带有旋转初速度的冰壶在冰面上滑动时，会发生横向移动，这就是“冰壶现象”。冰壶与冰面之间的摩擦力会随着环境的变化而不断变化，因此，冰壶运动需要高超的技巧和经验。冰壶的投掷一直以来是冰壶机器人设计和控制的一大挑战，现有的冰壶机器人通常采用轮式底盘和抓手组合方案，这与人类的投掷动作有很大区别。本文设计并制造了一款六足冰壶机器人，模仿了人类的踢、滑、推和冰壶旋转的动作，并在2022年北京冬奥会上完成了完美的表演。通过改变腿部配置，机器人能够调整自身形态，从而实现行走和投掷任务之间的平稳切换。机器人的控制参数包括踢速 、推速 、方向角 和旋转速度 ，这些参数通过等效摩擦系数 和前后摩擦比 来确定。在模拟和实验中，目标停止点和实际停止点之间的稳定误差分别收敛到0.2 m和1.105 m，实验中显示的误差接近轮椅冰壶运动员的误差。这款机器人有望帮助制冰师调整冰面摩擦或协助运动员训练。
本文研究了考虑客户代理的工件动态到达的多代理同类并行机调度问题。所有客户代理和资源代理都是自利且理性的，追求个体目标的最大化，进而导致客户代理之间激烈的资源竞争和不愿意披露私人信息的策略性行为。针对此问题，传统集中式决策方法不再适用，分布式决策方法成为求解目标问题的关键手段。本文提出了一种基于分布式调度决策思想的动态迭代拍卖方法，旨在针对不完全信息下的多代理调度问题，生成同时满足代理偏好，且具有高社会福利的稳定协同调度方案。构建了动态拍卖程序，实现动态工件实时参与拍卖；提出了简单直观的无价格属性投标策略，以降低投标决策的复杂性；设计了自适应匈牙利算法，以高效求解定标决策问题。此外，证明了所提方法满足个体理性，并且短视竞价策略是客户代理提交投标的弱占优策略。广泛的仿真实验表明，所提方法能够生成高质量的调度方案，并在解决包含众多客户代理和工件的大规模问题上表现出较强的稳定性。未来工作将进一步研究考虑多个资源代理的多代理调度问题。
现有的主流微加工碱金属原子气室只有一个光学通道，不足以支持许多量子器件所需的正交光束配置。在本研究中，我们提出了一种用于制造多光学通道微型原子气室的新型晶圆级制造工艺，以及一种批量加工毫米玻璃孔内侧壁以满足光通道要求的创新方法。表面表征和透射率测试表明，加工后的内侧壁符合气室光通道的标准。此外，一体化加工平台的搭建集成了多层非等温阳极键合、惰性气体填充以及惰性气体的回收和循环利用等功能。在不同的泵探方案下对氙-129（129Xe）和氙-131（131Xe）的吸收光谱和自由感应衰减信号的测量结果表明，所制造的原子气室适用于需要正交光路的量子器件，包括原子陀螺仪、双光束原子磁力计和其他光学/原子器件，所提出的微成型技术在光学器件加工领域具有广阔的应用前景。
脑电信号（EEG）分析能够从大脑信号中提取关键信息，实现脑部疾病诊断并为脑机接口提供重要支持。然而，以人工智能技术对脑电信号进行高能效分析，特别是使用大型神经网络模型，会给边缘计算设备上的电子处理器带来重大挑战。在此，我们提出了一种基于衍射光子计算单元（DPU）的脑电光子处理器，能够有效处理颅外和颅内脑电信号并检测癫痫发作。每个时间窗内的多通道脑电信号被光学编码，输入构建的衍射神经网络进行分类，该网络能够监测大脑状态，识别癫痫发作。我们开发了自由空间和集成DPU组建的边缘计算系统，并在波士顿儿童医院-麻省理工学院（CHB-MIT）颅外脑电数据集和Epilepsy-iEEG-Multicenter颅内脑电数据集上演示了它们在实时癫痫发作检测中的应用，显示在计算性能方面取得了出色的结果。我们设计了通道选择机制，在数值仿真和实验结果中都验证了所提出的光处理器用于监督临床诊断时具有足够高的检测精度。我们的研究为利用光子计算技术处理大规模脑电信号开辟了新的研究方向，并促进了光计算更广泛的应用。
大视场成像和光谱探测在目标追踪、物质鉴别、反伪装探测等场景中扮演着至关重要的作用。由于两种功能对色散调控的需求不同，使得它们的内在架构完全不同，以至于难以在一个共口径系统中同时实现这两种功能。本文提出基于可调超构表面实现可重构双模式探测：通过电控的级联类悬链线超构表面，使得一个微型共口径超光学系统能够兼容大视场成像和偏振光谱探测两种功能，并在两种功能下皆可进行多目标探测与识别。在8~14 μm范围内，系统成像视场约为70°，成像分辨率约为27.8 lp⋅mm-1，光谱分辨率约为80 nm。本研究有望促进光谱仪、偏振成像仪等多功能光学系统的微型化进程，同时充分展示了超光学在生物医学、目标探测等领域的潜在应用价值。
本研究针对全球定位系统（GPS）信号受限环境下无人飞行器（UAV）的动态目标跟踪问题，提出了一种在速度观测器下的基于图像的视觉伺服（IBVS）控制方法。该方法通过构建虚拟相机，推导出应用于欠驱动无人飞行器上的简化且解耦的图像动力学模型，并进一步考虑了由于动态目标的不可预测旋转和速度变化所带来的不确定性影响。本研究提出了一种新的图像深度模型，该模型拓展了基于图像的视觉伺服方法的应用范围，使之能够对任意姿态旋转的目标进行跟踪。所提出的深度模型确保了在跟踪旋转目标过程中图像特征的准确性和图像轨迹的平滑性。此外，采用所提出的速度观测器来估计无人飞行器与动态目标之间的相对速度。得益于速度观测器，不再需要对平移速度进行测量，并有效减轻了因使用包含噪声的测量数据导致的控制振荡现象。为了提高抗干扰能力，本研究还设计了一种基于积分的滤波器，用于补偿不可预测的环境干扰。所设计的速度观测器和视觉伺服控制器通过李雅普诺夫方法对其稳定性进行分析。通过对比仿真与多阶段实验验证了所提方法对于动态旋转目标跟踪的稳定性能、抗干扰能力和鲁棒跟踪能力。
谐振增强的介电传感具有出色的灵敏度和准确性，其传感信号是通过测量谐振峰频率的相对移动来实现的，因此可以减少信号幅值噪声的影响。在万物互联时代下，集成化小型化的传感系统成为必然的发展趋势。在本研究中，我们开发了一种小型化的传感系统，该系统将人工表面等离激元传感器、信号检测处理电路和无线通信模块融合在一起。我们提出了一种软件化的方案来进行谐振峰频移信号的检测，极大简化了硬件电路，并实现了智能化的自适应检测。该系统采用了微波频段的人工表面等离激元谐振器来增强传感灵敏度和谐振强度。最终，整个传感系统被集成在1.8 cm×1.2 cm的印刷电路板上，并通过蓝牙与智能手机连接。该系统可以在频率扫描模式和谐振跟踪模式两种不同模式下运行，且在丙酮蒸气检测中实现了高达69 dB的信噪比。本研究为谐振传感的物联化发展提供了有效的解决方案，展示了其在小型化、高精度、智能化等方面的巨大潜力。
本研究旨在通过溶液浇铸法开发一种可降解的生物医用抗菌材料——壳聚糖磺基甜菜碱（CS-SNCC）膜。以壳聚糖和一氯三嗪磺基甜菜碱为原料制备CS-SNCC，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）对合成的CS-SNCC的结构进行表征和分析。研究CS-SNCC膜的溶胀性、热稳定性、生物降解性、细胞相容性和抗菌性，并与壳聚糖膜进行比较。膜的酶生物降解性测试表明，CS-SNCC膜在溶酶菌磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中放置21天后重量下降45.54%。另外，CS-SNCC膜能有效抵抗细菌黏附，控制细菌生物被膜的形成，且具有很高的抗菌活性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭活率分别为93.43%和91.00%。细胞毒性测试表明，CS-SNCC膜具有良好的细胞相容性。研究所制备的可生物降解、细胞相容、抗菌和生物被膜控制功能的CS-SNCC膜具有巨大的生物医学应用潜力。
分子筛作为固体酸催化剂具有酸性可控、择型催化、稳定性好等优点，广泛应用工业催化过程。精确调控分子筛酸性即可针对目标反应理性设计与构建高性能催化剂。二甲醚羰基化是通过链增长实现C1资源利用的重要反应。丝光沸石（MOR）8元环上的Brønsted酸可以高选择性地催化该反应。提高Brønsted酸特别是8元环内Brønsted酸的强度有望促进反应的进行。本文首先采用密度泛函理论（DFT）计算预测锡（Sn）改性对MOR酸性的影响。在理论计算结果的指导下，利用缺陷构建-杂原子取代两步后合成法制备了一系列Sn改性的MOR。通过部分脱硅，在保持分子筛四配位骨架Al结构的前提下，成功制备了具有开放孤立四配位Sn位点的MOR催化剂。通过酸性表征确定Sn的引入提高了MOR的Brønsted酸强度。因此，催化剂在二甲醚羰基化反应中表现出优异的催化性能。通过动力学和DFT计算相结合，揭示了酸强度提高对反应的促进机制，即强酸可促进二甲醚的吸附与解离，并降低乙酰基生成的反应能垒，从而提高反应性能。本工作阐明了强酸对二甲醚羰基化反应的促进机制，同时提出了一种可精确调控分子筛酸性的策略。
起源于一般产品和服务的生命周期评价方法已逐渐被应用于建筑全生命周期碳排放（LCCE）的研究。本文通过文献综述厘清建筑LCCE内涵、计算和减量的相关研究现状。基于
高精度、高效率的结构响应预测对于建筑结构的智能防灾减灾，包括震后损坏评估、结构健康监测和建筑物抗震能力评估等至关重要。为了提高结构响应预测的精度和效率，本研究提出了一种基于物理信息深度学习的新型实时结构响应预测方法，该方法通过数据驱动的训练方法和自回归的训练策略，可以预测结构中的大量节点响应。该方法包含一个Phy-Seisformer模型，该模型可将结构的物理信息纳入模型中，从而实现更高精度的预测。实验对象包括4层砌体结构、11层钢筋混凝土不规则结构和21层钢筋混凝土框架结构，以验证所提方法的精度和效率。此外，通过消融实验验证了Phy-Seisformer模型中结构的有效性。通过对比实验，研究了地震波振幅范围对预测精度的影响。实验结果表明，对于不同类型的建筑结构，本文提出的方法可以达到非常高的精度，计算速度比有限元计算至少快5000倍。
柔性热电材料在智能可穿戴设备中发挥着重要作用，如可穿戴发电、自供电传感和个人热管理。然而，随着物联网（IoT）和人工智能（AI）的快速发展，对可穿戴电子产品的舒适性、多功能性和可持续运行性提出了更高的标准，而要满足目前报道的热电器件的所有要求仍然具有挑战性。在此，我们提出了一种基于热电针织面料的多功能、可穿戴、无线传感系统，其透气性超过600 mm·s-1，可拉伸性达到120%。该器件配合无线传输系统，可以通过手机应用程序（APP）实现对人体呼吸的自供电监测。此外，还设计了集成热电系统，将光热转换和被动辐射冷却相结合，实现了太阳能驱动面内温差供电并通过APP监测室外阳光强度。此外，我们还根据针织物的各向异性，解耦了太阳照射下变形过程中电阻和热电压的复杂信号，使器件能够通过APP监测和优化运动员的户外身体活动。这种新型的基于热电织物的可穿戴和无线传感平台在下一代智能纺织品中具有广阔的应用前景。
金属在基底上的分布模式能够影响过一硫酸盐（PMS）活化和污染物降解。本文通过调节原子层沉积循环参数，制备了铜单原子（SA-Cu）、团簇（C-Cu）和薄膜（F-Cu）负载的MXene催化剂。与在SA-Cu-MXene表面（E ads = -4.236 eV）和F-Cu-MXene表面（E ads = -3.548 eV）相比，PMS更容易吸附在C-Cu-MXene表面活化（E ads = -5.435 eV），利用效率更高。C-Cu-MXene/PMS体系中活性物种的稳态浓度比SA-Cu-MXene和F-Cu-MXene活化的PMS体系高1~3个数量级，产生的SO4 ·-更多。SO4 ·-氧化对磺胺甲𫫇唑（SMX）降解的贡献顺序为：C-Cu-MXene (97.3%) > SA-Cu-MXene (90.4%) > F-Cu-MXene (71.9%)，C-Cu-MXene/PMS体系中SMX的降解率最高，降解速率常数（k）为0.0485 min-1。此外，在C-Cu-MXene/PMS体系中，SMX的降解过程产生的毒性中间体更少。通过这项工作，我们强调了PMS体系中多相催化剂设计的重要性。根据实际水处理需求选择合适的金属分布方式可以充分利用金属位点，产生特定的活性物种，提高氧化剂的利用效率。
利用废弃生物质通过链延长（chain elongation, CE）生产的正己酸可以供应各种化石衍生产品，从而推动碳中和的实现。富氮废弃生物质降解释放的氨可以充当厌氧生物过程（包括CE过程）中的营养物质或抑制剂，二者的区别主要取决于氨的浓度。目前，使用乙醇作为电子供体进行开放培养正己酸生产的最佳氨浓度、毒性阈值以及潜在机制尚不清楚。本研究表明，生产正己酸的最佳氨浓度为2 g∙L-1，而超过此阈值的氨浓度会显著抑制CE性能。对该机制的探索揭示了两种形式的氨（即铵离子和游离氨）参与了这种抑制行为。高氨浓度（5 g∙L-1）诱导乙醇过度氧化并抑制逆β氧化（reverse β-oxidation, RBO）途径，直接导致负责乙酸形成的酶（磷酸转乙酰酶和乙酸激酶）的活性增强，丁酰辅酶A∶乙酰辅酶A转移酶、己酰辅酶A∶丁酰辅酶A转移酶和己酰辅酶A∶乙酰辅酶A转移酶活性降低，这些酶参与正丁酸和正己酸合成。此外，微生物群落的优势菌属由Paraclostridium（氨浓度为0.1 g∙L-1）转变为Fermentimonas, Clostridium sensu stricto 12和Clostridium sensu stricto 15（氨浓度为2 g∙L-1）。然而，在过量氨（氨浓度为5 g∙L-1）条件下，这些具有CE功能的细菌大多不存在。宏基因组分析揭示了在氨浓度为2 g∙L-1的条件下RBO、脂肪酸合成、K+外流、腺苷三磷酸酶（ATPase）代谢和金属阳离子输出等的功能基因上调，共同促进了正己酸产量的增加。相反，过量的氨会抑制上述功能（不包括金属阳离子输出）和K+流入，从而削弱氨解毒和正己酸生物合成。本研究对影响正己酸生产的氨驱动机制进行了全面的阐明，预计将激励研究人员设计出有效的策略来减轻氨诱导的抑制作用。
农业覆盖膜作为温室和植物工厂不可或缺的组成部分，在调节小气候环境方面发挥着重要作用。聚乙烯覆盖膜可使全太阳光谱直接透过。然而，这种高的太阳光透过率可能不适合甚至有害于具有特定光热需求的作物。现代温室集成了农业覆盖材料、供暖、通风和空调（HVAC）系统以及智能灌溉和通信等技术，以最大限度地提高种植效率。本文深入探讨了作物的光热需求和满足这些需求的方法，包括基于被动辐射制冷和光散射的新材料，评估温室能源消耗和环境条件的模拟，以及识别关键生物生长因子从而优化温室覆盖膜的数据挖掘。最后，阐述了光热管理农用薄膜未来的挑战和方向，以弥合实验室研究和大规模实际应用之间的差距。
光是地球上生命赖以生存所必需的环境因子，它不仅是能量来源，也是一种信号分子。真菌能通过光获取时间和空间信息，进而控制重要的生理和形态应答。灰葡萄孢菌（ Botrytis cinerea）是一种危害性极大的植物病原真菌，它能利用光响应来优化致病能力，通过平衡产孢量和菌核发育，实现在不同环境中的传播和生存。然而，关于 B. cinerea光信号转导组分及调控机制至今尚不清楚。在本研究中，我们从 B. cinerea中鉴定到一个光信号转导途径的新组分 BcCfaS，该基因编码一个环丙烷脂肪酰基磷脂合成酶。 BcCfaS在转录水平上受光的显著诱导，并在光形态建成中发挥重要的调控作用。 BcCfaS缺失可导致营养生长缓慢，菌落形态改变，产核减少和产孢增加，其变化与光照条件密切相关。此外，该突变体在逆境应答和对寄主的致病力方面表现出严重缺陷。基于脂质代谢组学分析，我们鉴定到了许多未知的且受 BcCfaS调控的脂质，包括一些磷脂和脂肪酸。研究表明， BcCfaS通过正调控茉莉酸甲酯合成，在转录水平激活光信号组分基因表达，从而控制产孢和菌核发育，这些研究结果为深入认知真菌光形态建成的物质代谢基础提供了新证据。我们认为 BcCfaS是整合光信号和脂质代谢的关键节点，揭示了真菌通过调节发育模式来应对光环境变化的协同机制。这些新发现为创制真菌病害防控策略提供了重要的靶点。
废水回用已成为应对全球水资源短缺的重要手段。然而，复合污垢对废水供水系统构成了重大挑战。本研究探索了利用纳米气泡（NBs）控制复合污垢的新方法，研究了三种类型NBs（氧气、氮气和氦气）、六种氧气NBs浓度以及两种模式（预防和去除）对复合污垢的控制效应。结果显示，与未采用NBs组相比，NBs有效地减轻了复合污垢，包括生物污垢、无机结垢和颗粒污垢。具体而言，NBs的自坍缩产生了羟基自由基，它可氧化废水中的有机物并灭杀微生物。NBs的负电荷表面将CaCO3的结晶形态从方解石转变为较疏松的文石，减少了离子沉淀的可能性。此外，NBs可充当污水中颗粒之间的气体“桥梁”，增强了将颗粒从废水中去除的能力。尽管氧气NBs具有比氮气和氦气NBs更强的防污能力，但低浓度（约5%）的氧气NBs增加了污垢总量。此外，虽然NBs抑制了污垢的生长，但它难以去除已经附着的污垢。本研究结果表明NBs的应用将解决各种废水供水系统的污垢问题，以应对全球水资源短缺的挑战。
目前，还没有用于中枢神经系统急性淋巴细胞白血病（CNS-ALL）的有效靶向治疗策略。整合素α6具有促进CNS-ALL疾病进展的作用，因此被认为是CNS-ALL诊断和治疗的潜在靶点。我们通过丙氨酸扫描、截短和D型替代等多肽优化技术，筛选并鉴定出与整合素α6具有纳摩尔亲和力的靶向肽D(RWYD)（简称RD），基于靶向肽开发了一款治疗CNS-ALL的纳米颗粒。该自组装促凋亡纳米多肽D(RWYD)-D(KLAKLAK)2-GD(FFY)（简称RD-KLA-Gffy）含有整合素α6靶向肽RD，以及被广泛认可的促凋亡肽D(KLAKLAK)2（简称KLA）和自组装四肽GD(FFY)（简称Gffy）。我们通过各种实验阐明了RD-KLA-Gffy的作用机理。研究结果表明：RD-KLA-Gffy在CNS-ALL病变中高度富集并诱导肿瘤细胞凋亡，进而减少CNS-ALL疾病负担并延长CNS-ALL模型小鼠的生存期，且无明显毒性。此外，RD-KLA-Gffy与甲氨蝶呤（MTX）联合用药时，表现出显著的抗肿瘤作用，表明RD-KLA-Gffy无论单独用药或与MTX联合用药，都在抑制CNS-ALL进展中发挥重要作用，对CNS-ALL治疗具有潜在应用价值。
肠道稳态由特殊的宿主细胞和肠道微生物群共同维持。Wnt/β-联蛋白信号通路对胃肠道发育和稳态至关重要，其失调与炎症和结肠直肠癌有关。Axin1负调控激活的Wnt/β-联蛋白信号通路，但人们对其在调节健康和疾病宿主微生物相互作用中的关系知之甚少。在此，我们旨在证明肠道Axin1决定了肠道稳态和宿主对炎症的反应。根据人炎症性肠病数据集分析Axin1的表达。为探讨肠道Axin1在调节肠道稳态和结肠炎中的作用和机制，我们在肠上皮细胞（IEC；Axin1 ∆IEC）和帕内特细胞（PC；Axin1 ∆PC）中建立了条件敲除Axin1的新小鼠模型与对照组（Axin1 LoxP；LoxP：X-over位点，P1）小鼠。我们发现人炎症性肠病（IBD）的结肠上皮细胞中Axin1的表达增加，Axin1 ∆IEC小鼠表现出杯状细胞空间分布的改变、PC形态改变、溶菌酶表达减少和嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila, A. muciniphila）富集。肠上皮细胞和PC中Axin1的缺失降低了体内葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎易感性。Axin1 ∆IEC与Axin1 ∆PC小鼠和对照组小鼠共同饲养后更易患葡聚糖硫酸钠（DSS）结肠炎。用嗜黏蛋白阿克曼菌治疗可降低DSS-结肠炎的严重程度。抗生素治疗并未改变Axin1 LoxP小鼠中的肠上皮细胞增殖。然而，与未经处理的Axin1 ∆IEC小鼠相比，抗生素处理后的Axin1 ∆IEC小鼠肠道增殖细胞减少。这些数据表明，肠道微生物群具有非致结肠炎性效应。总之，我们发现肠道Axin1的缺失可以预防结肠炎，这可能由上皮细胞Axin1和Axin1相关的嗜黏蛋白阿克曼菌驱动。我们的研究证明了Axin1在介导肠道稳态和微生物群中的新作用。进一步利用特异性的Axin1突变进行机制研究，阐明Axin1如何调节微生物群和宿主炎症反应，将为人IBD提供新的治疗策略。
非酒精性脂肪性肝炎（NASH）是非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）的进展阶段，目前尚无有效的治疗方法。传统中药片仔癀具有抗炎作用。本研究评估了片仔癀在NASH防治中的作用及潜在机制。研究结果显示，片仔癀能有效预防由多种饮食[包括高脂高胆固醇饮食（HFHC）、胆碱缺乏的高脂饮食（CD-HFD）以及蛋氨酸胆碱缺乏饮食（MCD）]引起的NASH进展，同时显著抑制肝损伤、肝脏甘油三酯聚集和脂质过氧化。此外，片仔癀可治疗MCD饮食诱导的NASH，显著改善小鼠的脂肪变性和肝损伤。通过对小鼠粪便样本进行宏基因组测序分析，我们发现片仔癀可修复肠道菌群失衡，显著增加包括乳酸杆菌、植物乳杆菌、乳酸链球菌以及枯草杆菌等在内的有益菌的丰度。而乳酸杆菌能有效抑制由MCD饮食诱导的NASH进展。此外，片仔癀可以恢复脂肪肝病变小鼠的肠道屏障功能，表现为肠道通透性降低，血清内毒素水平下降，以及上皮紧密连接蛋白E-cadherin表达增加。利用液相色谱-质谱联用技术进行代谢分析，发现片仔癀处理过的小鼠门静脉中胆汁酸代谢发生显著变化。进一步分析发现，完整的肠道菌群在片仔癀抗NASH作用中不可或缺。总之，片仔癀通过调节肠道菌群和代谢物发挥抑制NASH的作用，有望成为NASH防治的潜在药物。
