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神经元轴突线粒体长距离转运的力生物学

生物化学与生物物理进展 2024年第9期51卷 2028-2036页

作者：赵虎成孙艳丽钱舒乐冯西桥清华大学航天航空学院工程力学系生物力学与医学工程研究所北京100084

作为极性细胞,神经元由胞体、网状的树突和细长并具有分支的轴突构成。完成分化的神经元在脊椎动物的整个生命周期中要保持正常的生理功能,需要大量的能量来维持静息电位与突触传递。神经元主要依赖于线粒体氧化磷酸化产生的ATP提供能... 详细信息

作为极性细胞,神经元由胞体、网状的树突和细长并具有分支的轴突构成。完成分化的神经元在脊椎动物的整个生命周期中要保持正常的生理功能,需要大量的能量来维持静息电位与突触传递。神经元主要依赖于线粒体氧化磷酸化产生的ATP提供能量。神经元通过长距离运输与锚定将健康的线粒体运送并富集到轴突分支突触前末梢等能量消耗较大的区域,同时将轴突末梢老化或受损的线粒体反向转运到胞体进行清除。本文结合作者自己的研究从力学的观点,论述在驱动力作用下线粒体是如何克服阻力在轴突进行长距离运输。综述内容包括微管的极性、微管马达蛋白、线粒体衔接蛋白复合物、线粒体与锚定蛋白相互作用、细胞内阻力、线粒体与内质网的相互作用、线粒体生成、裂变、融合、分裂、质量控制等方面。这些新颖的观点将为认识由线粒体运输障碍引起的神经系统疾病提供重要的参考。

关键词：线粒体转运轴突驱动力锚定

基于关联位错机制的纳米孪晶金属非对称循环塑性模型研究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第5期54卷 216-223页

作者：陈无凡周昊飞同济大学航空航天与力学学院上海200092 浙江大学交叉力学中心杭州310027 浙江大学工程力学系杭州310027

纳米孪晶金属在强度、韧性和抗疲劳性能等方面存在优势,具有显著的工程应用价值.纳米孪晶金属的塑性变形机制与传统立方晶系多晶金属材料截然不同,经典力学理论难以精准描述其力学行为,迫切需要针对性地建立力学本构理论.本文基于择优... 详细信息

纳米孪晶金属在强度、韧性和抗疲劳性能等方面存在优势,具有显著的工程应用价值.纳米孪晶金属的塑性变形机制与传统立方晶系多晶金属材料截然不同,经典力学理论难以精准描述其力学行为,迫切需要针对性地建立力学本构理论.本文基于择优取向纳米孪晶金属塑性变形特有的关联位错机制,结合离散单元模型和位错塞积长程作用效应,提出可描述纳米孪晶金属非对称循环塑性行为的本构模型,并捕捉与历史无关循环塑性行为和Masing现象,描述预加载下长程背应力导致的随动强化现象.进一步根据热力学理论,考虑关联位错与位错长程作用机制,推导了可用于预测疲劳寿命的耗散能量率计算式.本文结果对择优取向纳米孪晶金属的工程应用具有理论参考意义.

关键词：纳米孪晶关联位错位错塞积耗散能疲劳寿命

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生物活性软物质动力学研究进展

科学通报 2024年

作者：张德清徐子楠李博清华大学航天航空学院工程力学系生物力学与医学工程研究所

细胞、组织等软物质由于存在活性,其非平衡动力学行为十分复杂,这种动力学行为广泛存在于胚胎发育、组织再生和癌症转移等多种生理病理过程.深入理解生物活性软物质的动力学演化行为及其稳定性对疾病诊断和治疗有重要的理论意义和潜在... 详细信息

细胞、组织等软物质由于存在活性,其非平衡动力学行为十分复杂,这种动力学行为广泛存在于胚胎发育、组织再生和癌症转移等多种生理病理过程.深入理解生物活性软物质的动力学演化行为及其稳定性对疾病诊断和治疗有重要的理论意义和潜在应用价值.许多生物活性软物质具有向列液晶属性,使得生命系统更加复杂.本文重点介绍生物活性液晶动力学的研究现状.首先,介绍三种活性液晶的连续介质力学模型以及拓扑缺陷的种类、结构和运动模式,并阐述拓扑缺陷的重要生物学意义和可能的调控方式.然后,从生物界面的角度出发,介绍活性向列型液晶界面的理论模型,并阐释控制方程的具体形式以及不同场变量的空间离散形式和对应的积分计算方法.最后,介绍活性-活性向列界面的形貌发生和拓扑缺陷动力学行为,并说明活性调控多细胞界面形貌动力学的机制.

关键词：生物活性软物质动力学拓扑缺陷界面演化

纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程数值模拟研究进展

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材料工程 2024年第5期52卷 46-56页

作者：赵华坤于涛程泽非徐鉴李岩同济大学航空航天与力学学院上海200092

纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方... 详细信息

纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方法用来预测其成型过程中的固化行为对于工艺类型选择、工艺参数设计和复合材料构件性能优化具有重要的理论与实践意义。本文归纳了数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程的主要研究进展,并讨论了不同数值模型的适用条件,通过分析同一问题不同模型的适用条件可以为复合材料固化工艺及参数设计的选择提供指导。提升精度和降低成本是数值模型迭代优化的主要研究方向。在此基础上,本文对数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程进行了总结,并认为未来可以从复合材料的树脂流动多尺度建模、机器学习与材料基因组方法在复合材料的构件优化设计中的应用和残余应力对复合材料的性能及使用寿命的影响等方面开展研究。

关键词：纤维增强复合材料数值模拟热固性树脂成型工艺

地震作用下桩-土-核电结构相互作用的异步分析方法

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振动工程学报 2024年第6期37卷 1033-1042页

作者：吕昊陈少林陆新宇孙晓颖南京航空航天大学航空学院结构工程与力学系江苏南京210016 南京航空航天大学民航学院土木与机场工程系江苏南京211106 中国地震局工程力学研究所黑龙江哈尔滨150080 中国核电工程有限公司北京100840

为拓展核电厂的选址范围,有必要对非基岩场地桩基情形的核电结构进行地震安全性评估。在目前的桩-土-结构相互作用分析方法中,Winkler地基梁模型以及p-y法都将桩-土-结构相互作用问题进行了简化,难以反映复杂地基情形。整体有限元法可... 详细信息

为拓展核电厂的选址范围,有必要对非基岩场地桩基情形的核电结构进行地震安全性评估。在目前的桩-土-结构相互作用分析方法中,Winkler地基梁模型以及p-y法都将桩-土-结构相互作用问题进行了简化,难以反映复杂地基情形。整体有限元法可考虑复杂地基情形,但计算量较大,效率较低。本文基于高效的三维时域土-结构相互作用分区分析(Partitioned Analysis of Soil-Structure Interaction,PASSI)方法,实现桩基与土体分别采用不同时间步距的计算方法,避免土体采用桩基相对较小的时间步距而增加不必要的计算量。本文以AP1000核岛结构作为研究对象,建立了桩-土-核电结构相互作用的三维有限元模型并对其进行分析。通过输入脉冲波验证了该异步算法的有效性,并结合运动相互作用和惯性相互作用,分析了桩身最大剪力和最大弯矩的特点。分析了桩-土-核电结构在地震波输入下的响应。由于桩的自由度数相对于土体的自由度数可以忽略不计,采用桩-土异步算法时,桩附加的计算量可以忽略,这种高效方法有望用于大型核电结构的桩-土-结构动力相互作用分析中。

关键词：桩-土-结构相互作用土-结构相互作用分区分析方法运动相互作用异步算法核电抗震设计

干细胞模拟发育:细胞元件、胚胎模型与工程方法

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合成生物学 2024年第4期5卷 734-753页

作者：韩宜钊郭佳邵玥清华大学航天航空学院工程力学系生物力学与医学工程研究所北京100084

近百年来,胚胎发育的理论基础主要源于对模式动物的研究,珍稀哺乳动物的发育研究一直受到种间差异、伦理及技术手段等条件的制约。随着干细胞技术的迅猛发展,研究者们利用干细胞构建体外胚胎模型突破传统发育研究的局限性。目前,胚胎模... 详细信息

近百年来,胚胎发育的理论基础主要源于对模式动物的研究,珍稀哺乳动物的发育研究一直受到种间差异、伦理及技术手段等条件的制约。随着干细胞技术的迅猛发展,研究者们利用干细胞构建体外胚胎模型突破传统发育研究的局限性。目前,胚胎模型是否能够完全模拟真实胚胎的发育过程尚待验证,但这无疑为发育生物学研究带来新的可能性。本文以小鼠和人为主要讨论模型,总结用于构建胚胎模型的干细胞种类,阐释不同干细胞在模拟发育过程中的作用和重要性。文章系统呈现了胚胎在不同发育阶段的关键事件和时空动态过程,全面阐述胚胎模型取得的显著成果,详细探讨如何评估胚胎模型的仿生度,以及生物工程学方法在胚胎模型开发中的关键作用,为胚胎模型的进一步优化和发展提供参考。通过对胚胎模型领域的深入研究,有助于更全面细致地了解胚胎发育过程,并为早期发育研究、疾病研究、药物筛选、生殖医学及毒性评估等领域提供更为精确的理论依据和应用工具,进而为未来生命科学的发展开辟新的途径。

关键词：干细胞胚胎模型哺乳动物胚胎学微环境生物工程高保真度自组装

碳纤维复合材料蜂窝结构制备及轴向压溃力学行为研究

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复合材料科学与工程 2024年

作者：朱宏伟刘轲赵昌方清华大学航天航空学院工程力学系北京特种机械研究所

碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能，尤其是缓冲吸能特性。复合材料的结构类型对力学性能的影响很大，合理的结构形状能更好地发挥复合材料的吸能和比吸能潜力。蜜蜂的六角柱蜂巢结构历经自然选择，具有良好的承载稳定性。通过组装... 详细信息

碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能，尤其是缓冲吸能特性。复合材料的结构类型对力学性能的影响很大，合理的结构形状能更好地发挥复合材料的吸能和比吸能潜力。蜜蜂的六角柱蜂巢结构历经自然选择，具有良好的承载稳定性。通过组装和粘接单板制备了周期性正六角柱体蜂窝结构，其单板结构采用T700预浸料经组合模具热压成型获得。通过万能电子材料试验机开展了单板结构的准静态冲击实验，分析了渐进失效和分层破坏机理。为更好地模拟复合材料蜂窝结构的冲击失效行为，基于连续介质损伤力学提出了一种同时考虑复合材料层内和层间的破坏机制，并开发了有限元增量本构模型对单板结构进行仿真，其仿真结果与实验数据吻合较好，验证了有限元方法的可行性。在此基础上，对蜂窝结构进行了仿真模拟，讨论了蜂窝结构的冲击响应，分析了冲击载荷下的失效模式及吸能效果。本文的研究结果证明了蜂窝结构的稳定性和吸能特性，可为复合材料缓冲吸能结构的设计和应用提供参考。

关键词：复合材料蜂窝结构破坏机制渐进失效缓冲吸能

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基于强化学习的多无人车协同围捕方法

工程科学学报 2024年第7期46卷 1237-1250页

作者：苏牧青王寅濮锐敏余萌南京航空航天大学航天学院南京211106 南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016

本文面向无人车协同围捕问题开展研究,提出了一种基于柔性执行者-评论家(SAC)算法框架的协同围捕算法.针对多无人车之间的协同性差的问题,在网络结构中加入长短期记忆(LSTM)构建记忆功能,帮助无人车利用历史观测序列进行更稳健的决策;... 详细信息

本文面向无人车协同围捕问题开展研究,提出了一种基于柔性执行者-评论家(SAC)算法框架的协同围捕算法.针对多无人车之间的协同性差的问题,在网络结构中加入长短期记忆(LSTM)构建记忆功能,帮助无人车利用历史观测序列进行更稳健的决策;针对网络结构中引入LSTM所导致的状态空间维度增大、效率低的问题,提出引入注意力机制,通过对状态空间进行注意力权重的计算和选择,将注意力集中在与任务相关的关键状态上,从而约束状态空间维度并保证网络的稳定性,实现多无人车之间稳定高效的合作并提高算法的训练效率.为解决协同围捕任务中奖励稀疏的问题,提出通过混合奖励函数将奖励函数分为个体奖励和协同奖励,通过引入个体奖励和协同奖励,无人车在围捕过程中可以获得更频繁的奖励信号.个体奖励通过引导无人车向目标靠近来激励其运动行为,而协同奖励则激励群体无人车共同完成围捕任务,从而进一步提高算法的收敛速度.最后,通过仿真和实验表明,该方法具有更快的收敛速度,相较于SAC算法,围捕时间缩短15.1%,成功率提升7.6%.

关键词：无人车协同围捕柔性执行者-评论家算法注意力机制奖励函数设计

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流体力学教学中的创新与探索课程设计项目

力学与实践 2024年第2期46卷 420-426页

作者：贾永霞彭杰黄伟希清华大学航天航空学院工程力学系北京100084 清华大学力学国家级实验教学示范中心北京100084

流体力学课程是航空航天工程、机械工程、能源与动力工程、土木工程等众多工科专业的核心课程。除了学习基础理论,课程实践在流体力学教学中扮演着至关重要的角色,对于培养学生的工程实践能力和创新思维具有重要意义。本文旨在基于过去... 详细信息

流体力学课程是航空航天工程、机械工程、能源与动力工程、土木工程等众多工科专业的核心课程。除了学习基础理论,课程实践在流体力学教学中扮演着至关重要的角色,对于培养学生的工程实践能力和创新思维具有重要意义。本文旨在基于过去几年流体力学课程教学与实践中所积累的经验,探讨创新与探索课程设计项目在流体力学理论教学与课程实践中的重要性以及对学生能力提升的意义。

关键词：流体力学实践课程设计创新与探索