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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2023 Vol.24 No.11 P.937-1042
Research Articles
Core-drilling kinematic modeling and analysis of Jiaolong submersible manipulator
Xu YANG, Xin LIU, Shizhen LI, Yugang REN, Limin ZHU
DOI: 10.1631/jzus.A2200484 Downloaded: 610 Clicked: 1002 Cited: 0 Commented: 0(p.937-948) <Full Text><PPT> 270
机构：1山东大学，海洋研究院，中国青岛，266237；2国家深海基地管理中心，中国青岛，266237；3上海交通大学，机械系统与振动国家重点实验室，中国上海，200240
目的：在具有不确定地形特点的深海环境下，基于蛟龙号载人深潜器机械臂开展重力沉积方向的岩芯取样作业是深海技术领域的一个重要挑战。本文旨在探讨蛟龙号载人深潜器机械臂岩芯取样的运动学特点，并提出实现蛟龙号载人深潜器机械臂岩芯取样作业的关节轨迹调控方法。
创新点：1.揭示蛟龙号载人深潜器可实现的岩芯取样作业空间；2.提出一种可完成重力沉积方向岩芯取样任务的机械臂关节轨迹设置方法。
方法：1.建立蛟龙号载人深潜器机械臂与深海地理环境间的姿态转换模型；2.建立机械臂操纵钻机实现重力方向岩芯取样的运动学正解与逆解模型；3.通过对机械臂第六主动关节的调节，实现岩芯钻机姿态的稳定保持；4.通过计算分析，揭示蛟龙号载人深潜器在不同坐地姿态下可实现的岩芯取样空间，并计算典型岩芯取样任务所需的机械臂关节轨迹。
结论：1.可以通过调节蛟龙号载人深潜器机械臂第六个主动关节，实现岩芯钻机作业姿态的稳定保持；2.基于蛟龙号载人深潜器机械臂的岩芯取样作业，可通过预设第二和第三主动关节轨迹并同时主动调节第一、第四、第五和第六主动关节轨迹来实现；3.蛟龙号载人深潜器水平坐地时，其岩芯取样作业空间类似椭球体：X方向的范围为-300.5~1847.0 mm,Y方向的范围为-1656.6~1656.6 mm，Z方向的范围为-2023.7~1133.9 mm。
关键词组：蛟龙号载人深潜器；不确定姿态；岩芯取样；运动学模型
Lian DUAN, Zhixun XIA, Yunchao FENG, Binbin CHEN, Jiarui ZHANG, Likun MA
DOI: 10.1631/jzus.A2200468 Downloaded: 842 Clicked: 1104 Cited: 0 Commented: 0(p.949-959) <Full Text><PPT> 190
机构：国防科技大学，空天科学学院，中国长沙，410073
目的：在冲压发动机燃烧室中，含碳燃料燃烧产生的CO2与硼团聚体一起进入燃烧室。本文旨在探究在O2浓度固定的情况下，CO2浓度对团聚硼燃烧特性的影响规律，以深入认识在O2和CO2共存的情况下，团聚硼的燃烧模式以及硼的反应和能量释放路径。
创新点：1.直接观测燃烧过程中，团聚硼的表面形貌的变化过程；2.通过凝相燃烧产物分析测试获得团聚硼在O2和CO2共存的气氛中的反应消耗路径。
方法：1.通过激光点火实验，直接观察在不同CO2浓度的气氛下，团聚硼燃烧过程中的表面形貌、颗粒结构和火焰形貌的演变过程（图3~5）；2.分析得到凝相燃烧产物的表面形貌、元素成分以及晶体结构（图10~12）；3.通过热重-差示扫描量热法获得在不同CO2浓度的气氛中，团聚硼的低温氧化过程。
结论：1.硼团聚体在高温含氧气氛中可与CO2反应生成B4C，增加硼的反应和消耗途径，改变了颗粒的物理化学性质和燃烧状态；2.在O2浓度固定为20%的气氛中，当颗粒温度达到硼的熔点时，CO2含量的增加使得硼团聚体的燃烧模式由单颗粒液滴燃烧转变为多孔颗粒燃烧；3.当颗粒温度低于B2O3的沸点时，B4C氧化生成的B2O3形成玻璃态液膜覆盖在颗粒表面，阻碍颗粒进一步燃烧。
关键词组：硼燃烧；无定形硼；含硼推进剂；固体燃料冲压发动机
Short-term tunnel-settlement prediction based on Bayesian wavelet: a probability analysis method
Yang DING, Xiaowei YE, Zhi DING, Gang WEI, Yunliang CUI, Zhen HAN, Tao JIN
DOI: 10.1631/jzus.A2200599 Downloaded: 447 Clicked: 653 Cited: 0 Commented: 0(p.960-977) <Full Text><PPT> 185
中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，中国南京市，210007
摘要：本文研究在多个被动窃听者协作窃听的情况下，去蜂窝大规模多输入多输出系统的资源分配问题。为解决导频资源受限的问题，提出在接入点选择的基础上将污染最小的导频分配给用户的方案并优化导频发射功率以提高信道估计精度。针对多个被动窃听者在串通窃听环境下的安全传输问题，基于局部部分迫零预编码方案，提出一种传输功率优化方案，以最大限度地提高系统的最小安全频谱效率。仿真结果表明，该方案能够有效降低信道估计误差，提高系统安全性。
关键词组：去蜂窝；协作窃听；导频受限；接入点选择；安全速率
Li WANG, Boyi ZHANG, Jian ZHANG, Yuexin JIANG, Wei WANG, Gaohui WU
DOI: 10.1631/jzus.A2200430 Downloaded: 548 Clicked: 752 Cited: 0 Commented: 0(p.978-990) <Full Text><PPT> 204
机构：1哈尔滨工业大学，土木工程学院，中国哈尔滨，150090；2哈尔滨工业大学，结构工程灾变与控制教育部重点实验室，中国哈尔滨，150090；3哈尔滨工业大学，金属基复合材料工程技术中心，中国哈尔滨，150006
目的：本文旨在分析铝基复合泡沫在轴向冲击荷载作用下不同参数（泡沫芯材平均粒径和冲击速度等）对填充管力学性能和吸能能力的影响，并研究填充管试件的设计方法，以提高泡沫填充管试件的耐撞性。
创新点：1.利用三种新型铝基复合泡沫材料与铝管结合，制备具有优异性能的铝基复合泡沫填充管试件；2.对比分析复合泡沫填充管在不同类型荷载作用下的吸能表现。
方法：1.通过冲击加载实验，研究轴向冲击荷载作用下复合泡沫平均粒径和加载速度对填充管试件力学性能的影响（图12和13）；2.通过结合静力加载实验，对比分析填充管在两种荷载作用下变形模式和吸能能力的特点，并验证复合泡沫填充管缓冲吸能的优越性（图22）。
结论：1.随着复合泡沫芯材平均孔径的增加，试件的塑性变形能力增强。2.铝管能有效限制芯材的开裂，使试件的初始峰值压碎载荷和平均压碎载荷均有明显提高。3.所有铝复合泡沫填充管在冲击加载下的比吸能均高于15 J/g；其中150SFFT的比吸能可达25 J/g，优于普通泡沫铝试件。4.150SFFT在轴向冲击载荷下的峰值载荷是静态压缩载荷下的1.93倍；冲击载荷下材料的应力水平提高，且填充管试件的有效吸能率可达97.8%。
关键词组：铝基复合泡沫；耐撞性；力学性能；能量吸收
Shifan HUANG, Weihao LUO, Zongming ZHU, Zhenlong XU, Ban WANG, Maoying ZHOU, Huawei QIN
DOI: 10.1631/jzus.A2200551 Downloaded: 653 Clicked: 918 Cited: 0 Commented: 0(p.991-1002) <Full Text><PPT> 166
机构：杭州电子科技大学，机械工程学院，中国杭州，310018
目的：振动俘能器作为一种富有前景的无线传感器网络供电方法，压电与电磁的耦合有助于提高振动俘能器的输出性能。本文旨在探讨压电和电磁在混合振动俘能器中的集成，考虑压电和电磁不同的连接拓扑，并对该混合振动俘能器的优化结构进行探索，提出改进其性能的方法。
创新点：1.将压电和电磁两种能量收集装置集成在一个系统中进行分析；2.分析压电与电磁之间不同的连接拓扑，建立其集总参数模型；3.提出该混合振动俘能器的优化结构。
方法：1.首先对压电-电磁混合振动俘能器的输入和输出信号进行分析，强调对其包含多频成分的特征理解不够充分，提出并讨论表征这类信号的方法。2.通过实验分析压电和电磁混合振动俘能器四种连接拓扑方式的输出性能，推导出他们的集中参数模型。3.将这些参数模型的数值预测结果与实验结果进行比较（图4~6），揭示系统中的非线性。4.对优化的混合振动俘能器进行了实验分析探索，提出改进其性能的方法。
结论：1.针对不同的连接拓扑，通过实验研究的混合振动俘能器的均方根电压和平均功率与所建立模型的数值预测结果一致。2.电磁和压电部件之间的电气连接可以调节俘能器的频率特性并改变其输出性能。3.用弹性弹簧取代原混合振动俘能器的上部固定磁铁，性能得到了明显的改善，并观察到了相当大的频率调整；改变弹簧和移动磁铁之间的初始距离d会极大地影响俘能器的输出性能（图10和11）。
关键词组：混合能量收集；非线性；磁弹簧；压电；电磁
Yilin SUN, Yinan DONG, Dianhai WANG, E. Owen D. WAYGOOD, Hamed NASERI, Kazuo NISHII
DOI: 10.1631/jzus.A2300057 Downloaded: 798 Clicked: 707 Cited: 0 Commented: 0(p.1003-1016) <Full Text><PPT> 238
机构：1浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；2浙江大学建筑设计研究院，中国杭州，310028；3阿里巴巴-浙江大学前沿技术联合研究中心，中国杭州，310058；4浙江大学，工程师学院，中国杭州，310015；5浙江大学平衡建筑研究中心，中国杭州，310028；6蒙特利尔工程学院，土木、岩土和采矿工程系，加拿大蒙特利尔，H3T 1J4；7流通科学大学，政策研究系，日本神户，651-2188
目的：全球旅游业在新冠肺炎疫情期间遭受了严重冲击，并与经济发展密切关联，因此，探求如何推进其相关产业的复兴十分重要。由于中国是疫情前最大的出境游客来源国，对中国人在后疫情时代的出境旅游意向及其影响因素进行研究，有利于促进国际旅游市场的复苏。
创新点：1.构建LightGBM模型，参数化各类变量及组合与后疫情时期出境旅游意向之间的关系；2.通过SHAP算法，可视化各类因素对后疫情时期出境旅游意向的影响。
方法：1.通过网络调查收集2450份有效问卷，并统计疫情期间受访者单日、多日出游次数以及出行方式等信息（图2）；2.通过模型构建及参数调优，以后疫情时期的出境游意向为因变量，基于所收集数据训练LightGBM模型并评估其效能（图3）；3.运用SHAP算法，对各个自变量的影响进行排序及部分依赖图分析（图4和5）。
结论：1.疫情期间的日常出行及旅游经历对后疫情时期的出境旅游意向的影响程度最大；2.多日游频率的上升和日常购物出行中小汽车利用率的增加，显著促进出境旅游意向的增强；3.后疫情时期，不同年龄段的人群在出境旅游意向及出行方式选择上的差异愈加明显。
关键词组：出境旅游；旅游行为；出行行为；新冠肺炎；集成学习
Reviews
Review: Advances in micro-nano biosensing platforms for intracellular electrophysiology
Jiajin XUE, Min SHAO, Zhigang GAO, Ning HU
DOI: 10.1631/jzus.A2300267 Downloaded: 425 Clicked: 638 Cited: 0 Commented: 0(p.1017-1026) <Full Text><PPT> 193
机构：1浙江大学医学院附属儿童医院，普外科，中国杭州，310052；2浙江大学，化学系，中国杭州，310058；3浙江大学杭州国际科创中心，浙江-以色列自组装功能材料联合实验室，中国杭州，311215；4浙江大学医学院第二附属医院，体检中心，中国杭州，310052
摘要：建立可靠的电生理检测平台对于心脏学和神经科学的研究至关重要。在过去的十年中，基于微纳传感和控制技术的器件已经被开发用于构建电生理平台，其独特的形态优势和新颖的处理方法为实现高通量、高保真的电信号记录提供了潜力。在本文中，我们分析了有源/无源微纳传感平台的结构、跨膜策略和电生理检测。结合微纳米传感技术面临的机遇和挑战，展望了微纳米传感技术的巨大发展潜力，以推动更高水平的电生理平台建设，满足实验研究和临床应用的需要。
关键词组：细胞内电生理；微纳生物传感平台；心脏学和神经科学；细胞内动作电位
Review: Biomaterial types, properties, medical applications, and other factors: a recent review
Reeya AGRAWAL, Anjan KUMAR, Mustafa K. A. MOHAMMED, Sangeeta SINGH
DOI: 10.1631/jzus.A2200403 Downloaded: 959 Clicked: 1193 Cited: 0 Commented: 0(p.1027-1042) <Full Text><PPT> 207
机构：1VLSI Research Centre, GLA University, 281406 Mathura, India;2Radiological Techniques Department, Al-Mustaqbal University College, 51001 Hillah, Babylon, Iraq;3Microelectronics & VLSI Lab, National Institute of Technology, Patna 800005, India
概要：当患者体内的受损器官/组织被修复/替代后，患者的生活质量将会得到大幅改善。用于人体植入性治疗的生物材料必须具备特定的性能。人体对生物材料的接受程度是决定器官修复/移植成败的关键因素。最新的生物材料的结构应与组织内的结构相似。当前，基于先进的抗污、杀菌及抗生物膜技术，研究者正在研发抗感染的生物材料；它在现代医疗中预防和治疗重大传染性疾病是不可或缺的。这些对生物材料提出了新的要求。将来的研究热点之一是制备人体植入物的材料，并添加金属、陶瓷及聚合物。这篇综述涵盖了组织工程所需的生物材料的概念、关键特征以及生物材料（包括生物活性材料和生物可吸收材料）在医疗实践中的应用，并将会帮助研究者更好地选取生物材料。
关键词组：生物材料；医疗应用；受损器官或组织；修复；移植