声学超构材料（acoustic metamaterials, AMMs）是一种人工结构材料，可以表现出自然材料所没有的奇异特性，如负的等效体积模量、负的等效质量密度和负的折射率等。这些有趣的物理现象为操纵声波提供了新的手段，引起了广泛的关注。在过去的20 年里，对AMMs的基础研究取得了巨大的成就，这不仅促进了现代声学的发展，同时展现了AMMs在工程应用中的潜力。本文中，我们回顾了AMMs的最新进展，着重展望其在工程领域的应用，特别是在吸声/隔声、声成像、声隐身等领域。此外，我们还概述了工程应用过程中面临的机遇和挑战。
光束在水下环境、雾、云或生物组织等混浊介质中的传播在科学和技术中有着越来越重要的应用，包括生物成像、水下和自由空间通信技术。虽然这些应用在传统上依赖于常规的线性偏振高斯光束，但光具有许多未被发掘的自由度，如自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。本文提出了具有'旋转'自由度的复杂光束在工程化非线性胶体介质中的非线性光-物质相互作用。利用变分法和摄动法，我们考虑了非圆柱光学涡旋、椭圆光学涡旋和高阶贝塞尔光束在时间上的积分（HOBBIT），来预测这些光束演化的动力学行为和稳定性。这些结果可应用于许多强散射环境下涉及光透射的情况。
力学超构材料可以被定义为一类结构材料，它前所未有的力学性能源自人工结构设计而非其组成材料。虽然宏观尺度和简单设计的结构可以通过传统的自上而下方式来制备，但许多不同尺度下的复杂设计仍然难以实现。增材制造（AM）的最新进展导致了许多新的超构材料理念的实现。AM方法能够制造具有高精度、极其复杂和高特征保真度的微尺度结构，使力学超构材料的快速发展成为可能，并大大降低了设计计算和实验验证周期。本文首先基于所需的力学性能详细地回顾了各种拓扑结构，包括刚度、强度和负泊松比超构材料，然后讨论了能够制造这些超构材料的AM技术。最后，我们讨论了目前面临的挑战，并提出了AM和力学超构材料的未来发展方向。
受信息超表面设计理念即数字编码概念的启发，一种具有0.15λ0（λ0为波长）低剖面的平面4比特可重构天线阵列被提出。这个阵列是基于由1比特磁电偶极子和小型化反射式移相器组成的数字编码辐射单元组成。通过对两个对称馈电端口单独馈电，所提出的1比特磁电偶极子能够在宽带范围内提供'0'和'1'两种数字状态。所涉及的反射式移相器可以提供173°的相对相移。通过在157.5°的相位范围内进行数字量化，可以进一步得到相移间隔22.5°的8种数字状态。为了实现低副瓣水平，一个基于泰勒线源方法的1:16功分器被用来给阵列馈电。我们加工并测试了所提出的4比特天线阵列样机，实验结果与仿真结果吻合很好。阵列能够实现±45°的扫角，12 GHz的最大增益为13.4 dBi，副瓣和交叉极化水平分别低于–14.3 dB和–23 dB。另外，波束指向误差在0.8°，法向波束的3–dB增益带宽为25%。由于阵列卓越的性能，它在雷达和通信系统中将有重要的应用前景。
高精度的亚波长光波操纵在光谱学、传感和医学成像中可实现令人兴奋的新颖应用。这些应用中理想的目标是可实现光谱信息片上分析的小型化光谱仪。特别地，对于基于成像系统的光谱传感机制，其关键挑战是如何实现精准的空间信息分辨（即波长偏移或生物、化学表面结合引起的空间位移），这类似于超分辨率成像所带来的挑战。本文中，我们报道了一种特殊的可以捕获'彩虹'的超表面，并将其应用于芯片光谱仪和传感器。结合超分辨图像处理，通过低设置4×光学显微镜系统可分辨出等离子体'彩虹'捕获超表面上35 nm范围内共振位置的位移，同时该超表面的面积小至0.002 mm2。这种可实现高效耦合的'彩虹'等离子体共振空间操纵的独特特征为小型化片上光谱分析提供了一个新的平台，其光谱分辨率为0.032 nm波长偏移。通过使用该低设置4×光学显微镜成像系统，我们展示了A549 外泌体的生物传感分辨率为1.92×109个∙mL−1，并使用外泌体表皮生长因子受体（EGFR）的表达值来区分患者样本和健康对照样本，从而展示了一种精确特异性生物/化学传感检测应用的新型片上传感系统。
相比由完全相同的胞元组成的超材料，由类型和性能均不同的胞元形成的超材料能够实现更大的力学性能调控范围。然而，目前关于此种超材料的几何设计和性能编程方法鲜有报道。本文通过将一系列不同类型的square-twist 折纸胞元进行空间排布，设计了一种新型折纸超材料。首先建立了超材料胞元的空间排布规则，保证了相邻胞元山-谷线折痕的几何匹配。进而进行了双轴拉伸实验，实验结果表明该新型超材料的变形能、最大刚度和初始峰值力均可由组成胞元的对应特性叠加得到，并且通过改变胞元类型、数量、几何参数、材料参数可以实现对超材料力学性能的大范围编程调控。此外，对具有固定胞元数量的超材料，通过改变山-谷线折痕的排布可以得到胞元类型与数量不同的一系列超材料，从而实现根据具体需求的力学性能重编程。本工作为可编程折纸超材料的设计提供了新的思路，在机械等工程领域具有广阔的应用前景。
本文报道了一项旨在测定开裂混凝土表观气体渗透率的实验研究分析。由于难以对气体渗透率进行可靠的实验测试，国际文献中缺乏对这一问题的研究。本研究的主要目的是提供新颖可靠的实验结果，并提出表观裂缝渗透率演化与表观裂缝张开度之间的解析函数。考虑Poiseuille 定律，这些函数似乎是相关的。
本研究利用纳米压痕试验和统计学方法研究了纳米填料对水泥石与骨料间界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）的影响，并通过微观力学分析揭示了影响机制。纳米压痕试验结果表明，水泥石复合纳米填料可提高水泥石-骨料ITZ 内部水化程度，减少微孔隙和低密度水化硅酸钙（low-density calcium silicate hydrate, LD C-S-H）的含量，增加高密度水化硅酸钙（high-density calcium silicate hydrate, HD C-SH）和超高密度水化硅酸钙（ultra-high-density calcium silicate hydrate, UHD C-S-H）的含量。此外，本研究表征了一种新的由于纳米中心效应诱导产生的低密度水化硅酸钙（nano-core induced low-density calcium silicate hydrate, NCILD C-S-H），其压痕模量与HD C-S-H 和UHD C-S-H 相似，但硬度高达2.50 GPa。微观力学分析结果表明，ITZ水泥石复合纳米填料后产生的纳米中心-壳单元会增加LD C-S-H的堆积密度，并显著增强水化硅酸钙（calcium silicate hydrate, C-S-H）基本粒子之间的相互作用（包括黏聚力和摩擦力），从而诱导产生NCILD C-S-H，进而改善ITZ。本研究为在纳米尺度上理解纳米填料对混凝土ITZ 的影响提供了理论基础。
珊瑚混凝土（CAC）作为一种新型建筑材料，已经在岛礁工程结构建设领域引起了极大的关注。为了研究CAC的静态劈裂抗拉性能，本文提出了一种考虑骨料形状和空间分布随机性的三维（3D）随机混凝土细观模型，影响因素包括试件形状和支承垫片尺寸。我们建立了12 个不同的混凝土细观模型，按照试件形状可分为两种，即边长为150 mm的立方体和尺寸为ϕ150 mm×300 mm的圆柱体。其中，支承垫片宽度为6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm和20 mm。本文系统分析和讨论了试件几何形状和垫片宽度对CAC劈裂抗拉性能的影响规律，研究内容包括混凝土开裂过程、最终破坏模式和劈裂抗拉强度（fst）。结果表明：本文所开发的细观模型具有很高的可靠性，并确定了适用于CAC劈裂抗拉性能模拟和预测的最优计算参数。CAC的fst值与试件形状和垫片宽度直接相关。其中，在垫片尺寸相同的情况下，立方体CAC试件的fst值要略高于圆柱体模型，表明可以采用断裂面积的差异来解释试件形状效应对CAC fst值的影响规律。此外，当垫片的相对宽度由0.04 增加到0.13 时，CAC的fst值会呈现逐渐增大的趋势。基于弹性力学理论，本文初步确定了不同垫片宽度条件下CAC fst的取值范围，这对于研究CAC的抗拉性能具有重要意义。
本研究通过试验研究和海洋工程耐久性参数大数据集的调研，明确了中国北方海洋工程耐久性设计参数的取值、范围和分布类型。基于修正的氯离子扩散理论模型和可靠性理论，计算了浪溅区、潮汐区和水下区混凝土结构的服役寿命。设计了满足100 年或120 年服役寿命要求的混凝土配合比，并提出了保护层厚度要求。此外，对比了边界条件（Cs）和扩散系数（Df）的不同时变关系对服役寿命的影响，结果表明，本研究采用的时变关系（即Cs持续增加后保持稳定，Df持续降低后保持稳定）对于海洋环境下混凝土结构的耐久性设计具有有利效应。
地震之后伴随的余震在地震诱发滑坡灾害中起着重要作用。主震中已对岩体造成了不同程度的损伤，这使得余震过程中岩体裂纹进一步发展和相互交互贯通过程更复杂。为了探究地震波荷载对类岩石试样破裂失稳过程的影响，通过采用基于颗粒元黏结模型（bonded-particle model, BPM）的数值方法，研究了在两个正交方向上循环地震波加载作用下的波传播规律和裂纹扩展过程。结果表明，由于计算试样尺寸（76 mm × 152 mm）远小于地震波纵波波长，试样内未观察到波的透射和反射现象；加载产生的裂纹均为微张拉裂纹，重复轴向地震波加载不能使微张拉裂纹进一步扩展；只有当加载方向由轴向变为侧向，再由侧向变为轴向时，裂纹才会进一步扩展并最终导致试样破坏。本文揭示了在地震波反射作用及余震作用下，大量滑坡灾害发生的内在机理。
为解决建筑保温用可发性聚苯乙烯（EPS）泡沫阻燃、抑烟和隔热之间的矛盾，设计制备了一种新型的基于植酸（PA）改性淀粉的绿色多孔生物基阻燃淀粉（FRS）涂层。FRS可同时起到阻燃剂和黏合剂的作用，自身具有开孔结构，可与EPS珠粒的封闭单元形成多级孔结构，使得所得FRS-EPS泡沫表现出隔热性能，导热率仅27.0 mW (m K)−1。该FRS-EPS 泡沫表现出极低的热释放和烟释放速率，具有优异的阻燃性和抑烟性。比光密度低至121，比纯EPS降低了80.6%。FRS-EPS在垂直燃烧试验中也表现出自熄灭行为，极限氧指数（LOI）值高达35.5%。在酒精灯灼烧30 min 后，FRS-EPS的背部温度仅140 °C，具有优异的耐火性。阻燃机理研究表明，高温下FRS在凝聚相中形成了致密的富磷杂化屏障，气相中形成的含磷化合物实现了阻燃和抑烟。该工作为制备具有优异阻燃性、抑烟性和隔热性的聚合物泡沫提供了新思路。
了解重症新型冠状病毒肺炎（COVID-19）患者单核细胞的免疫学特征（包括与纤维化相关的特征）对了解疾病的重症化机制和阻止疾病恶化至关重要。本研究共纳入7名COVID-19患者（包括3名重症/危重症患者和4名普通型患者）和6名健康对照者。采集7名COVID-19患者不同疾病时期外周血样本，包括重症/危重症时期血样3例，轻症时期血样4例，康复期血样7例。将以上血样和6例健康对照者血样进行单细胞转录组测序分析。本研究发现在COVID-19重症/危重症时期，单核细胞发生显著变化。单核细胞在外周血单个核细胞中占比增加，多样性却显著降低。同时本研究发现两个新的COVID-19重症疾病特异性单核细胞亚群：Mono 0和Mono 5。这两个亚群表达amphiregulin（AREG）、epiregulin（EREG）和细胞因子基因IL-18，KEGG分析显示富集的ErbB信号通路，这两个亚群可能具有促纤维化和促炎的特征。进一步分析发现Mono 0和Mono 5发生代谢改变，包括糖酵解/糖异生的增加和HIF-1信号通路的增加。本研究同时发现一个疾病重症前期取得的样本显示出与重症/危重症时期样本相似的单核细胞UMAP图谱。本研究发现了两种新的COVID-19重症疾病特异性单核细胞亚群，可作为重症COVID-19的潜在预测因子和治疗靶点。
越来越多的研究表明，发酵乳杆菌可以用于溃疡性结肠炎的预防和治疗。本研究中，我们从中国不同地区的人群粪便样本中分离出了105 株发酵乳杆菌，并对其基因组草图进行了测序。我们分析了这些菌株的泛基因组和系统发育特征，并对4 个模型菌株（发酵乳杆菌3872、CECT5716、IFO3956 和VRI003）也进行了分析。系统发育分析表明，发酵乳杆菌基因组的进化方向与宿主的地理位置、性别、族群和年龄没有明显的关系。我们挑选了3 株来自不同的系统发育支系的发酵乳杆菌（FWXBH115、FGDLZR121和FXJCJ61）和发酵乳杆菌模式菌株CECT5716，通过构建右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎小鼠模型，
探究这几株菌的抗炎和免疫调节活性。发酵乳杆菌FXJCJ61 和CECT5716 可以通过缓解所有结肠炎相关的组织学指标，保护黏膜完整性，增加肠道短链脂肪酸（SCFA），显著减轻结肠炎，而其他两株菌未能提供类似的保护作用。发酵乳杆菌FXJCJ61 和CECT5716 的抗炎机制与核转录因子kappa-B（NF-κB）信号通路激活以及促进白细胞介素10（IL-10）的产生有关。比较基因组分析结果表明，这些有益发酵乳杆菌的抗炎作用可能与一些特定基因有关。
3D打印支架植入后激起的免疫反应是组织修复效果的主要决定性因素。因此，巧妙调控免疫反应的支架材料具有高效修复组织的潜能。本研究受抗原特异性免疫反应对血管新生促进作用的启发，通过动态共价键将介孔二氧化硅微棒（MSR）/聚乙烯亚胺（PEI）/卵清蛋白（OVA）自组装疫苗与3D打印自固化磷酸钙骨水泥（CPC）基支架结合，构建了一种具有调控局部体液免疫反应功能的组织修复支架。通过局部释放OVA激活体液免疫反应，支架可有效募集抗原特异性CD4+ 2 型辅助性T细胞（Th2 细胞），从而促进支架植入早期的血管新生；在提供充足和丰富的血供环境的同时，MSR微棒中释放的硅离子还能有效加速骨再生。在室温下稳定成型的自固化磷酸钙基打印浆料能够促进功能性氧化透明质酸在材料中的均匀分布和结构保持，并构建具有均匀连通孔道的支架。将MSR/PEI 作为抗原载体共价结合于富含醛基的支架，可实现OVA的稳定释放。在体外实验中，该疫苗负载支架有效募集并激活了树突细胞使树突细胞呈递抗原，还促进了骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨分化。在皮下包埋实验中，疫苗负载支架增加了Th2 细胞在脾脏中的比例，局部募集了抗原特异性T细胞并促进了支架内的血管新生。此外，原位颅骨缺损修复模型结果表明，负载疫苗的支架可促进血管化骨组织再生。总之，该方法为具有促进血管新生功能个性化植入体的设计提供了一种新思路。
脱氮是水处理厂和污水处理厂的关键过程。作为一种新型的生物脱氮过程，全程氨氧化（comammox, CMX）细菌的发现颠覆了学术界对于NH3需两步转化为NO3– 的传统认知，拓宽了学术界对NH3生物氧化转化为NO3– 的传统理论。与典型硝化细菌相比，CMX细菌具有显著优势，如高生物量生产率、对营养和生长限制条件的强适应性等，引起了人们对CMX细菌在污水处理中应用潜力的广泛关注。鉴于目前较缺乏关于CMX细菌与可持续水和污水处理过程关联性的全面综述，本文旨在讨论CMX细菌在去除水和污水中氮和污染物的作用及应用。本文从分支和亚分支水平考察了CMX细菌的代谢多样性，并关注CMX细菌在工程系统中的分布、生态位分化、共生关系及CMX细菌与典型硝化细菌的相互作用，更好地了解CMX细菌的生理、生态学特征。此外，本文提出了基于CMX细菌应激反应与反应器适应性的理论过程，并评估了CMX细菌直接或协同降解微污染物的代谢潜力，为CMX细菌在污水处理厂中的广泛应用提供重要理论基础。最后，本文总结了未来的研究方向，这对于深入理解CMX细菌至关重要。
可展开空间结构技术是一种实现航天器结构构型的方法，尤其是用于具有展开和折叠功能的空间结构。进入轨道后，空间结构从整流罩中释放、展开并定位。随着通信、遥感和导航卫星技术的发展，空间可展开结构已经成为空间科学和技术的前沿研究课题。本文总结了中国空间可展开结构的研究现状和发展趋势，包括：空间大型网状天线、空间太阳翼、深空探测用可展开结构等。从可展开机构设计、索膜结构找形方法、动力学分析、可靠性的环境适应性分析和验证等角度阐述了空间可展开结构的关键技术。最后，阐明了网状天线、太阳翼、可展开机构以及在轨调整、组装和建造等领域的未来技术发展和趋势。
异构蜂窝网络（heterogeneous cellular network, HCN）是一种具有发展前景的结构，可以提供无缝无线覆盖并提高网络容量。然而，密集化的多层网络结构引入了过多的层内和层间干扰，使HCN容易受到窃听攻击。本文提出了一种基于频谱动态控制（dynamic spectrum control, DSC）的传输方案，用于加强HCN的网络安全并提高网络容量。该DSC辅助传输方案利用了分组加密的密码学思想，通过执行迭代和正交的序列变换生成代表传输决定的序列族。基于这些序列族，多位用户可以动态地占用不同频隙进行数据传输。此外，本文还分析了数据传输的碰撞概率，从而得出可靠传输概率和保密概率的解析表达式。然后，在给定可靠传输概率和安全传输概率的要求下，进一步得出了网络容量的上下限。仿真结果表明，本研究提出的DSC辅助方案在安全性能方面能够优于基准方案。最后，本文评估并讨论了DSC辅助方案中的关键因素对网络容量和安全性的影响。
现有的仿生机器鼠仅可以执行一些基本的仿鼠运动基元（MP），并通过这些基元的刚性组合来形成简单的行为。为了模拟具有高相似性的典型实验鼠行为，本文提出使用概率模型和运动特征对实验鼠的行为进行参数化。首先，对15 个10 min 的实验鼠运动视频片段的分析表明，一只实验鼠在野外通常有6 种典型的行为，且每种行为都包含8 个运动基元的不同组合。本文首先使用softmax 分类器来获得实验鼠的行为-运动分层概率模型。其次，使用静态和动态的运动参数对运动基元组合进行特征化。本文分别使用分层聚类和模糊C均值（FCM）聚类获得静态和动态运动参数的优势值。这些优势值通过二阶傅里叶级数对实验鼠的脊柱关节轨迹进行拟合，并且通过具有两个隐藏层的反向传播（BP）神经网络对关节轨迹进行泛化。最后，将分层概率模型和泛化的关节轨迹分别作为控制策略和指令映射到机器鼠。本文在机器鼠上实现了6 种典型的仿鼠行为，其结果与实验鼠的行为相比显示出高度相似性。
随机微分方程（SDE）是一种广泛用于描述受不同来源噪声干扰的复杂过程或现象的数学模型。由于数据固有的强随机性和系统动力学的复杂性，控制系统的SDE的辨识通常是一个挑战。辨识SDE的现有参数化方法的实用性通常受到数据资源不足的限制。本研究提出了一种通过稀疏贝叶斯学习（SBL）技术从候选基函数空间中搜索简洁但物理必需的表示形式来辨识SDE的新框架。更重要的是，利用SBL的解析可处理性开发了一种可以通过少量数据来高效地构建辨识SDE的线性回归模型的方法。本文利用股票和石油价格、轴承变化和风速的真实数据，以及包括广义维纳（Wiener）过程和朗之万方程在内的著名随机动力系统的仿真数据，验证了所提出框架的有效性。该框架旨在帮助专家从自然科学、经济学和工程领域的随机现象中提取随机数学模型，用于分析、预测和决策。