可见光驱动Methanosarcina barkeri-天然碳基半导体产甲烷性能及机制

利用半人工光合系统(非光合微生物-纳米半导体生物杂化体系)将二氧化碳转化为高热值的甲烷有助于缓解全球温室效应和能源危机.作为生物杂化体系的关键组分,纳米半导体颗粒的结构及性质显著影响生物杂化体系的性能.本研究以油菜花粉为原料,成功构建Methanosarcina barkeri-天然碳基半导体生物杂化体系(M.bark...     

黄瓜叶片叶绿素荧光光谱日变化的研究

文中研究了叶绿素荧光光谱的日变化规律,分析了叶片的光合速率与叶绿素荧光光谱之间的关系,通过分析日光温室光合有效辐射的变化规律,建立叶片光合速率与叶绿素荧光光谱强度之间的回归方程.利用激光诱导叶绿素荧光光谱分析技术实现对叶片光合速率的无损检测,为产量预测的研究奠定了基础,同时也拓宽了可见光波段的研究领域.     

毛细力驱动海水淡化

报道了一种新型毛细力驱动海水淡化系统.系统类似打开的环路热管,以毛细芯提供的毛细力为驱动力,抽取海水进入毛细芯发生汽液相变,产生的蒸汽进入冷凝器冷凝成淡水.实验结果表明,使用有效受热面积为50.24 cm2的蒸发器,在壁面温度为40℃时,淡水产量91.8 g/h,产水含盐约30 mg/L,水质超过饮用水标准.毛细芯中的弯液面可以自适应外界热源,在33℃~56℃间都能正常运行(产水温度30℃).由于广泛的温度适应性,特别是低温下的海水淡化和物质提纯能力,使得该方法在低品位余热利用等领域具有很大的优势和潜力.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

沉积物微生物燃料电池中的微生物电子传递过程

沉积物燃料电池(sediment microbial fuel cell, SMFC)可以将沉积物中的化学能直接转化为可用的电能,同时加速沉积物中污染物的去除.近20年来, SMFC引起了越来越多的不同学科研究者的关注,国内外已有多例成功的实际应用的报道.由于能源和环境发展在我国的战略地位,我国学者发表SMFC相关的论文数量已超越美国成为世界最多的国家.在SMFC中,电极表面微生物的能量和物质代谢网络是实现其产电和降解功能的关键,但目前尚缺乏对SMFC中微生物过程的系统总结和分析.本文以电极表面微生物电子传递过程为核心,依次对SMFC中的阳极电子供体、微生物群落、功能基因、阴极电子受体和微生物群落等方面进行综述,并对SMFC进一步在实际环境和科学研究中的应用进行了展望和讨论,以期从微生物学的角度为SMFCs的发展和应用提供参考.     

厌氧氨氧化微生物学机制及其在污水脱氮工艺中的应用进展

厌氧氨氧化反应(Anammox)是指将NH_4~+-N和NO_2~--N直接转变为N_2去除的生物氧化过程,近年来成为新型生物脱氮技术研究的热点。在厌氧氨氧化反应中起关键作用的厌氧氨氧化细菌是一类对生态环境要求极为苛刻的微生物类群。目前,对于厌氧氨氧化生物转化过程的生物学理论与机制研究虽取得一定的突破,但有关厌氧氨氧化微生物代谢与调控机制的关键科学问题研究还不够深入,严重制约了该技术的工程化应用与推广。本文着重阐述了厌氧氨氧化菌的微生物学原理、生理特性,以及参与中心代谢途径的关键酶基因等,进而讨论了典型的厌氧氨氧化反应的化学与生化反应模型、影响厌氧氨氧化生物代谢过程的主要生态因子。最后,针对厌氧氨氧化技术在国内外典型的污水脱氮工艺中的应用现状与运行效果,深入剖析了产业化工程应用与推广的瓶颈,并对厌氧氨氧化技术未来的理论机制研究与产业化工程应用进行了前景展望。     

聚合物捻卷型人工肌肉及其在软体机器人领域应用的研究现状

人工肌肉是一种新型的仿生柔性驱动器,具有显著柔顺性和柔软度,能够安全地与人体及其他生物环境进行交互.鉴于现有的人工肌肉存在负载程度低、迟滞效应大、寿命短等局限,一种基于尼龙等聚合物纤维进行加捻卷绕制作的人工肌肉(twisted and coiled polymer fiber, TCPF)应运而生.这种人工肌肉可产生超过40%的变形量,承受载荷的能力达到同等重量和长度人体肌肉的100倍之多,并且具有高达5.3 kW/kg的能量密度,迅速成为当前学术研究的热点问题.本文综述TCPF人工肌肉的发展历程和研究现状,着重围绕TCPF人工肌肉的制备工艺和驱动原理、新材料和结构、驱动方式的改进以及在软体机器人领域的应用等方面进行介绍,分析了现有研究中存在的不足和瓶颈问题,并对未来的发展趋势进行了展望.     

土壤农药降解微生物及其作用机理

化学农药在土壤中残留造成的环境污染和给人类健康带来的危害日益严重,土壤微生物在土壤残留农药降解中起着关键作用,利用微生物来降解农药可以保障土壤的健康发展.本文从土壤残留农药的种类、降解农药的微生物类群、微生物降解农药的机理、微生物降解的影响因素等方面进行了综述,并且对土壤农药微生物降解的研究趋势提出了自己的观点.     

复系数多项式完全判别系统及其自动生成

通过建立多项式的完全判别系统，彻底解决了复系数多项式根的完全分类问题；而且，把所得算法用Ｍａｐｌｅ编成一个通用程序，使多项式的完全判别系统及其完全根分类由计算机自动生成，绝不需要人工的干预；另外，还利用自动生成多项式根分类的结果，给出判定一元、二元多项式正定（正半定）性的具体方法及其自动实现。     

三维黏弹性静-动力统一人工边界

提出了一种发展静-动力统一人工边界的方法, 基于黏弹性动力人工边界和半无限空间中静力问题的基本解, 建立了对动力问题和静力问题均适用的三维黏弹性静-动力统一人工边界.     

不同电子受体诱导活性污泥生物质内源减量

活性污泥法是世界上应用最广泛的污水处理工艺.该工艺在净化水质的同时会产生大量的剩余污泥,而剩余污泥处理处置已成为该工艺发展的瓶颈.尽管现有污泥减量技术能够降低污泥产量,但是这些技术自身涉及能量和化学品的消耗,有悖于可持续污水处理的理念.在新陈代谢中,细菌合成取决于电子传递过程中所产生的能量(三磷酸腺苷ATP).不同电子受体因电子传递路径差异导致能量产率不同而影响细菌产率.本研究基于上述分析,以低溶解氧活性污泥工艺为研究对象开展不同电子受体诱导污泥减量性能与机制研究.在低溶解氧下的活性污泥微生物种群结构中, 29.7%的微生物为缺氧菌,这些缺氧菌能够利用NO_x~-为电子受体.基于热力学电子当量模型及电子传递模型推导出:微生物利用NO_x~-作为电子受体时的能量(ATP)产量仅为以O_2为电子受体时的2/3.胞外蛋白质组学揭示:低溶解氧系统中,微生物胞外蛋白中涉及电子传递和质子传递的蛋白丰度为8%和4%;而传统活性污泥系统中这个比例仅为2.9%和2%. NO_x~-作为电子受体时,更多的蛋白参与了电子传递过程.在低溶解氧系统和常规活性污泥系统中具有氧化还原催化活性的蛋白占23.7%和10.7%.这证实微生物以NO_x~-作为电子受体时电子传递活性更加活跃.电子受体的改变诱导了分解代谢与合成代谢之间的基质分配发生变化,微生物以NO_x~-作为电子受体参与细胞合成的电子供体fs明显小于O_2为电子受体的值.微生物以NO_x~-作为电子受体时,更少的能量和物质用于细胞合成,更多的能量被耗散掉.在无需额外的能量和资源消耗下,低溶解氧活性污泥系统获得15.4%的污泥减量效率.本研究成功地诱导微生物转换电子受体实现污泥减量.     

斯特林循环输出功率优化分析

基于有限时间热力学理论,结合理论和熵产理论,以输出功率最大为目标对斯特林循环进行了分析和优化,探讨了损失、耗散、熵产、熵产数及改进熵产数在系统参数优化方面的适用性.研究表明,当循环的热源为给定温度的无限热容热源时,系统的最大损失率对应于最大输出功率,最小熵产率和耗散率极值不与最大输出功率对应.当系统的热源为有限热容热源时,在给定高低温热源流体入口温度和热容量流的条件下,系统的最大损失率、最小熵产率、最小熵产数和最小改进熵产数均对应于系统最大输出功率,而耗散率极值不对应.随着高温热源流体热容量流增加,系统的输出功率、损失率、熵产率和耗散率均随之增加,而熵产数和改进熵产数先减小后增加.综合而言,在本文讨论的各种工况下,损失的概念用于斯特林循环输出功率优化时,其一致性优于本文讨论的其他参数.     

半监督增量式SVM在故障诊断中的应用研究

基于半监督学习能够有效降低人工标注成本,以及增量学习可以加快训练速度,避免数据量大时训练时间过长等特性,本文提出了一种半监督增量式SVM算法.在算法中,首先对已标记样本进行训练得到初始分类器,然后利用此分类器对新增样本进行标记,最后结合KKT条件选择合适的样本对分类器进行更新.每当有新样本加入便执行以上过程,以保证分类器得到及时更新.将该算法运用于6135D型柴油机的故障诊断中,并与传统SVM算法和增量式SVM算法进行了对比,证实了本文所提算法的可行性与有效性.     

基于干扰观测器的一类不确定非线性系统鲁棒自适应控制

本文利用干扰观测器和Backstepping方法,提出了一类不确定非线性系统的鲁棒自适应控制方案.首先,利用径向基神经网络(radial basis function neuralnetwork,RBFNN)设计干扰观测器,并通过对RBFNN参数的自适应调整来逼近系统干扰.基于干扰观测器的输出,采用Backstepping方法设计鲁棒自适应控制器.在所设计的鲁棒自适应控制器作用下,闭环系统所有信号达到半全局一致有界稳定.闭环系统稳定分析表明适当地选取设计参数可以确保所有系统状态是一致有界的.最后,仿真结果验证了所提出的鲁棒自适应控制方案的有效性.     

爆轰双向驱动双状态并行技术的原理性研究

爆轰驱动激波风洞是用来产生高超声速高焓试验气流的地面试验装置,通常分为正向爆轰驱动激波风洞和反向爆轰驱动激波风洞两种.本文针对单独正向或反向驱动模式的不足,提出一种新型的爆轰双向驱动模式,同时利用爆轰波的高能波阵面和泰勒稀疏波尾部平稳端,在一次试验中同时实现中焓与高焓两种高超声速试验气流.本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,模拟并分析了爆轰双向驱动激波风洞中的关键波动力学过程,数值计算结果表明,爆轰双向驱动技术是可行的,而且正向驱动端和反向驱动端的状态调整具有相对独立性,可以覆盖中高焓大范围跨流域试验能力.     

新型脱氮工艺及其可控因素的分析

简要的回顾了传统的生物脱氮工艺。介绍了基于亚硝化及其厌氧氨氧化的新型微生物脱氮工艺SHARON工艺、ANAMMOX工艺、SHARON和ANAMMOX组合工艺、CANON工艺,并对过程的原理及其影响因素进行了探讨，为高浓度的氨氮废水提供了可操作性发展前景。     

微生物燃料电池与常规污水处理技术结合的研究进展

通过总结近年来微生物燃料电池(MFC)与常规污水处理技术的结合案例,发现与MFC结合的污水处理技术主要集中在物理化学法、生物法及高级氧化法三类。与物理化学法的结合侧重于利用MFC的产电特性,如电吸附法和电渗析法;与生物法的结合分为好氧和厌氧法两种方式,主要利用MFC的多重系统特性,大大提升除污性能:与高级氧化法的结合体现在光催化法、电化学法和电Fenton法三方面,其中,与电benton法的结合是研究的热点。将MFC与常规污水处理技术从产能和净化的双重角度进行结合,既为节能型污水处理技术的发展奠定基础,同时也扩大了MFC的应用范围,为今后MFC与其他技术的结合研究提供了借鉴和依据。     

纳米发电机应用:自驱动系统

智能传感是未来数字社会和智能社会的基础.然而,如何给数量庞大、分布广泛的各类传感节点提供持续的电源供给是一项巨大的挑战.摩擦纳米发电机(TENG)是近年来兴起的一种新型的机械能量收集技术,可以有效地将低频、低幅的机械能量转换为电能,一方面可以实现自主的、自驱动的机械信号传感;另一方面可以与能量存储器件集成,实现自充电的电源系统.同时,由于TENG在材料选择和结构设计上的多样性,适宜的应用场景非常广泛.因此,本文系统介绍TENG在自驱动系统方面的应用研究进展,主要包括自驱动传感和自充电系统两方面的典型研究工作,最后分析展望了现有研究的挑战和未来的潜在方向.     

自然光照条件下可再生的微生物燃料电池阴极体系

本文中采用多碘离子(I3-)为阴极电子受体,利用碘离子(I-)可以在太阳光照条件下跟氧气生成多碘离子的特性,提出并构建了可利用太阳光进行循环再生的微生物燃料电池阴极体系;并在太阳光照条件下对多碘离子的再生特性及其再生特性对电池性能的影响进行了实验研究.结果表明,多碘离子做阴极电子受体时的微生物燃料电池的性能要明显高于铁氰酸钾(K3[Fe(CN)6])为电子受体时的性能;并且在太阳光照条件下,多碘离子可以利用太阳能快速循环再生,是一种较合适的微生物燃料电池阴极受体.同时实验发现多碘离子浓度对微生物燃料电池性能有很大影响,在本实验条件下,多碘离子浓度越高,微生物燃料电池性能越好;并且通过线性扫描实验可知,在自然光照条件下,多碘离子向阴极表面的扩散是影响微生物燃料电池性能的主要因素.     

电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理研究

电渗驱动纳米压印是一种新型的纳米压印工艺,它在大面积纳米压印、高深宽比微纳结构制造,尤其是在易碎衬底大面积图形化方面具有非常突出的潜能和优势.但是,电渗驱动纳米压印不同于现有的"压力驱动"纳米压印和"电毛细力驱动"纳米压印,已有的纳米压印聚合物流变填充基础理论和相关研究结果不再适用.本文开展了电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理、影响因素和规律的研究.基于微流体电渗驱动原理,建立了电渗驱动纳米压印驱动力体积力、填充速度以及填充时间的理论模型.利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件,揭示了液态聚合物在模具型腔动态填充的过程,工艺参数、模具几何特征、聚合物材料特性等因素对于纳米压印流变填充的影响及其规律.本研究为电渗驱动纳米压印技术奠定了理论基础,并为电渗驱动纳米压印工艺优化和和压印装备开发与性能的改进提供了重要理论支撑和方向性指导.