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Revealing and predicting the long-term biomechanical response of orthokeratology by developing a patient-specific computational model

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2025年第1期Mechanics & Astronomy) .卷 156-168页

作者： Yifeng Li Zhuoran yang ziming yan Huibin Shi Zhanli Liu Kaijie Wang Department of Engineering Mechanics School of Aerospace Engineering Tsinghua University Beijing Tongren Eye Center Beijing Tongren Hospital Capital Medical University Beijing Ophthalmology & Visual Sciences Key Lab

Orthokeratology(OK) is widely used for effective myopia correction and control. However, the incomplete understanding of its biomechanical mechanisms makes OK lens fitting rely heavily on clinician judgment, complicating accurate predictions of treatment outcomes. In this paper, we performed clinical experiments and numerical analysis to study corneal deformation modes and long-term changes in central corneal thickness. Clinical experiments were conducted on 194 Chinese myopic patients under OK treatment for 3 months. Based on the experimental data, a patient-specific computational biomechanical model for OK was established and validated. Specifically, the anisotropic mechanical properties of the cornea were incorporated into the model to describe the significant difference between its shear modulus(29.5 kPa) and tensile modulus(768.4 kPa). Additionally, a viscohyperelastic material model with a prolonged corneal relaxation time of 5.6 h was developed to capture the long-term deformation response. The results show that corneal thickness reduction in OK is primarily due to out-of-plane shear deformation,influenced by the cornea's low shear resistance. Modeling the extended corneal relaxation time is crucial for predicting long-term biomechanical responses. The computational model effectively captures long-term changes in central corneal thickness, potentially improving OK lens fitting accuracy.

关键词： orthokeratology computational biomechanical model long-term viscoelasticity myopia correction

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Multiscale engineered artificial compact bone via bidirectional freeze-driven lamellated organization of mineralized collagen microfibrils

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Bioactive Materials 2024年第10期40卷 168-181页

作者： Lingwenyao Kong Yonggang Zhao yang Xiong Junlin Chen Shuo Wang ziming yan Huibin Shi Zhanli Liu Xiumei Wang State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing Key Laboratory of Advanced Materials of Ministry of EducationSchool of Materials Science and EngineeringTsinghua UniversityBeijing100084China State Key Laboratory for Performance and Structure Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials Tubular Goods Research Institute of CNPCXi’an710077China Department of Orthopedics Dongzhimen HospitalBeijing University of Chinese MedicineBeijingChina School of Aerospace Engineering Tsinghua UniversityBeijing100084China

Bone,renowned for its elegant hierarchical structure and unique mechanical properties,serves as a constant source of inspiration for the development of synthetic ***,achieving accurate replication of bone features in artificial materials with remarkable structural and mechanical similarity remains a significant *** this study,we employed a cascade of continuous fabrication processes,including biomimetic mineralization of collagen,bidirectional freeze-casting,and pressure-driven fusion,to successfully fabricate a macroscopic bulk material known as artificial compact bone(ACB).The ACB material closely replicates the composition,hierarchical structures,and mechanical properties of natural *** demonstrates a lamellated alignment of mineralized collagen(MC)microfibrils,similar to those found in natural ***,the ACB exhibits a similar high mineral content(70.9%)and density(2.2 g/cm3)as natural cortical bone,leading to exceptional mechanical properties such as high stiffness,hardness,and flexural strength that are comparable to those of natural ***,the ACB also demonstrates excellent mechanical properties in wet,outstanding biocompatibility,and osteogenic properties in vivo,rendering it suitable for a broad spectrum of biomedical applications,including orthopedic,stomatological,and craniofacial surgeries.

关键词： Artificial compact bone Bidirectional freeze-casting Mineralized collagen microfibril Hierarchical structures

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结合深度强化学习与领域知识的电力系统拓扑结构优化

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电力系统自动化 2022年第1期46卷 60-68页

作者：严梓铭徐岩南洋理工大学电气与电子工程学院新加坡639798新加坡

对拓扑结构进行优化可提高电力系统运行灵活性,然而线路开断与变电站母线分裂等系统级的离散决策变量维度极高。该拓扑结构优化问题难以由传统混合整数优化方法求解。针对该问题,提出了一种结合异步优势Actor-Critic(A3C)深度强化学习... 详细信息

对拓扑结构进行优化可提高电力系统运行灵活性,然而线路开断与变电站母线分裂等系统级的离散决策变量维度极高。该拓扑结构优化问题难以由传统混合整数优化方法求解。针对该问题,提出了一种结合异步优势Actor-Critic(A3C)深度强化学习与电力系统领域知识的运行优化方法,将在线优化的计算负担转移至离线智能体训练阶段。该方法通过同时考虑拓扑结构与发电出力调整的动作空间设计系统运行控制智能体,以最小化约束越限为训练奖励,通过强制约束校验缩减搜索空间并提高强化学习效率,从而实现电力系统运行拓扑结构优化的快速计算,提高电力系统运行的安全性。仿真测试验证了所提方法的有效性。

关键词：电力系统运行深度强化学习拓扑结构优化发电出力调整

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机器学习与计算力学的结合及应用初探

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科学通报 2019年第7期64卷 635-648页

作者：李想严子铭柳占立清华大学航天航空学院应用力学实验室北京100084

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技... 详细信息

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.

关键词：机器学习数据驱动人工神经网络计算力学有限单元法

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基于仿真和数据驱动的先进结构材料设计

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力学进展 2021年第1期51卷 82-105页

作者：李想严子铭柳占立庄茁清华大学航天航空学院应用力学教育部重点实验室北京100084 海南师范大学信息科学技术学院海口570206

先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注,这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能.在早期的材料设计中,有的基于设计者的丰富经验,从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型;有的基于生物系统的结构和功... 详细信息

先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注,这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能.在早期的材料设计中,有的基于设计者的丰富经验,从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型;有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型.然而,仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案,通过反复迭代设计和试验来遍历设计空间也不切实际.为此,拓扑优化方法被成功应用于声子晶体、元胞材料等先进结构材料的优化设计中,但现有的拓扑优化方法在实现精准的反向设计方面尚存挑战.基于数据驱动的机器学习方法擅长建立数据空间多维变量复杂关系,能够揭示传统力学研究方法难以发现的更深层次的力学机理和规律,成为力学领域崭新的研究热点.本文系统地回顾先进结构材料设计方法的发展历程,对比阐述各种主流设计方法,结合本课题组的相关工作介绍数值仿真和数据驱动在先进结构材料的智能化设计方面的应用现状,并对该领域的未来研究趋势进行探讨和展望.

关键词：结构材料超材料材料设计数据驱动机器学习

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宪政与司法:刑事诉讼中的权力配置与运行研究

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中国法学 2005年第4期 153-164页

作者：谢佑平闫自明复旦大学法学院

本文以宪政为背景,以司法审查为进路,阐述了现代法治国家刑事司法领域内的行政权力的特性及其与司法权的关系,并就我国的侦查权与检察权的定位进行了分析与检讨,认为二者作为行政权力,具有“范围宽泛”和“不受制约”的特点。作者认为,... 详细信息

本文以宪政为背景,以司法审查为进路,阐述了现代法治国家刑事司法领域内的行政权力的特性及其与司法权的关系,并就我国的侦查权与检察权的定位进行了分析与检讨,认为二者作为行政权力,具有“范围宽泛”和“不受制约”的特点。作者认为,应当按照“有限政府”与“权利保障”的宪政要求,在我国建立司法审查制度,通过实行司法令状和非法证据排除等措施,规范和制约我国的侦查权与检察权,以实现宪法“保障人权”的目标。

关键词：刑事诉讼权力配置宪政建设侦查权检察权中国司法审查制度行政权力

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页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂的关键力学问题

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力学学报 2022年第8期54卷 2248-2268页

作者：高岳王涛严子铭柳占立庄茁清华大学航天航空学院北京100084 北京理工大学机电学院北京100081

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题.提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型,指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用,给出了横观各向同性多... 详细信息

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题.提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型,指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用,给出了横观各向同性多孔弹性岩石材料常数的简化测量方案,讨论了基于修正的能量最大释放率下裂纹扩展的弱面模型,提出了裂纹扩展禁止区现象.阐述了钻井完井过程中的多孔弹性介质井壁稳定性和剪切破坏的时间效应,提供了多种破坏模式下井壁许可压力范围的显式表达式,并与传统广义胡克定律得到结果对比.给出了水平井水力压裂缝网改造技术,包含水力压裂的大物模实验技术、水力压裂过程中基于扩展有限元与有限体积法的耦合流体/固体/裂缝扩展的数值模拟方法,并与黏性主导的水力压裂解析解结果对比,针对性分析了川渝地区的水力压裂施工现场实践应用问题.建立了基于数据驱动的页岩气采收率预测方法,指出了机器学习中极限梯度爬升法在小数据集情况下的有效性.

关键词：页岩气开采多孔弹性介质各向异性本构井壁稳定性水力压裂采收率

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基于机器学习的页岩气采收率预测方法

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固体力学学报 2021年第3期42卷 221-232页

作者：严子铭王涛柳占立庄茁清华大学航天航空学院北京100084

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下.页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率.如果能够... 详细信息

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下.页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率.如果能够预测采收率,一是可以评估当前储层改造程度,二是可以获悉当前的施工参数对产气量的直接影响,便于动态指导施工.由于影响产气量的因素既包括储层自身参数,又受施工参数的直接调控,因此尚无合适的物理模型能够评估多种因素对产气量的综合影响.近年来,随着深度学习的兴起,该方法成为解决工程领域问题的热门手段.论文通过解读涪陵地区页岩气开采水平井的现场数据,分别使用深度神经网络、支持向量回归以及极限梯度爬升等三种机器学习方法,建立了从储层和施工参数到采收率的预测模型,分析了各类模型的优缺点,以及相关参数的重要性.在页岩气施工现场数据量较少的情况下,建立了合理预测采收率模型,具有工程应用前景.

关键词：页岩气水平井水力压裂机器学习预测采收率

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全球能源结构性权力时空格局演变及其关键驱动因素

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地理学报 2023年第9期78卷 2316-2337页

作者：张强杜德斌郭卫东颜子明曹宛鹏夏启繁华东师范大学世界地理与地缘战略研究中心上海200062 华东师范大学全球创新与发展研究院上海200062 华东师范大学地理科学学院上海200241

能源作为战略性资源在国家地缘战略中尤为重要,能源结构性权力的角逐业已成为国家间综合国力竞争和能源安全保障的重要内涵。利用联合国跨国投入产出数据对2001—2017年各国的能源结构性权力进行测度,从空间格局、网络组织关系、新增价... 详细信息

能源作为战略性资源在国家地缘战略中尤为重要,能源结构性权力的角逐业已成为国家间综合国力竞争和能源安全保障的重要内涵。利用联合国跨国投入产出数据对2001—2017年各国的能源结构性权力进行测度,从空间格局、网络组织关系、新增价值分配的视阈来揭示全球能源结构性权力的演化脉络,并识别出权力转移的关键驱动因素。研究表明:①全球能源结构性权力体系呈现出两极分化严重、动荡不稳定特征,能源强国对周边地区不断挤压并产生了大量的破碎地带;②全球能源结构性权力呈现出“东升西降”趋势,并以中美德为主导的“三足鼎立”空间格局。其中能源出口结构性权力不断向中国转移,进口权力则进一步锚固在西欧北美;③全球能源结构性权力合作社团扩散和收缩并存,亚太和东欧社团范围逐渐扩大,西欧和美国社团范围则有所缩减;④全球能源结构性权力“核心—边缘”等级结构存在“双核→三核→多核”的弱化趋势,权力等级圈层间的迭代过程显著;⑤从能源价值流动的核心链条来看,德国、美国为代表的能源结构性权力强国占据链主地位并主导着能源价值的分配,作为跟随和从属的能源小国陷于低端锁定困局。从能源产业链环节的来看,呈现出能源勘探开采和加工销售环节价值较高,运输储存环节价值较低的“微笑曲线”特征;⑥国家高水平能源结构性权力的关键驱动因素从早期的能源禀赋和能源贸易维度逐步向市场资本维度所延展。据此为中国能源结构性权力的巩固提出了政策建议。

关键词：地缘经济能源结构性权力全球能源格局网络组织关系价值分配

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西方创新地理研究的知识图谱可视化分析

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地理学报 2018年第2期73卷 362-379页

作者：颜子明杜德斌刘承良桂钦昌杨文龙华东师范大学全球创新与发展研究院上海200062 华东师范大学城市与区域科学学院上海200062

近年来,创新问题日益受到西方人文地理学者的关注,并成为西方人文地理学研究的新方向。本文选择WOS(Web of Science)作为文献搜索引擎,选取在创新主题下刊发文章最多的500本期刊中的14本被社会科学引文索引SSCI收录的地理学期刊作为文... 详细信息

近年来,创新问题日益受到西方人文地理学者的关注,并成为西方人文地理学研究的新方向。本文选择WOS(Web of Science)作为文献搜索引擎,选取在创新主题下刊发文章最多的500本期刊中的14本被社会科学引文索引SSCI收录的地理学期刊作为文献来源,以1982-2015年共2048篇英语创新主题文献记录作为数据源,基于显示知识发展进程与结构关系的可视化工具Cite Space对数据进行关键词共现分析和文献共被引分析,绘制了西方创新地理研究的知识图谱,实现了本领域热点主题、知识基础和演进轨迹的可视化。研究发现:西方创新地理研究近30年来发文量和新兴关键词数量增长显著,研究者分布形成西欧、北美两大核心地区,近期研究指向热点关键词技术、溢出、集聚、研发、企业家精神;拥有较为明显的演进主体,研究内容宽广,主题尚不集中,全球城市、全球蜂鸣、空间化模式、产业、生命周期、剑桥地区(或剑桥现象)、知识、产业发展、区域创新战略是建立在32篇高被引文献之上的9个热点主题;经济地理学导向明显,尤其受新区域主义、转向潮流、演化经济地理学的发展影响显著,具有较为清晰的发展脉络。

关键词：西方人文地理学创新地理知识图谱 CiteSpace 可视化

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