细胞牵引力显微镜反演方法研究进展

细胞与胞外基质微环境的物理力学相互作用涉及许多复杂的生物信号转导通路,对于细胞的增殖、分化、收缩、迁移和凋亡等都起着重要的调控作用。在单细胞水平上,运用细胞牵引力显微镜方法定量研究细胞活动规律及特点具有重要的生理病理学意义。牵引力显微镜方法的核心在于如何通过基底变形信息反演得到细胞牵引力场。本文首先介绍细胞牵引力反演方法的基本原理,然后针对细胞牵引力求解过程中所涉及到的反问题的病态本性,重点介绍近十几年来细胞牵引力反演算法的研究进展(包括边界元反演算法、基于集中力假设的反演算法、基于积分Boussinesq解的反演算法、基于傅立叶变换的反演算法、基于最优滤波的反演算法等)。     

基于单层荧光颗粒的三维细胞牵引力的研究

细胞与细胞外微环境的力学相互作用对于细胞迁移、增殖和分化起着至关重要的作用。近年来,基于数字图像相关和数字体积相关方法的细胞牵引力研究得到了广泛的开展。然而,传统的基于数字图像相关的方法只能测量面内的变形;传统的基于数字体积相关的方法将荧光标记颗粒置于水凝胶基底内部,扫描层数过多导致图像采集时间长、光毒性增大。本文中,我们结合激光扫描共聚焦技术和数字体积相关方法,将单层荧光颗粒平铺在水凝胶表面,通过共聚焦显微镜采集细胞迁移过程中不同时刻的图像,采用二阶形函数的数字体积相关方法得到细胞-基底界面处的三维位移场和三维牵引力场。该方法采用单层荧光颗粒,不仅有效地降低了多层激光扫描产生的光毒性,还极大地减少了图像采集时间,从而在扫描同一序列图像时,细胞形态变化相对较小,提高了原始图像的准确性。并且,采用二阶形函数可以描述细胞迁移过程中基底产生的弯曲等更复杂形式的一阶形函数无法描述的变形。     

一种基于复变量求导法的岩土体抗剪强度参数反演新方法

边坡稳定性分析中,岩土体(含结构面)抗剪强度参数的确定至为重要.工程实践中利用边坡上实测的位移数据反演岩土参数是一种理想的参数确定方法.当前采用的位移反分析方法在反演弹性模量、泊松比及地应力等参数时已经取得了较好的成果,但在反演抗剪强度参数时仍未获得理想的结果.本文针对岩土体抗剪强度参数反演中所存在的困难,将复变量求导法、优化方法以及岩土弹塑性有限元法结合起来,提出一种适用于岩土体抗剪强度参数的反演分析新方法,通过测点实测位移反演计算出岩土体的抗剪强度参数.算例结果表明,该方法具有较高的计算精度和搜索效率,是一种值得推广的位移反分析方法.     

海洋平台水动力系数识别及精度分析

论文利用新动态模型减缩方法对海洋平台结构进行自由度减缩,利用简化后的模型对水动力系数进行反演,改善了反演模型中解的不确定性,并对载荷反演中的病态问题进行了探讨,同时给出了反演结果的评估方法,为反演中测量数据的获取提供了依据,提高了反演结果的可靠性.     

弹性动力学反问题的数值反演方法

系统介绍了弹性动力学反问题中各种数值反演方法,包括各种近似下的线性化反演方法;非线性迭代反演方法;确定性和非确定性搜索的优化反演方法;大范围收敛的同伦反演方法以及多尺度反演方法。阐述了各类反演方法的原理、特点、适用范围和存在的局限性,指出了数值反演方法进一步研究的方向。      

基于子结构的非线性参数系统动力反演方法研究

研究了输入、输出不完备情况下的非线性参数系统动力反演问题.将子结构技术与分解算法相结合,引入广义逆,无需迭代.直接求得待识别参数的极小范数最小二乘解,反演获得未知输入荷载.本文从理论上论证了该方法的收敛性和严格的适用条件,为有限测点条件下非线性参数系统的动力反演问题提供了一个较好的解决方法.与全量补偿算法相比,计算效率大大提高,具有广泛的工程实际应用前景.数值算例表明该方法具有很好的参数识别精度及荷载反演效果.     

变几何域传热的表面热流反演方法

变几何域的表面热流反演是一类特殊的热传导逆问题,在再入飞行器烧蚀型防热材料的表面热流反演中具有工程实用价值.本文首先对变几何域传热的正问题计算方法进行了校核验证,然后建立了求解变几何域表面热流反演问题的顺序函数法和共轭梯度法;给出了这两种反演方法的基本思想和算法推导,并针对典型算例进行了仿真.结果表明:两种反演方法都能计算出较好的反演结果,并且算法受测量噪声的影响较小,具有较好的鲁棒性;反演算法能适应不同的几何域变化函数,但几何域变化量的测量误差在表面热流的反演结果中会有较为直接的反映.     

土性参数各向异性随机场的表征与建模方法

土性参数在空间上的相关性具有各向异性,因此对各向异性随机场表征与建模方法的研究具有重要的意义.本文首先通过对相关函数的分析,将各向异性相关的问题归结到相关距离函数的探讨上,给出了一种描述参数各向异性相关的方法;其次分析了 目前常用的两种随机场反演方法在处理各向异性问题所面临的问题,(1)局部平均划分法只适合横观各向同性随机场的生成,难以处理任意的各向异性问题,(2)矩阵分解法反演随机场时,随机场网格数会受到计算机计算能力的限制,难以处理大型的随机场反演问题.针对以上两点问题,基于相关函数的快速衰减特性改进了矩阵分解法,并将改进的矩阵分解法与局部平均划分法进行了反演精度对比,同时用改进的矩阵分解法反演了旋转横观各向同性随机场,结果表明用改进的矩阵分解法处理各向异性问题是适用的.     

地球重力场空间探测: 回顾与展望

地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值. 美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)卫星, 有力地推动了地球重力场测量、反演和应用. 为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率, 扩展应用领域, 中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星, 即后GRACE 计划(GRACE-follow-on). 本文将简单回顾重力卫星的发展历程, 介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法, 亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果.      

一种基于比例反馈控制原理的动载荷时域反演方法

通过借鉴系统控制论中的比例反馈控制原理,提出了一种新的结构动载荷时域反演方法.该方法在原开环系统的输出与结构模型之间连接一个虚拟的比例反馈增益,使得原来的开环系统成为一个虚拟的闭环反馈控制系统,系统控制信号为实测的结构加速度响应.反馈控制器将系统输出与控制信号之闻的差值进行放大后作为反馈不断输入到结构模型中,直到差值趋于稳定,此时该差值与反馈增益的乘积经过高通滤波后即得到所反演的动态载荷.该方法将载荷反演问题的求解转化为正问题中的结构瞬态响应求解,采用一般的数值解法如New-mark法即可实现,因此计算比较简便迅速.该方法仅需要测量结构的加速度响应即可进行反演,便于实际应用,而且并不十分依赖于真实的初始条件,由于不存在误差累积的现象,反演结果具有较好的稳定性.最后,通过海洋平台结构冰载荷反演的模型实验和数值仿真证明了该方法的有效性.     

Multifunctional design of two-dimensional cellular materials with tailored mesostructure

Two-dimensional cellular materials (prismatic honeycombs) provide a range of properties that make them suitable for multifunctional applications involving heat dissipation and structural performance. In this paper we present two-scale homogenization-based finite element scheme for convective heat transfer and structural characterization of 2-D cellular metals with uniform and graded cell sizes of various topologies as well as with mixed cell-topologies. For convective heat transfer analysis, the cells are modeled implicitly as temperature-dependent sinks modeling the out-of-plane fluid convection through the cells; the sink strength is determined via a micromechanics problem of heat transfer in a cell. For structural analysis, the cellular material is represented as a micropolar continuum with linear elastic constitutive equations obtained via micromechanics solution of a representative unit cell. The analyses are then used in conjunction with an optimization algorithm to design cellular materials with functionally tailored mesostructures. The analysis and design framework enables tailoring cellular materials with graded cell structures of a given topology as well as with cell structures that combine multiple topologies.     

圆柱夹层多孔材料的主动散热性能研究与优化设计

通过推导不同边界条件的圆柱状夹层多孔材料散热指标,研究了一种特殊结构的圆柱状夹层多孔材料主动散热问题。这种圆柱夹层材料的每一层胞体个数相同,胞体尺寸随着外径的增大而增大,从而保持每一层胞体的相对密度相同。通过计算两种不同换热边界条件下圆柱夹层多孔材料的散热性能,比较并分析了与夹层材料层数相对应的最大散热效率和最优相对密度等指标,并最终得到这些工况下的最优质量。通过分析得到,无论哪种边界条件,正六边形胞体的夹层结构散热性能优于其他构型。同时当为达到某一限定散热效率值时,正六边形胞体结构的质量最小,正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。     

Numerical investigation on evolution of cylindrical cellular detonation

Cylindrical cellular detonation is numerically investigated by solving two- dimensional reactive Euler equations with a finite volume method on a two-dimensional self-adaptive unstructured mesh. The one-step reversible chemical reaction model is applied to simplify the control parameters of chemical reaction. Numerical results demonstrate the evolution of cellular cell splitting of cylindrical cellular detonation explored in experimentas. Split of cellular structures shows different features in the near-field and far-field from the initiation zone. Variation of the local curvature is a key factor in the behavior of cell split of cylindrical cellular detonation in propagation. Numerical results show that split of cellular structures comes from the self-organization of transverse waves corresponding to the development of small disturbances along the detonation front related to detonation instability.     

Shape optimization of compliant pressure actuated cellular structures

Biologically inspired pressure actuated cellular structures can alter their shape through pressure variations. Previous work introduced a computational framework for pressure actuated cellular structures that is limited to two cell rows and central cell corner hinges. This article rigorously extends these results by taking into account an arbitrary number of cell rows, a more complicated cell kinematic that includes hinge eccentricities and varying side lengths as well as rotational and axial cell side springs. The nonlinear effects of arbitrary cell deformations are fully considered. Furthermore, the optimization is considerably improved by using a second-order approach. The presented framework enables the design of compliant pressure actuated cellular structures that can change their form from one shape to another within a set of one-dimensional C¹ continuous functions. Several examples are used to demonstrate the performance of the proposed framework.     

力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究

细胞膜是细胞与外部环境进行物质与能量交换的界面,是调节细胞正常生命活动的重要结构基础.细胞膜上力敏感受体可通过力学作用方式参与并影响细胞的力信号转导等功能.整合素和钙黏素是细胞膜上典型的力敏感受体,可介导细胞与细胞周围基质或邻近细胞发生力学作用,并将力学刺激信号转导为生化信号,进而激活细胞内一系列应答反应,最终影响细胞生长、分化、增殖、凋亡和迁移等功能.力敏感受体介导细胞功能调控研究已成为探索细胞主动响应外界复杂力学微环境的力学生物学机制的关键,为进一步深入认识生理和病理状态下细胞功能变化规律,为揭示疾病的发生、发展机制提供重要的力学生物学理论与实验依据.本文总结了力敏感受体介导细胞功能调控的国内外研究进展;介绍了黏附界面处典型力敏感受体的结构和功能;总结了这些力敏感受体参与的细胞力信号感知与响应的数理模型;概述了细胞通过力敏感受体进行力学信号转导的过程;介绍了黏附介导细胞功能调控的力学生物学过程和机制;简述了体外构建模拟细胞力学微环境中细胞-细胞外基质和细胞-细胞力学相互作用的技术;指出了力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究发展趋势和未来方向.     

Multiscale modelling of damage and failure in two-dimensional metallic foams

The fracture strength of metal foams depends sensitively on the properties of the constituent material as well as the cellular architecture. A change in microscopic properties carries over to the macroscopic scale through an alteration of the mesoscopic damage and fracture mechanisms. In this paper we study these dependencies using a modelling framework that takes all these ingredients into account. We have developed a micromechanical model based on a discrete Voronoi representation of cellular metals that incorporates power-law strain hardening and damage development of the cell wall material. The influence of the relative density and material strain hardening on the cell wall damage behavior and overall fracture response is analyzed in detail. The effect of the cellular architecture is studied by varying the cell shape anisotropy and structural randomness. We also simulate the effect of post-processing heat treatments on the solid material plastic and fracture properties and how this affects the overall fracture profile and damage development. Finally, all material and architectural effects are summarized in a strength versus ductility graph, identifying trends for improved design of metallic foams.     

孔板扰动对爆轰波胞格结构特性影响的实验研究

实验采用稳定预混气2H₂+O₂+3Ar及不稳定预混气C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂，在圆形爆轰管内通过烟膜手段记录了爆轰波的胞格结构，得到了胞格尺寸与初始压力之间的关系式；研究了胞格结构在扰动上下游的变化过程，分析了胞格不稳定性对胞格结构特征的影响，获得了爆轰波经过扰动后重新恢复至平衡状态的特征尺度。结果表明:爆轰波经过扰动后，对于稳定预混气，在扰动下游主胞格结构变得不规则，没有出现次生胞格；对于不稳定预混气，扰动下游伊始爆轰波的次生模态被抑制，由于爆轰波自身的不稳定性，随后出现了局部爆炸点及精细胞格结构；爆轰波在扰动下游传播了一段距离后恢复至平衡状态，该长度在8～15倍之间的胞格尺寸范围内变化，并且随初始压力的变化趋势并不明显。研究结果反映出爆轰波经过孔板扰动后恢复至平衡态所需的长度与爆轰波流体动力学厚度相当。     

一类多孔固体的等效偶应力动力学梁模型

一维多孔固体结构可采用等效连续介质梁模型来研究其动力学行为. 当类梁结构的高度尺寸和多孔固体单胞结构尺寸相近时,等效模型的力学行为会产生尺寸效应现象. 等效经典模型由于不包含尺度参数而无法描述尺寸相关特点,而广义连续介质力学模型则可以准确地考虑尺寸效应的影响. 基于偶应力理论,对一类单胞含有圆形孔洞的周期性多孔固体类梁结构,给出了分析其横向自由振动的等效连续介质铁木辛柯梁模型. 通过对单胞分析,在应变能等价和几何平均的意义下,定义了等效偶应力介质的材料常数. 利用已有的材料常数,推导了等效铁木辛柯梁的动力学微分方程. 将实际多孔固体结构进行完全的动力学有限元离散计算,所获得的解作为精确解以检验等效梁模型所获得的频率和振型的精度. 振型的比较借助于模态置信准则矩阵方法. 大量算例表明,等效偶应力铁木辛柯梁模型在频率和振型两方面均具有较高的计算精度. 重点研究了单胞孔径的相对大小、类梁结构高度与单胞尺寸比以及类梁结构长高比对等效梁模型精度的影响. 在此基础上,偏保守地建议了多孔固体类梁结构自振分析方法.      

Comparison of critical conditions for DDT in regular and irregular cellular detonation systems

Abstract. The results of an experimental study of DDT in mixtures with regular and irregular detonation cellular structures are presented. Experiments were carried out in a tube 174 mm i. d. with obstacles (blockage ratios were 0.1, 0.3, and 0.6). Mixtures used were hydrogen–air and stoichiometric hydrogen–oxygen diluted with , Ar, and He. The critical conditions for DDT are shown to depend on the regularity of the cellular structure of test mixtures. The critical values of the cell sizes in Ar- and He-diluted mixtures are shown to be significantly smaller than those in -diluted mixtures. This means that systems with a highly regular detonation cellular structure have far less capacity for undergoing DDT compared to irregular ones with the same values of detonation cell sizes. Received 18 November 1999 / Accepted 15 May 2000