目錄

1.車路協(xié)同及交通擁堵管控領域

2.電介質材料領域

3.致病菌分析檢測領域

一

車路協(xié)同及交通擁堵管控領域

汽車與交通工程學院丁恒教授團隊在車路協(xié)同及交通擁堵管控領域取得系列研究進展，相關成果發(fā)表在交通運輸相關領域國際著名學術期刊《Transportation Research Part B/C》《Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering》《Sustainable Cities and Society》。

針對傳統(tǒng)交通控制方法無法適應擁堵范圍擴散現(xiàn)象，也不能有效提升擁堵區(qū)輸出效率這一關鍵瓶頸，團隊成員博士研究生汪亮文等基于車路協(xié)同技術，開發(fā)了一個嵌入動態(tài)緩沖區(qū)的網(wǎng)絡交通流傳輸模型，并提出了基于模型預測的分層控制方法（HCMMP）（圖1所示）。通過模擬實驗分析，證明了HCMMP策略可有效提升整個路網(wǎng)的運行效率。該成果可應用于解決城市核心區(qū)、交通樞紐等擁堵區(qū)域交通控制問題，為自動駕駛與交通管控系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供理論支持。

圖1 HCMMP框架

汪亮文等還針對聯(lián)網(wǎng)車輛被網(wǎng)絡攻擊進而引發(fā)路網(wǎng)大范圍擁堵這一關鍵問題，基于宏觀交通流理論，首次揭示了區(qū)域性網(wǎng)絡攻擊對路網(wǎng)動態(tài)影響的演化機制，并設計了一種雙層控制框架（圖2所示），以均衡局部交通密度，防止擁堵擴散。研究通過模擬高密度交通區(qū)域遭受網(wǎng)絡攻擊的場景，驗證了所提控制模型的有效性。結果表明所提出的控制框架通過優(yōu)化交通信號控制與邊界流量調節(jié)，能夠顯著提升城市道路網(wǎng)絡在遭受區(qū)域網(wǎng)絡攻擊時的抗干擾能力，為車路協(xié)同環(huán)境解決未來智能交通系統(tǒng)通訊安全隱患保駕護航。

圖2 用于網(wǎng)絡攻擊的雙層控制框架

針對網(wǎng)聯(lián)自動駕駛汽車（CAV）普及后的混合交通場景，團隊成員碩士研究生孟元皓等提出了一種快速路匝道布局與規(guī)模優(yōu)化方法（RLSO）（圖3所示），通過構建包含高速公路與城市干道的混合交通流傳輸模型，分析了不同CAV滲透率對路網(wǎng)通行能力的影響。結果顯示，隨著CAV比例提高，路網(wǎng)承載能力顯著增強。基于此，團隊開發(fā)的RLSO方法通過動態(tài)優(yōu)化匝道位置與規(guī)模，結合實時控制策略，成功實現(xiàn)了交通流的高效分配。該研究成果可為提升城市主干路與快速路混合式路網(wǎng)交通效率提供新思路。

圖3 RLSO框架

針對城市化進程中核心區(qū)域日益嚴峻的交通擁堵問題，團隊成員博士研究生邸允冉等提出了一種創(chuàng)新性的快速路規(guī)劃方法（圖4所示）。以大范圍區(qū)域城市路網(wǎng)為例，研究團隊分析了不同預算下快速路建設方案的效果。結果表明，初期投資效益顯著，即使在較低預算下也能明顯減少區(qū)域平均車輛數(shù)，有效緩解擁堵。隨著預算增加，邊際效益逐漸遞減，在高預算水平后，進一步投資對交通改善的作用有限，為城市規(guī)劃者在成本與效益之間的權衡提供了參考。該研究將多子區(qū)域協(xié)同規(guī)劃、動態(tài)交通需求與快速路設計相結合，為大城市的環(huán)線快速路優(yōu)化，以及中小城市快速路布局提供了新思路。

圖4 混合路網(wǎng)中的快速路劃分示意

針對傳統(tǒng)研究多關注交通流量控制，而忽視了城市空間結構的影響這一關鍵問題，團隊成員王世廣講師和碩士研究生趙政銳等創(chuàng)新性地從建成環(huán)境視角切入，構建了包含路網(wǎng)設計、交通便利性、區(qū)域經(jīng)濟水平、可達性、人口密度和土地利用混合度等六類指標的評估體系（圖5所示），并采用梯度提升決策樹（GBDT）模型進行非線性分析。通過聚類技術，團隊還開發(fā)了綜合交通擁堵狀態(tài)模型，結合合肥市46個擁堵分析區(qū)的實際數(shù)據(jù)，量化了建成環(huán)境對交通擁堵的閾值效應與優(yōu)化潛力。這項研究突破了傳統(tǒng)線性模型的局限，為城市交通治理提供了數(shù)據(jù)驅動的科學工具。尤其是閾值效應的發(fā)現(xiàn)，幫助規(guī)劃者精準定位優(yōu)化區(qū)間，避免資源浪費，為其他高密度城市探索可持續(xù)發(fā)展路徑提供了重要借鑒。

圖5 數(shù)據(jù)分析流程

團隊與澳大利亞Monash大學鄭楠副教授開展合作，全面依托智能交通（ITS）技術國家地方聯(lián)合工程研究中心、城市交通管理集成與優(yōu)化技術公安部重點實驗室、安徽省智能交通重點實驗室、安徽省智能交通工程研究中心、安徽省智慧交通車路協(xié)同工程研究中心等高水平科研平臺，相關研究工作得到了國家自然科學基金、合肥市自然科學基金、安徽省哲學社會科學規(guī)劃項目等支持。

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二

電介質材料領域

材料科學與工程學院付健副教授課題組在脈沖大功率陶瓷靜電電容器和高性能高溫壓電陶瓷等電介質材料領域取得系列研究進展，相關研究成果發(fā)表于國際知名學術期刊《Advanced Functional Materials》與《Acta Materialia》。

電介質陶瓷脈沖功率電容器因其高功率密度、極快的充放電速度等優(yōu)點，廣泛應用于電力電子以及國防軍工等高技術領域。近年來，盡管電介質陶瓷材料的儲能密度有了明顯的提升，然而往往需要施加超高的驅動電場（70 kV/mm到90 kV/mm），不利于相關電子設備的長時間使用。此外，高的儲能密度依賴于高的極化強度，因而，降低驅動電場往往會降低材料的儲能密度。針對上述問題，研究團隊基于相場模擬，以經(jīng)典的模型鐵電體BaTiO3為例，提出構建具有局部多相共存的高極性納米團簇的超順電弛豫鐵電體（圖1），成功實現(xiàn)了中等電場強度下高儲能密度（9.11 J/cm3）和高儲能效率（95.3%），且在25 °C到150°C范圍內具有良好的溫度穩(wěn)定性。該研究為開發(fā)高性電介質陶瓷儲能電容器，特別是提升弱極化電介質陶瓷材料儲能性能提供了新的思路。

圖1 BaTiO3基鈣鈦礦A位極化補償機制與相場模擬

由于具有高的居里溫度，高溫壓電陶瓷廣泛應用于航空航天、核能、石油鉆探等領域作為高溫傳感器、高溫超聲波定位探測器等。鐵酸鉍-鈦酸鉛（BiFeO3-PbTiO3，BF-PT）材料體系在準同型相界處盡管具有高的居里溫度，但也存在晶格畸變大、氧八面體扭轉嚴重、矯頑場高和壓電性能弱等缺點，極大地制約了該材料的發(fā)展和實際應用，而常規(guī)的組成調控手段往往會大幅度犧牲材料的居里溫度，且壓電系數(shù)的提升程度有限。為此，研究團隊基于熱力學分析，提出通過引入極化各向異性低的偽立方相替代傳統(tǒng)BF-PT體系中具有氧八面體傾斜的鐵電三方相，有效地降低了共存相間的能量勢壘，同時調整四方相晶格畸變以及平衡四方相含量和四方相晶格畸變（圖2）。

圖2 BF-PT基體系的新型相界設計策略和壓電性能的同步輻射原位電場XRD定量分析

通過同步輻射原位電場XRD、極化標度律和壓電非線性定量分析發(fā)現(xiàn)，這種雙重調控策略顯著增強了疇壁運動對壓電響應的非本征貢獻，并保持較大的四方畸變以實現(xiàn)高居里溫度，從而獲得了高達410 pC/N的壓電系數(shù)和416°C的高居里溫度，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)三方-四方相界BF-PT基陶瓷。此外，在室溫達到360°C范圍還表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，壓電系數(shù)的變化小于10%。該研究為平衡BF基壓電陶瓷體系中壓電系數(shù)與居里溫度矛盾這一長期挑戰(zhàn)提出了突破性的解決方案。

合肥工業(yè)大學為論文的第一作者和通訊作者單位。論文第一作者為碩士研究生蘇飛宇、博士研究生余自德（共一）和安徽工程大學張祎博士（共一），通訊作者為付健副教授、北京科技大學施小明博士、中科院上硅所胡騰飛博士、淮南師范學院/安徽工程大學左如忠教授。相關研究工作得到了國家自然科學基金面上項目，安徽省重點研發(fā)計劃以及安徽省自然科學基金面上項目等項目的支持。

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三

致病菌分析檢測領域

食品與生物工程學院李超副研究員、虹橋國際醫(yī)學研究院馬潔樺副研究員和上海交通大學醫(yī)學院附屬同仁醫(yī)院丘瑾主任在致病菌分析檢測領域取得新進展，相關成果發(fā)表在國際著名期刊《ACS Nano》上。

作為先天免疫系統(tǒng)的重要組成細胞，巨噬細胞膜表面含有諸多蛋白質受體用于識別與吞噬各種病原菌。然而，經(jīng)過千百萬年的演化，許多病原菌也發(fā)展了與之相抗衡的逃逸策略，避免與這些受體結合，進而引起后續(xù)嚴重的感染反應。本研究中創(chuàng)新性地在巨噬細胞表面組裝了一系列人工DNA受體（ADR），實現(xiàn)了細胞對病原菌識別與吞噬的精準調控。

該研究首先利用核酸環(huán)化技術將能夠識別病原菌的核酸適配體環(huán)化，獲得一系列更為穩(wěn)定的ADR序列。然后，利用點擊化學反應將這些ADR成功組裝到巨噬細胞表面，并通過多種技術驗證了環(huán)化DNA分子能夠穩(wěn)定存在于巨噬細胞表面。由于DNA分子高度的程序化結合能力，可以利用DNA反應構建多種邏輯門控制系統(tǒng)，實現(xiàn)DNA分子控制ADR的“開”與“關”，進而調控細胞對不同病原菌細胞的識別與吞噬。其次，由于DNA分子間的精準互補，可在ADR中引入適當?shù)拿庖呒せ顒┤鏑pG DNA，進一步增強巨噬細胞的抗菌活性。最后，研究者通過多種動物實驗，初步驗證了人工改良的巨噬細胞在體內仍然能夠發(fā)揮良好的抗菌活性，甚至可以高效率地清除耐藥性金黃色葡萄球菌，為基于細胞免疫的抗菌療法提供新策略。該研究不僅拓展了DNA納米技術在細胞工程中的應用，還為精準抗菌治療開辟了新途徑。

合肥工業(yè)大學碩士研究生孫慶飛為第一作者，合肥工業(yè)大學為第一通訊單位，李超副研究員為第一通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金等項目支持。

論文鏈接：

來源 | 汽車與交通工程學院 材料科學與工程學院

食品與生物工程學院

圖片 | 史紜愷

編輯 | 王明霞

責編 | 衛(wèi)婷婷 孟雨

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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