生物耦合及其分类学与特征规律研究

生物功能源自生物耦合作用的现象, 是多元仿生的重要生物学基础, 也是仿生学领域的重要发现. 从仿生学角度, 提出了生物耦合相关的基本概念, 阐释了生物耦合的构成、分类及其特征规律, 分析了生物耦合研究的一般模式, 并展望了多元耦合仿生的前景.     

蜻蜓翅膀功能特性及其仿生研究进展

蜻蜓是自然界最优秀的飞行者之一,其通过翅膀的形态、构形、结构、材料等多个因素的相互耦合协同作用,展现出优异的功能特性,为航空航天飞行器和仿生微扑翼飞行器等的设计、研制和开发提供了天然的生物蓝本.近年来,国内外学者在蜻蜓翅翼的几何结构、材料特性、飞行机理及翅翼飞行时的控制方式等方面的研究取得了一定进展,有力助推了蜻蜓翅翼不同层面的仿生应用.本文简述了蜻蜓翅膀的飞行、自清洁、抗疲劳、消振降噪等功能特性,阐释了蜻蜓翅膀的形态、构形、结构、材料等与其功能特性之间的内在关系,分析了蜻蜓翅膀功能特性仿生研究的态势并展望了其应用前景.     

从环状网络到链状网络同步能力的变化

通过理论分析发现，单向耦合结构与双向耦合结构的环状网络，在断开一条边从环状变为链状时，网络同步能力所发生的变化是完全不同的．从双向环状耦合结构到双向链状结构时同步能力是减弱的，在Ⅳ很大时同步能力约为原来的1／4；而从单向环状耦合结构到单向链状结构时同步能力却明显增强，在N很大时增强约N^2／（2π^2）倍．数值仿真也定性地验证了这一结论．还发现在单向耦合与双向耦合两种不同的环状网络上添加一条不同长度的边对同步能力的影响是不同的，对于单向环来说添加一条边对同步能力影响具有一定的规律性．同步问题是一个基本的物理问题，文中的结果对于一些现实世界的网络，比如生物生态系统、电路设计等的应用具有一定的参考意义．     

多铁性材料研究进展及发展方向

多铁性材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序,并且由于多种序参量之间的相互耦合作用而产生新的效应.这类功能材料在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储与处理等领域展现出巨大的应用前景.同时,多铁性耦合的物理内涵涉及到电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理多个范畴,已成为国际上一个新的前沿研究领域.本文回顾了多铁性材料的研究历史,分别就单相多铁性和复合多铁性材料的主要研究趋势做了系统性总结,尤其就目前有待解决的关键科学问题、未来发展方向等进行了讨论和展望.     

基于脉冲耦合神经网络的椒盐噪声图像滤波

通过对脉冲耦合神经网络(PCNN)工作机理的分析, 指出由其神经元的阈值衰减特性和网络局部链接特性所带来的神经元的点火捕获特性本身就具有很好的对椒盐噪声污染图像的噪声定位作用, 并基于此提出了一种对图像噪声进行定位、仅对噪声像素进行类中值滤波的思想, 实现了图像的强自适应滤波, 并针对随机椒盐噪声和极端椒盐噪声两种不同的噪声情况, 分别给出了相应的滤波器. 经该方法滤波的图像有无任何畸变(对非噪声像素)、模糊小(对噪声像素)的特点, 较传统的基于窗函数滤波的方法(如中值滤波法)有明显的优越性, 实验及与其他方法的比较验证了其良好的滤波性能.     

交叉学科研究推动了生物无机化学学科的发展

本文分为七部分，第一部分对生物无机化学学科发展进行历史回顾；第二部分从回顾史实中用实例表明生物无机化学的研究始终瞄准金属离子和生物配体控制生命过程中的化学问题；第三部分是介绍当今国际上研究核酸领域的争论焦点；第四部分是报导我们设计和合成了作为人工核酸酶的一系列新的配体以及许多不同金属的功能配合物；第五部分是讨论用动力学、热力学和DFT计算方法研究配合物和DNA相互作用的键合机制以及十多种影响因素；第六部分进一步报导配合物的生物功能和它们的应用探索，最后一部分提出在核酸领域的某些新的发展方向和途径。我们进一步提出了配合物的结构与DNA的作用机制以及它们的生物功能之间的规律性。通过配合物的结构改变去调控和改变配合物对DNA键合性质和生物功能。     

血红素蛋白结构及功能的相互转换

本文综述了利用蛋白质工程方法,实现不同血红素蛋白之间结构及功能的相互转换,包括氧载体与电子传递蛋白间的相互转换、氧载体与生物催化剂间的相互转换、电子传递蛋白与生物催化剂间的相互转换,以及不同类型血红素蛋白之间的相互转换。这些成功的研究成果,丰富了我们对金属蛋白结构-性质-反应-功能之间精妙关系的深入认识。     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

用周期Green函数方法全面提取耦合模式模型参量

结合谐波导纳和周期Green函数概念, 采用Chebyshev多项式拟合电荷分布以便有效表征其指边缘的奇异性, 对周期Green函数作了奇异性分解和渐近近似处理, 从而实现了对周期栅格电极阵下表面波传播的精确、快速求解. 尤其是利用禁带边缘处的驻波场特性获得了耦合反射系数的相位. 由此快速、准确、全面地提取了材料的耦合模式参数.     

倾转旋翼机前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统气弹稳定性分析

倾转旋翼机是一种具有普通直升机垂直起降与空中悬停能力,又兼备螺旋桨式固定翼飞机高速远程巡航能力的新型飞行器.由于旋翼与机翼之间复杂的动力学耦合关系,在前飞状态下系统的动力学稳定性随着前飞速度的提高而降低,从而限制了倾转旋翼机飞行速度的提高.针对机翼具有弹性弯扭耦合特性的倾转旋翼机系统,建立了其前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统的气弹稳定性分析模型.利用Boeing试验模型的参数对倾转旋翼机前飞状态下的气弹稳定性进行计算,分析了机翼弹性弯扭耦合特性对气弹稳定性的影响.结果表明,机翼向上弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性可以显著提高机翼垂向模态的失稳速度,而机翼向前弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性则对提升机翼弦向模态的失稳速度非常有利.     

分子水平的仿生科学

本文讲座了在分子水平进行的模仿生物大分子生物功能的研究现状，研究技术，及其在基础研究和生物制品生产中的应用。     

基于水量-水质耦合模型的扎龙湿地水质净化功能模拟与评估

自然湿地系统的水质净化功能已被社会广泛的认可,但科学评估其水质净化功能的研究尚且不多.为了维护湿地这种功能及其生态健康,如何定量化研究自然湿地水质净化功能成为国际湿地研究领域的难点和热点.本文针对扎龙湿地氮、磷污染,水质日趋恶化的现状,在调研收集湿地相关资料以及室内模拟实验获取参数的基础上,构建了水量-水质耦合模型,并对湿地水质净化功能进行模拟与评估.通过统计分析,TN,TP模型模拟值和室内试验实测值的平均相对误差分别为8.6%和12.4%.对不同TN,TP进水浓度条件下的水质净化情况进行模拟和预测,发现当进水TN浓度大于42mg/L或TP浓度大于14mg/L时,90d的水力停留时间条件下对污水的去除效果将达不到Ⅴ类水标准.最后模拟计算得出,当工农业回归水的水量为0.3×108m3/a,且出水达到Ⅴ类水质标准时,扎龙湿地（约1000km2芦苇湿地）的最大承载能力为TN1.26×103t/a,TP0.42×103t/a.研究结果为扎龙湿地水环境保护和生态安全保障提供科学依据.     

倾斜光纤Bragg光栅偏振特性理论分析

基于耦合模理论与Mueller矩阵方法,理论分析了倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)的偏振特性.推导计算了不同倾斜角度下,TFBG的波长相关偏振依赖损耗(PDL)表达式.比较不同倾斜角度下的计算结果,发现45°的TFBG偏振能力强于其他较小倾斜角度的TFBG.同时,计算了非偏振光通过TFBG后的偏振度,以探讨各种倾斜角度的偏振特性.另外,讨论了TFBG的几种物理参数与其偏振能力间的关系.     

电子装备机电耦合研究的现状与发展

高精度电子装备被广泛应用于陆、海、空、天等各个领域.针对高性能、高精度电子装备中普遍存在的机电耦合问题,本文系统地介绍了国内外电子装备研制的机电分离、机电综合与机电耦合三个阶段的情况,重点讨论了机电耦合的概念、理论与方法,进而阐述了机电耦合研究的现状与内涵、主要进展、研究内容、研究热点及发展趋势.     

不同激励频率比下复合模态振荡的结构特性分析

研究多频激励下不同激励频率比时快慢耦合系统的各种复合模态振荡的动力特性及其产生机制.以广义BVP(Bonhoffer-van der Pol)耦合电路为例,通过引入两个电压源控制的电路模块,建立了具有双周期激励的五阶动力模型.选定适当的参数,使得两个激励频率均远小于系统的固有频率,以此考察不同激励频率比下系统的快慢动力学行为.将两个外激励项转化为一个慢变量表达形式,从而将系统分为快慢耦合两子系统.分析了快子系统的平衡点及其分岔条件,探讨了不同激励频率比对复合模态振荡结构的影响,得出系统可能产生原点中心对称,轴对称和非对称的复合模态振荡.给出了系统在6组激励频率下的不同复合模态振荡行为,并进一步揭示了其相应的产生机理.     

基于函数调用路径的软件实现与设计一致性验证

软件系统开发完成后,验证其是否完成了软件设计说明书的所有功能并且与设计算法一致,是软件测试的一项重要工作.通过人工遍历分析源代码来完成实现与设计的一致性验证是复杂费力的,并且需要测试人员具备丰富的编程经验和较强的算法分析能力.论文提出了一种基于函数调用路径的软件实现自动验证方法.从设计文档和源代码两个方面出发,分别分析其函数调用关系,提取函数调用路径,生成功能簇模型.其中文档方面通过人工理解设计文档,确定函数调用关系,然后自动生成标准功能簇模型;源代码方面通过静态分析,自动获取函数调用关系,提取功能点特征,利用这些特征提取功能点的具体实现算法,自动生成软件的实际功能簇模型.对比两个功能簇模型,验证软件实现与设计的一致性.实验结果表明：算法能够准确获得软件系统的功能结构及实现算法特征,对软件实现与设计的一致性做出有效判定,为软件实现与设计的一致性自动化测试提出一种新的思路.     

掘进机截割部刚柔耦合动力学建模与仿真研究

将大位移运动与小变形刚-柔耦合体动力学的建模理论应用于掘进机截割部的动态特性研究,利用ANSYS把截割部的截割主轴和截割套筒生成模态中性文件,导入ADAMS中建立刚柔耦合虚拟样机并进行运动学和动力学仿真,研究柔性体对截割部的影响。通过与刚性体模型仿真结果对比,揭示了工作装置中柔性体与刚性体耦合时的运动学、动力学特性。仿真结果表明柔性耦合模型更加符合实际情况。     

空间磁悬浮系统的耦合动力学模型及线性化

利用洛伦兹力的电磁悬浮控制在地面及空间的主动隔振控制中得到了广泛应用,已有的研究与应用大多基于浮子加定子的形式,假设定子质量特性远大于浮子且不受控制的反作用及其他耦合作用,对浮子进行六自由度建模及控制.对载荷质量特性与平台质量特性相当的情况,系统将不再具有定子与浮子的形式,成为具有耦合作用的两个六自由度运动的物体,耦合作用表现在控制的反作用、相对运动产生的感生电流与磁场相互作用两个方面.本文尝试推导了载荷及平台相对任意各自参考点的耦合运动模型,包括载荷运动、平台相对运动的耦合动力学方程,并基于平动及转动的小位移及小速度假设,对非线性方程进行了线性化处理,便于用线性控制器进行反馈控制,数值实例表明在一定时段内线性化模型的结果与原模型保持一致.     

输出-阈值耦合神经网络及基于此的最短路问题求解

通过建立神经元输出和与其相邻神经元阈值之间的相互耦合, 提出了一种输出-阈值耦合神经网络, 实现了对在通常脉冲耦合神经网络中所存在的自动波现象的模拟, 并基于它的自动波现象, 提出了一种用输出-阈值耦合神经网络求解最短路问题的方法, 该方法具有所需神经元数目少、神经元和网络的结构简单、大规模并行计算等特点, 可用于求解非对称赋权图单起点多终点的最短路问题, 其所需的计算量(迭代次数)仅正比于最短路的长度, 而与图的复杂程度、所存在的通路总数等无关. 最后给出了最短路求解的例子.     

基于异构数据模型的电-气耦合网络状态感知方法研究

随着电力、天然气网络开放互联,多能流耦合在实现能源科学管理与优化调度的同时,彼此间能量转换使得原本独立能源网络的状态感知复杂度增加.因此,在实现快速分析及考虑耦合网络特性的基础上,本文提出一种针对多维电-气耦合网络的异构数据模型状态感知方法.首先,针对子网络交互影响以及相应检测变量变化过程,构建出刻画不同子网络时间响应特性的异构数据模型.然后将构造的模型通过归一化及函数转换得到对应的协方差矩阵提高节点数据变化灵敏度,并且将状态感知判断转化为随机矩阵谱差异值变化程度的分析.在确定网络状态改变的前提下,根据谱分布对应的最大特征向量得到发生变化的网络节点,从而完成整个耦合网络状态感知过程.最后对不同电-气耦合网络状态改变情况进行仿真,仿真结果验证了本文所提方法的可行性与有效性.