数隔振器. 首先, 建立隔振器的归一化振动传递模型, 利用安培环形电流模型与磁场叠加定理, 推导出电涡流阻尼机构的磁场分布与阻尼特性解析模型; 然后,采用有限元法对电涡流阻尼机构进行仿真分析, 验证解析模型的准确性, 为电涡流阻尼四参数隔振器优化设计与性能验证提供模型基础. 数值分析表明：相较于两参数隔振器, 在频域角度, 四参数隔振器存在最优阻尼, 使系统共振峰得到有效抑制的同时高频衰减性能不变差, 中频段的隔振性能略有损失, 但系统的宽频综合隔振性能得到提升; 在时域角度, 四参数隔振器的时域稳态响应与频域分析相吻合, 且能够更快地达到稳定状态, 具有更好的瞬态性能; 输入最大幅值 1.03 mm 的随机激励, 四参数隔振器的响应最大幅值降低至 0.22 mm, 隔振率达到78.6%, 隔振效果显著.

旨在研制一种轻质、小型的多输出逻辑控制阀, 以简化气动软体机器人的外部驱动系统; 也可作为组件嵌入机器人本体, 替代传统的大尺寸和大质量的控制阀, 以减少驱动管道的数量以及外部驱动系统的体积和重量. 建立了弹力带预紧力与阀的临界导通气压间的关系模型, 并通过实验与仿真进行了验证. 通过典型的气动管道软体机器人应用实验, 展示了轻量化多输出逻辑控制阀在简化机器人驱动系统方面的性能优势.

3d 族过渡金属插层二硫族化合物因其可调的丰富磁学性质和电学输运性质而备受关注. 为了探究 Fe 掺杂 MnNb₃S₆ 对其磁性和电输运性质的影响, 采用化学气相输运(chemical vapor transport, CVT) 方法, 将 Fe 和 Mn 元素等比例地插入 NbS₂ 层间, 制备出Fe_0.5Mn_0.5Nb₃S₆ 单晶, 并对其结构、磁性以及电输运性质进行表征. 研究结果表明, 样品与MnNb₃S₆ 相比, 磁各向异性表现出易磁化轴由面内 (ab-plane) 向面外 (c-axis) 倾斜; 在居里温度 TC 以下可以观察到沿面外的交换偏置行为, 这一物理现象可归因于 Fe 掺杂引入的无序相. 此外, 电输运性质的研究结果表明, 当温度低于 TC 时, 样品存在负磁电阻和反常霍尔效应. 进一步的分析表明, 这些现象与非平庸的拓扑磁结构密切相关.

摘摘摘要要要: 结合等效电路模型和物理化学模型, 提出模拟铅酸电池启停循环的多物理场模型, 并利用数值计算分析发生在电池内部的循环充放电过程. 该模型充分考虑了多次循环过程中发生的老化现象、正极栅板腐蚀、负极硫酸盐化、氢气氧气逸出造成的失水现象. 通过得到的电池容量衰减曲线, 分析电池内部硫酸浓度的变化情况. 模拟结果与实验数据对比验证了模型的有效性与准确性. 利用本模型可进行高效的模拟实验, 有利于降低实验成本, 缩短开发时间,为新电池研发提供支持.

提出了一种装配式空心保温剪力墙, 该剪力墙采用整体式多腔保温构造, 并通过锥形灌浆套筒连接预制构件. 在拟静力试验的基础上, 采用有限元软件 ABAQUS 建立了装配式空心保温剪力墙精细化模型, 并对其抗震性能开展参数分析, 数值模拟与试验结果吻合较好. 结果表明, 在边缘构件的空心腔对装配式空心保温剪力墙力学性能影响显著, 边缘构件不设置空心腔可以改善空心保温墙的局部压溃破坏, 提高墙肢的变形能力、延性、耗能能力和刚度; 边缘构件不设置空心腔试件的延性系数均大于4, 极限位移角提高20% 以上; 提高边缘构件配筋率可显著提高剪力墙的承载力、刚度和耗能能力, 但变形能力和延性下降.

铁海联运、陆海互补的运输方式逐步发展, 但在以铁路为主体的煤炭运输体系下, 仍存在衔接机制不完善、信息不畅通等问题, 影响了港口的运行效率. 通过对铁海联运场景下到港列车与出港船舶协调作业的分析, 以最小化船舶延误成本为目标, 集成卸煤、配煤、装船等港口关键作业, 建立混合整数规划模型, 再对列车调度与船舶配煤方案的联合优化问题进行分析, 并设计了一种基于变邻域搜索的启发式方法对模型进行求解. 最后, 以中国北方某煤炭港口为例, 利用不同规模的数据通过计算实验验证模型的有效性, 以期为未来煤炭港口的运营提供管理启示.