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基于钙离子信号的细胞间分子通信研究

基于钙离子信号的细胞间分子通信研究

作者：刘凯长春理工大学

学位级别：硕士

纳米尺度的通信是信息技术与纳米技术结合产生的新型通信技术,它在医疗、工业、军事等众多领域存在广阔的应用前景。在纳米尺度的通信中,基于生物启发的分子通信是一种以生物化学分子作为信息载体的通信技术,它可以利用自身的生物兼容... 详细信息

纳米尺度的通信是信息技术与纳米技术结合产生的新型通信技术,它在医疗、工业、军事等众多领域存在广阔的应用前景。在纳米尺度的通信中,基于生物启发的分子通信是一种以生物化学分子作为信息载体的通信技术,它可以利用自身的生物兼容性、微纳尺度、高效节能性以及信息承载量大等特性完成某些特定环境的信息传递功能。本文介绍了分子通信的概念、特点及已经取得的研究结果等内容,并着重阐述了基于钙离子信号的分子通信研究现状。作为基础知识,引入了钙离子信号的生物模型,解释了钙离子信号分子通信的基本概念、相关特点,以及因其特点而设计的应用场景。本文设计了由发射机,信道和接收机组成的一维分子通信系统,利用吉莱斯皮随机算法研究了细胞质中钙离子信号波形及其经过传播后的变化,分析了该系统的特性和性能。利用误比特率、互信息量和开关键控调制技术分析了相关参数对通信结果的影响。最后分析了钙离子信号分子通信的拓扑结构,为后续网络模型的构建研究奠定基础。本文所采用的研究方法及获得的实验结果,有助于后续对钙离子信号分子通信进行深入研究,并为生物纳米物联网的构建和对某些疾病的治疗提供技术参考。

关键词：信息论体域内纳米网络分子通信钙离子信号

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BP神经网络控制算法在AFM中的应用研究

BP神经网络控制算法在AFM中的应用研究

作者：张永峰长春理工大学

学位级别：硕士

原子力显微镜从研发之初至今作为纳米领域重要的研究工具之一,始终起着举足轻重的作用。目前商用的AFM控制系统一般采用PID控制算法实现对压电陶瓷驱动器的精密控制。但是压电陶瓷具有复杂的非线性特性,简单的PID控制器难以实现对压电... 详细信息

原子力显微镜从研发之初至今作为纳米领域重要的研究工具之一,始终起着举足轻重的作用。目前商用的AFM控制系统一般采用PID控制算法实现对压电陶瓷驱动器的精密控制。但是压电陶瓷具有复杂的非线性特性,简单的PID控制器难以实现对压电陶瓷驱动器的精密控制,不仅影响原子力显微镜的扫描速度,也影响其测试精度。因此许多团队通过改进压电陶瓷驱动器及控制算法来优化原子力显微镜系统。相比改进压电陶瓷而言优化控制器算法具有成本低,适用性广等优点。本文针对目前原子力显微镜的发展现状,进一步做了总结分析,针对常规的PID算法以及BP神经网络的不足,分别做出了相应的改进,并将两者相结合从而得到更加智能化的控制方法。引入BP神经网络之后的智能控制算法可以体现出参数自学习、自整定以及自适应的优势,应用于原子力显微镜控制系统中可以使AFM获得自学习的能力,从而增强其系统的实时性以及精确性。通过对压电陶瓷的精密控制可使得扫描所得图像质量更好,且可使系统具有更强的鲁棒性。AFM的仿真系统可以为其研究提供方便快捷的第一手资料,对于该方面的研究也是微纳领域的一个重点研究方向。构建了AFM仿真平台,分析了其基本工作原理和系统中执行机构的非线性以及时变性,用Simulink结合S函数实现了AFM在接触以及轻敲两种工作模式下的过程仿真,分析并模拟样品表面形貌信号,在该平台上对结合BP神经网络的改进PID算法进行了验证。

关键词：纳米技术原子力显微镜控制算法 BP神经网络

一氧化氮和茉莉酸甲酯对苜蓿镰刀根腐病的作用

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一氧化氮和茉莉酸甲酯对苜蓿镰刀根腐病的作用

作者：周文楠西北农林科技大学

学位级别：硕士

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)属豆科牧草,作为优良牧草和生态兼用草而在许多国家和地区广泛种植。由镰刀菌(Fusarium)引起的根腐病普遍存在于世界各大苜蓿产区,成为制约苜蓿草产业发展的主要因素之一。镰刀菌的抗逆性和侵染能力极强,... 详细信息

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)属豆科牧草,作为优良牧草和生态兼用草而在许多国家和地区广泛种植。由镰刀菌(Fusarium)引起的根腐病普遍存在于世界各大苜蓿产区,成为制约苜蓿草产业发展的主要因素之一。镰刀菌的抗逆性和侵染能力极强,化学防治和农业管理措施很难达到病害防治的目的。植物的诱导抗病性是植物在外源因子的作用下产生的一种获得抗性。利用一氧化氮(NO)和茉莉酸甲酯(MeJA)诱导苜蓿产生抗病性而增强苜蓿对镰刀菌的耐病和抗病机制,是符合“绿色植保”的防治苜蓿根腐病的新途径。本研究进行了三组试验,(1)分别评价所选的9个紫花苜蓿品种(甘农3号、甘农9号、龙牧803、大业1号、大业2号、金皇后、公农1号、中苜一号和中兰二号)对3种苜蓿根腐病病原(三线镰刀菌,尖孢镰刀菌和木贼镰刀菌)的抗病性情况;(2)用菌丝扩展法探究外源NO和MeJA对尖孢镰刀菌菌丝生长的影响,并采用五因素四水平[L(4)]正交试验设计,探究SNP浓度(NO供体),MeJA浓度,孢子悬浮液浓度和处理时间对尖孢镰刀菌孢子致病性的影响;(3)采用三组四因素三水平[L(3)]的正交试验设计,分别探究NO和MeJA单独诱导和混合诱导与处理浓度、诱导时间的相互作用对甘农3号、龙牧803和中苜一号抗病性的影响,并通过模型分析进行条件优化,选出最优的处理条件。本研究的结论如下:(1)9个苜蓿品种对三个病原菌的抗病性存在差异,对木贼镰刀菌的抗病性较强,对尖孢镰刀菌的抗病性较弱,其中甘农3号和大业2号对三个病原菌均表现出耐病,中苜一号和金皇后对三个病原菌均表现出感病;三个病原菌的致病性强弱顺序为:尖孢镰刀菌>三线镰刀菌>木贼镰刀菌。(2)0.1 mmol·L的SNP和0.1.0 mg·mL的MeJA对菌丝生长有显著的抑制作用,但对孢子致病性无显著的影响(P<0.05)。处理时间是影响孢子致病性的主要因素,当孢子浓度OD值为0.069,SNP浓度为1.0 mmol·L,MeJA为0.1 mg·mL,处理时间是60 min时,尖孢镰刀菌孢子的致病性最弱。(3)MeJA和SNP分别单独处理时,可显著降低三个苜蓿品种的发病率和病情指数,而混合处理仅在个别处理条件下能显著降低发病率和病情指数。外源诱导处理可通过增强超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性、增加多酚和叶绿素的含量,同时降低丙二醛(MDA)的含量来增强紫花苜蓿的抗病性;经诱导处理后地上生物量鲜重和干重也有部分增加,但可溶性蛋白质的含量却显著降低。MeJA和SNP分别单独处理时,处理浓度是影响各测定指标的主要因素,MeJA和SNP混合处理时处理因素对不同的测定指标影响不同。因子分析结果表明,本研究中甘农3号用0.1 mg·mL11 SNP接种的同时诱导处理对尖孢镰刀菌引起的根腐病的抑制效果最佳。

关键词：苜蓿根腐病诱导抗病性 NO MeJA 尖孢镰刀菌

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四轮足机器人稳定性及轨迹规划研究

四轮足机器人稳定性及轨迹规划研究

作者：吴少振燕山大学

学位级别：硕士

本文提出了一种四轮足机器人,分析了其运动学以及动力学相关问题,在对机器人稳定性分析的基础上提出了最大稳定策略下的轨迹规划方法,并进行了误差标定实验。首先,提出了一种基于(2UPS-U)+R的串并混联结构的四轮足机器人,介绍了机器人... 详细信息

本文提出了一种四轮足机器人,分析了其运动学以及动力学相关问题,在对机器人稳定性分析的基础上提出了最大稳定策略下的轨迹规划方法,并进行了误差标定实验。首先,提出了一种基于(2UPS-U)+R的串并混联结构的四轮足机器人,介绍了机器人的整机构型,对单腿的自由度以及工作空间进行了求解,推导了单腿机构的位置正解、反解公式,并对公式进行了仿真验证。其次,基于静态稳定裕度的方法,求解了机器人静态步态下的稳定边界,并通过对机器人行走时落足点坐标以及重心投影坐标的求解,分析了稳定裕度的计算方法。建立了机器人单腿机构的动力学模型,并利用拉格朗日法对其进行了求解。再次,在对机器人进行轨迹规划之前,分析了机器人关节转角以及力矩约束。对机器人的机身工作空间进行了求解,分析并求出了机器人重心的轨迹规划方程,并在机身最大稳定性策略下对重心轨迹进行了优化,针对机器人足端点轨迹规划,分析求解了常规轨迹规划以及爬台阶的轨迹规划方程,并采用模糊PID控制器对关节的跟踪精度进行了仿真和修正。最后,研制出了四轮足机器人单腿样机,对样机进行了调试。搭建了单腿运动轨迹跟踪系统,在机器人迈步过程中,对足端点轨迹进行跟踪,生成了足端点轨迹曲线,与理论轨迹曲线进行对比,并分析了误差产生的原因。

关键词：轮足机器人串并混联机构稳定性轨迹规划

外源NO在盐胁迫下对紫花苜蓿生长及膜脂过氧化的影响

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外源NO在盐胁迫下对紫花苜蓿生长及膜脂过氧化的影响

作者：蒋文博西北农林科技大学

学位级别：硕士

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)系多年生豆科植物,有着“牧草之王”的美称,是世界上种植面积最广的牧草,同时也是我国分布最广、经济价值最高的牧草草种。紫花苜蓿具有适口性优良、产量高和富含蛋白质等特点,是家畜优良的蛋白质来源。我... 详细信息

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)系多年生豆科植物,有着“牧草之王”的美称,是世界上种植面积最广的牧草,同时也是我国分布最广、经济价值最高的牧草草种。紫花苜蓿具有适口性优良、产量高和富含蛋白质等特点,是家畜优良的蛋白质来源。我国的紫花苜蓿种植区分布在西北、华北和东北等地,但是这些地区土壤盐渍化严重,并且盐渍化面积不断扩大,程度不断加深。盐渍化土壤会对紫花苜蓿产生盐碱胁迫,因此,改善盐碱胁迫对紫花苜蓿生长发育的影响尤为紧迫,对其产量的提高具有重要意义。一氧化氮(NO)是一种多功能活性分子,广泛存在于生物体中并且在植物的生长发育和胁迫应答过程中起重要作用。因此,本试验以三种常见的抗盐能力不同的紫花苜蓿Bara 310SC、中苜1号和金皇后为试材,分别用低浓度(24 mmol·L)、中等浓度(72 mmol·L)和高浓度(120 mmol·L)的混合盐溶液(NaCl和NaSO)进行胁迫处理,然后通过NO外源供体硝普钠(SNP)设置0、0.05、0.1、0.2和0.3 mmol·L五个浓度处理,探究了在不同浓度的盐胁迫下,外源NO对紫花苜蓿生理生化特征的影响,主要结果如下:1.在盐胁迫下,紫花苜蓿鲜重、干重和叶绿素含量降低,相对电导率、丙二醛(MDA)、过氧化氢(hO)和过氧化物酶(POD)活性显著升高(PhO的含量,说明外源NO可通过增强抗氧化酶活性提高植株对活性氧的清除能力,降低膜脂过氧化作用,从而提高紫花苜蓿对盐胁迫的抗性。3.外源NO对紫花苜蓿的作用具有双重性,其对植株生长的促进作用随NO浓度的升高而先增后减。低浓度NO能够缓解盐胁迫引起的氧化损伤,促进植株生长;当NO浓度超过阈值后,其对植株生长的促进作用减弱;当NO浓度过高时,则产生毒害作用,加剧植株在盐胁迫下的损伤。每种紫花苜蓿的最适NO浓度会随着盐胁迫浓度的变化而变化。当盐胁迫浓度升高时,紫花苜蓿对NO的敏感度降低,且与低浓度盐胁迫相比,植株需要更高浓度的NO来达到最大促进效果,即最适NO浓度随胁迫强度的增加而升高。综上所述,在不同的盐浓度下,施用适宜浓度的外源NO可有效缓解紫花苜蓿的胁迫损伤,促进生长发育,并提高其产量。

关键词：紫花苜蓿盐胁迫一氧化氮生理生化特征产量

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基于微纳结构阵列的神经细胞电耦合特性研究

基于微纳结构阵列的神经细胞电耦合特性研究

作者：杨雪莹长春理工大学

学位级别：硕士

神经细胞与微纳结构阵列间的电耦合特性对于生命科学的研究和新的生物分子电子器件的开发都起着至关重要的作用。神经细胞具有电化学活性、纳米级尺寸和结构稳定等特性,这些独特的内在特性使其成为新一代分子电子材料研究的优秀代表性... 详细信息

神经细胞与微纳结构阵列间的电耦合特性对于生命科学的研究和新的生物分子电子器件的开发都起着至关重要的作用。神经细胞具有电化学活性、纳米级尺寸和结构稳定等特性,这些独特的内在特性使其成为新一代分子电子材料研究的优秀代表性模型。有关于神经细胞在微纳结构阵列上生长行为的变化以及其间的电耦合特性的研究尤其具有吸引力。原子力显微镜(AFM)纳米操纵技术作为一种强有力的工具在生命科学的研究中备受欢迎。高分辨率成像以及电学特性测量使其在纳米医学、生物细胞学、分子生物学等领域得到重要应用。六十年代以来,细胞对微纳结构阵列基底的响应被证实并受到研究者的高度重视。研究发现,微纳结构阵列基底与细胞的粘附、形态铺展、排列取向、增殖及凋亡等众多生物学行为的调控密切相关。本文首先结合电子束光刻技术与金属薄膜剥离技术制备出不同尺寸的微纳结构阵列,然后利用基于AFM纳米操纵的细胞电特性检测系统对培养在结构上的神经细胞进行测量,结果表明通过对神经细胞生物学行为的调控可以间接地调节结构与细胞间的电耦合特性。通过改变偏置电压测量多组数据绘制I-V曲线,估算出神经细胞的介电强度。最后基于电子传递理论建立本界面的电子传递模型。

关键词： AFM纳米操纵系统微纳结构阵列神经细胞电耦合特性

梭梭种子人工老化及超声波和抗坏血酸处理的修复研究

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梭梭种子人工老化及超声波和抗坏血酸处理的修复研究

作者：赵恬西北农林科技大学

学位级别：硕士

种子在长期的贮存过程中会发生不可逆的衰老现象,从而导致其品质和产量的下降。改善贮藏条件以延缓种子老化或采用适当的修复措施修复老化造成的种子损伤是农林牧业生产和种质资源保存面临的重要难题。采用合理的修复措施,如物理、化学... 详细信息

种子在长期的贮存过程中会发生不可逆的衰老现象,从而导致其品质和产量的下降。改善贮藏条件以延缓种子老化或采用适当的修复措施修复老化造成的种子损伤是农林牧业生产和种质资源保存面临的重要难题。采用合理的修复措施,如物理、化学、生物等方法处理老化种子,可以提高种子的活力和幼苗质量。目前,单独探讨一种或几种修复措施对老化种子活力提高的研究颇多,而综合考察两种修复手段对老化种子共同作用的研究甚少,为了解梭梭(haloxylon ammodendron)种子的老化规律,寻找合理的老化种子修复技术,本研究对梭梭种子进行了以下两组试验:(1)梭梭种子适宜老化温度和老化时间的筛选:采用人工加速老化模拟自然老化,将梭梭种子在39、41、43、45℃四个温度梯度下分别老化了24、36、48、60、72、84、96 h,分析不同老化温度和老化时间下种子的平均发芽率,筛选出梭梭种子的适宜老化温度和老化时间;(2)在实验(1)的基础上,采用四因素[超声温度、超声时间、抗坏血酸(Ascrobic Acid,AsA)浓度、抗坏血酸浸种时间]三水平L(3)正交设计试验,对人工老化后的梭梭种子进行超声波和AsA混合处理,研究超声波和AsA对种子萌发和幼苗生理特性的影响,分析其是否可以修复老化造成的损伤,并选出最优的处理条件。本研究结论如下:(1)不同老化温度和老化时间处理下的发芽率可以反映出梭梭种子在活力水平上的差异,老化温度和老化时间对梭梭种子发芽率有显著影响(Ph可以作为梭梭种子的适宜老化条件。(2)适当剂量的超声波和AsA处理老化梭梭种子后,种子发芽率、发芽势、发芽指数和苗长均得到显著提高(Ph。

关键词：种子老化梭梭超声波抗坏血酸正交试验

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基于分子通信的药物运输机理研究

基于分子通信的药物运输机理研究

作者：林佳倩长春理工大学

学位级别：硕士

分子通信与纳米技术、生物技术和通信技术有着密切的联系,随着新兴技术的不断发展,分子通信技术结合多种学科领域进行创新。分子通信系统有望实现新的革命性应用,如生物技术中目标物质的传感、医学中的智能药物输送以及工业环境中石油... 详细信息

分子通信与纳米技术、生物技术和通信技术有着密切的联系,随着新兴技术的不断发展,分子通信技术结合多种学科领域进行创新。分子通信系统有望实现新的革命性应用,如生物技术中目标物质的传感、医学中的智能药物输送以及工业环境中石油管道或化学反应器的监测。分子通信目前仍处于理论研究阶段,也有少数的模拟仿真平台,但关于实验验证方面还不够全面。本文主要研究的是基于分子通信的药物运输机理,整个通信过程是药物从发送端释放到细胞液中,通过介质将作为信息分子的药物分子传输到靶点细胞上,由受体-配体结合机制,信息分子与细胞表面上的受体结合,并通过受体介导的离子通道进入细胞,最终作用到细胞内的DNA或蛋白酶上。整个通信过程都是基于分子的扩散运动,然而随着信息分子在流体介质中自由扩散,接收端接收的信息分子数会随着传输距离的增加而显著减少,从而扩散分子通信的通信范围受到了限制。受传统无线通信中继启发,本文在扩散分子通信中采用收发器作为中继,进而扩大通信范围成为一个可靠的解决方案。因此,本文在研究药物的运输系统中填加了中继器,中继器可以让更多的药物分子作用到要治疗的细胞中,可以控制药物的消除速率,进而可以提高药物治疗效果。本文对系统模型中的码间干扰、信道噪声进行了探究,进而建立一个系统模型,即普通二进制信道系统,运用此系统对信道输送容量进行分析,推导出通信速率的最大值。采用浓度移位键控调制,在误码率最小的情况下得到中继器的最优位置。最后本文通过生物细胞扫描实验验证了中继器的作用效果,利用扫描得到的细胞形貌图的力学特性来反应不同浓度药物作用细胞的结果。本文所得到的实验结果对今后分子通信的实验验证研究具有重要的理论价值和指导意义。

关键词：分子通信模拟器药物运输中继器信道最大通信速率

基于总变分低秩组稀疏的全球雷达数据修复算法

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计算机应用 2021年第11期41卷 3353-3361页

作者：葛晨宇董良许伊昆常毅张宏鸣西北农林科技大学信息工程学院陕西杨凌712100

针对航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)中存在由大量尖峰、斑点和多向条纹误差形成的混合噪声对后续应用产生严重干扰的问题,提出了一种基于总变分约束的低秩组稀疏(LRGS_TV)算法。首先,利用数据在局部范围低秩方向上的唯一性来正则化全... 详细信息

针对航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)中存在由大量尖峰、斑点和多向条纹误差形成的混合噪声对后续应用产生严重干扰的问题,提出了一种基于总变分约束的低秩组稀疏(LRGS_TV)算法。首先,利用数据在局部范围低秩方向上的唯一性来正则化全局多方向条带误差结构,同时使用变分思想进行单向约束;其次,使用加权核范数的非局部自相似性来消除随机噪声,并结合总变分(TV)正则对数据梯度进行约束,以减小局部范围变化差值;最后,使用交替方向乘子优化对低秩组稀疏模型进行求解,从而保证了模型的收敛性。把所提算法与TV、单方向总变分(UTV)、低秩单图像分解(LRSID)和低秩组稀疏(LRGS)模型这4种算法进行定量评估的结果表明,LRGS_TV的峰值信噪比(PSNR)可以达到38.53 dB,结构相似性(SSIM)可以达到0.97,均为5种算法中的最优。同时,坡度与坡向结果表明,经LRGS_TV处理后,数据的后续应用有显著改善。实验结果表明,LRGS_TV能够在保证地形轮廓特征基本不变的情况下更好地修复原始数据,可对SRTM可靠性的提高与后续应用提供重要的支持。

关键词：数据修复总变分低秩组稀疏地形因子航天飞机雷达地形测绘任务