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深层生物组织光学技术发展及其应用(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 330-353页

作者：赖溥祥赵麒周颖颖程圣福胡子敏李焕浩余志鹏黄夏子姚靖庞未然李浩然黄浩梵李文钊郑源东王志远袁楚琪仲天庭香港理工大学生物医学工程系中国香港九龙999077 香港理工大学深圳研究院广东深圳518055 香港理工大学光子技术研究院中国香港九龙999077 香港理工大学体育科技研究院中国香港九龙999077

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀... 详细信息

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的,光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响,故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”;高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层,当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来,为解决这一问题,研究者提出了不同的方法,例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数,在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号,逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变,或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘,从光在生物组织中的传播特性出发,梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索,以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足,但随着硬件设备的更新和计算技术的发展,在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中,新方法和新能力将不断激发新的应用灵感,为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。

关键词：生物光学光学成像生物医学光子学深层组织光学波前整形光声成像

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结构刚塑性动力解的弹性补偿

爆炸与冲击 2024年第1期44卷 1-10页

作者：余同希胡庆洁朱凌香港科技大学机械与航空航天工程系中国香港九龙武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实... 详细信息

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实际工程应用中金属结构弹塑性动力响应的复杂性和数值模拟的局限性,与考虑材料弹性效应的结果相比,刚塑性解对脉冲加载下结构所预测的最终挠度的误差有多大,是一个亟待解决的关键问题。对这个问题的首阶段研究成果厘清了材料弹性对脉冲加载下结构塑性动态大变形的影响,定量评估了由最佳刚塑性理论解与弹塑性数值模拟得到的最终挠度预测结果之间的差异。在此基础上,提出了补偿弹性效应的策略和方法,即:在已有的最佳刚塑性解预测的挠度基础上添加一个补偿项,将补偿项表达为脉冲载荷强度的效应与结构自身刚度的效应分离的变量函数,并尽量减少待定系数/指数的数量,以求表达式的简洁;根据这些原则在金属结构的主要工程应用领域内选定结构刚度和外载参数的变化范围,对固支梁和固支方板的案例实施拟合与补偿,最后得到了对梁和板增添补偿项后的简单而实用的最终挠度预测公式,其相对误差在3%的范围之内,很适合工程设计应用。文末列表给出了符号与公式的一览,并对梁和方板的结果作了综合和比较。

关键词：结构塑性动力响应脉冲载荷固支梁和固支方板弹性效应补偿最终挠度的最佳预测

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观点分裂现象中的定律

物理 2024年第2期53卷 114-117页

作者：章琪(编译) 韩一龙(编译) 香港科技大学中国香港

早在2006年,加拿大医生、自称“先知”的Bill Deagle就曾声称飞机尾迹被故意装入了一种外星的致病的硅基生命。他警告说:“这是一种像蜜蜂或蚂蚁一样具有智慧并且会反击的硅基生命体。”尽管没有证据表明硅基生命的存在,Deagle的说法还... 详细信息

早在2006年,加拿大医生、自称“先知”的Bill Deagle就曾声称飞机尾迹被故意装入了一种外星的致病的硅基生命。他警告说:“这是一种像蜜蜂或蚂蚁一样具有智慧并且会反击的硅基生命体。”尽管没有证据表明硅基生命的存在,Deagle的说法还是在社交媒体上不断出现。2023年3月,脸书上的一篇相关帖子获得了超过37000个赞和33000次分享,以及大量的赞同评论。

关键词：社交媒体生命体加拿大飞机尾迹硅基

CRISPR/Cas9编辑系统在微生物天然产物研究中的应用

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合成生物学 2024年第3期5卷 658-671页

作者：惠真唐啸宇香港科技大学理学院化学系清水湾校区中国香港999077 深圳湾实验室化学生物学研究所广东深圳518132

微生物作为天然产物的巨大宝库,一直以来都是研究人员挖掘和开发新的活性化合物的重要来源。目前,利用基因编辑工具发现、生物合成和代谢调控天然产物的研究方法受到该领域研究者的广泛关注。CRISPR/Cas9遗传编辑系统以其独特的灵活靶... 详细信息

微生物作为天然产物的巨大宝库,一直以来都是研究人员挖掘和开发新的活性化合物的重要来源。目前,利用基因编辑工具发现、生物合成和代谢调控天然产物的研究方法受到该领域研究者的广泛关注。CRISPR/Cas9遗传编辑系统以其独特的灵活靶向优势克服了其他遗传编辑方法常见的对序列同源或位点限制,简化了实验步骤,提高了实验效率,促进了天然产物研究领域的发展。本文主要介绍CRISPR/Cas9系统在微生物天然产物发现、生物合成和工程改造方面的应用,分别从CRISPR/Cas9系统的发展、天然产物生物合成基因簇的克隆和遗传编辑、天然产物结构衍生化和代谢调节、沉默天然产物基因簇的激活这几个方面阐述CRISPR/Cas9系统在微生物天然产物研究领域的优势。最后,针对CRISPR/Cas9系统无法克服的重组效率和宿主适应性问题提供了可行的解决思路。相信随着合成生物学和信息技术的发展,越来越多的与CRISPR/Cas9系统相关的遗传操作工具和方法会被开发,将不断推动天然产物领域的发展进步。

关键词： CRISPR/Cas9 天然产物微生物合成生物学异源表达结构衍生化启动子工程代谢工程

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金融中的变分不等式问题

中国科学：数学 2024年第3期54卷 355-376页

作者：戴民黄河清钱帅杰香港理工大学应用数学系中国香港香港理工大学会计与金融学院中国香港 Department of Mathematics National University of SingaporeSingapore 119076Singapore Center of Mathematical Sciences and Applications Harvard UniversityCambridgeMA 02138USA 香港科技大学数学系中国香港

现代金融的很多决策问题在数学上可以表述成最优停时或奇异控制问题.这些问题从偏微分方程角度属于变分不等式问题,相应的自由边界对应于最优策略.本文给出金融中的一些典型的变分不等式模型、结果及尚待解决的问题.这些模型来自现代金... 详细信息

现代金融的很多决策问题在数学上可以表述成最优停时或奇异控制问题.这些问题从偏微分方程角度属于变分不等式问题,相应的自由边界对应于最优策略.本文给出金融中的一些典型的变分不等式模型、结果及尚待解决的问题.这些模型来自现代金融的3个重要研究方向:金融衍生品定价、投资组合选择及公司金融.

关键词：变分不等式最优停时奇异控制自由边界衍生品定价投资组合选择公司金融

基于知识迁移的数据驱动迭代学习模型预测控制

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中国科学：信息科学 2024年第7期54卷 1752-1774页

作者：马乐乐刘向杰高福荣华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206 香港科技大学化学与生物分子工程学系中国香港999077

迭代学习模型预测控制(iterative learning model predictive control,ILMPC)作为一种广泛应用于批次生产过程的数据驱动智能控制策略,能够在沿批次逐步提高跟踪性能的同时沿时间不断抑制实时干扰.现有ILMPC算法的点对点学习机制依赖于... 详细信息

迭代学习模型预测控制(iterative learning model predictive control,ILMPC)作为一种广泛应用于批次生产过程的数据驱动智能控制策略,能够在沿批次逐步提高跟踪性能的同时沿时间不断抑制实时干扰.现有ILMPC算法的点对点学习机制依赖于批次运行工况的强一致性,以此保证当前批次与历史批次间的有效信息传递.然而,生产需求和生产环境的变化通常会导致各批次的操作轨迹和操作周期存在差异,从而使得历史批次提供的先验知识对于后续批次呈现出不精确性和不完整性.为了提高ILMPC在变运行工况条件下的适应性和灵活性,本文提出了一种具有知识迁移机制的数据驱动ILMPC策略.建立自适应深度神经网络(deep neural network,DNN)沿批次学习ILMPC控制行为,实现历史控制经验在当前批次工况下的全面转换.为抑制DNN前期估计误差的影响,在知识迁移机制下进一步构建Tube控制结构下的ILMPC算法,保证ILMPC系统的时域稳定性和迭代域收敛性.针对非线性注塑过程的仿真实验验证了在操作轨迹和操作周期同时变化时,所提方法在跟踪精度和收敛速度方面具有明显优势.

关键词：迭代学习模型预测控制知识迁移数据驱动变运行工况

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基于原位技术的尿素电氧化催化机理研究进展

化学工程 2024年第1期52卷 70-75页

作者：王鹭田彦妮张珂袁立杰赵晓红杨伯伦长安大学建筑工程学院陕西西安710061 香港科技大学化学及生物工程学系中国香港999077 西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049

尿素电氧化反应作为尿素电解制氢和直接尿素燃料电池共同的半反应,是实现含尿素废水绿色处理及资源化利用的重要反应。然而其复杂六电子转移过程导致的缓慢动力学,及反应过程中涉及多种中间体的生成与转化,使得催化剂活性低且稳定性差,... 详细信息

尿素电氧化反应作为尿素电解制氢和直接尿素燃料电池共同的半反应,是实现含尿素废水绿色处理及资源化利用的重要反应。然而其复杂六电子转移过程导致的缓慢动力学,及反应过程中涉及多种中间体的生成与转化,使得催化剂活性低且稳定性差,因此有必要结合原位表征技术探明催化机理以科学理性设计尿素电氧化催化剂。针对基于电化学原位技术的尿素电氧化反应相关研究,从反应机理、反应路径和催化剂改性机制3个方面进行分类综述,着重探讨采用电化学原位红外光谱和电化学原位拉曼光谱的尿素电氧化催化机理,通过分析反应过程中键断裂与键生成及各种特征峰的变化规律,深入探索尿素电氧化反应强化策略。最后,展望基于原位技术的尿素电氧化研究的发展方向,以设计开发高效稳定电催化剂推进其应用。

关键词：尿素电氧化 Ni基催化剂催化机理原位红外光谱原位拉曼光谱

尿素电氧化协同析氢反应双功能催化剂研究进展

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化学工程 2024年第10期52卷 25-31页

作者：王鹭张珂郭嘉玉李宪硕袁立杰杨伯伦长安大学建筑工程学院陕西西安710061 香港科技大学化学及生物工程学系中国香港999077 西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049

尿素电解技术通过耦合阳极电化学尿素氧化与阴极协同产氢,对富尿素废水绿色处理和节能制氢具有重要意义,其应用的关键在于设计构筑高效且稳定的UOR(尿素氧化反应)和HER(析氢反应)催化剂。若采用对UOR和HER均有效的双功能催化剂,不仅能... 详细信息

尿素电解技术通过耦合阳极电化学尿素氧化与阴极协同产氢,对富尿素废水绿色处理和节能制氢具有重要意义,其应用的关键在于设计构筑高效且稳定的UOR(尿素氧化反应)和HER(析氢反应)催化剂。若采用对UOR和HER均有效的双功能催化剂,不仅能简化电解槽构造,还可有效避免阳极和阴极不同催化剂之间固有的不相容性及其引发的副反应。基于此,综述尿素电解双功能催化剂的研究进展,分类评述镍基(氮化镍、磷化镍、硫化镍、氧化镍及其复合材料)、钴基和镍-钴基双功能催化剂的设计开发策略和性能强化机制,归纳典型尿素电解双功能催化剂的UOR/HER特性及其电解槽性能,并展望其未来的发展方向,旨在为推动尿素电解双功能催化剂的应用提供借鉴。

关键词：尿素电解双功能催化剂尿素氧化反应析氢反应强化机制

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碳化钒改性镍基催化剂的尿素电氧化性能

化学工程 2024年第6期52卷 18-22,28页

作者：田彦妮袁立杰张珂赵晓红杨伯伦王鹭长安大学建筑工程学院陕西西安710061 西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 香港科技大学化学及生物工程学系中国香港999077

尿素电解法以其在含尿素废水处理及制氢领域的节能环保前景而受到广泛关注,关键在于设计高效稳定的尿素电氧化催化剂。文中设计开发一种VC(碳化钒)改性的Ni-VC/MWCNTs(Ni基纳米复合催化剂)用于尿素电氧化可达到343.3 mA/mg的优异电流密... 详细信息

尿素电解法以其在含尿素废水处理及制氢领域的节能环保前景而受到广泛关注,关键在于设计高效稳定的尿素电氧化催化剂。文中设计开发一种VC(碳化钒)改性的Ni-VC/MWCNTs(Ni基纳米复合催化剂)用于尿素电氧化可达到343.3 mA/mg的优异电流密度,其与Ni/MWCNTs催化剂相比具有更小的Tafel斜率和更低的电荷转移电阻。此外,在稳态条件下,Ni-VC/MWCNTs催化剂的电流密度也得到提高。X射线光电子能谱测试表明引入VC使得Ni更易失电子生成活性组分NiOOH,从而增强尿素电氧化性能。此外,在尿素电解池中,达到10 mA/cm^(2)的电流密度,以Ni-VC/MWCNTs作为阳极催化剂所需的电压比Ni/MWCNTs降低了近100 mV。结果表明Ni-VC/MWCNTs是一种优良的尿素电解催化剂,有望实现高效制氢和废水资源化利用。

关键词：碳化钒镍基催化剂尿素电催化氧化