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2020, 69 (17): 178102.
doi: 10.7498/aps.69.20200987
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柔性压力传感器作为一种新型的电子器件, 它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势, 但也对材料提出了更严格的要求. 例如, 它要求构成器件的材料很薄、较软, 在某些情况下可贴合于人体皮肤表面或者植入体内, 这进一步要求材料具有良好的生物相容性, 并能与生物组织实现良好的力学匹配. 在器件性能方面, 柔性压力传感器的设计主要关注于灵敏度、响应时间、检测限、稳定性等性能的提高. 最近, 研究者们又将目光拓展到了器件的压力响应范围、压力分辨率、空间分辨率及拉伸性能等, 使得传感器具有更广阔的应用前景. 本篇综述介绍了近年来柔性压力传感器研究的进展, 主要包括柔性压力传感器的传感原理、传感性能及应用前景, 并最后对该类器件的发展进行了展望.
2020, 69 (10): 100701.
doi: 10.7498/aps.69.20191935
摘要 +
光伏发电受天气与地理环境影响, 呈现出波动性和随机多干扰性, 其输出功率容易随着外界因素变化而变化, 因此预测发电输出功率对于优化光伏发电并网运行和减少不确定性的影响至关重要. 本文提出一种基于遗传算法(GA)优化的卷积长短记忆神经网络混合模型(GA-CNN-LSTM), 首先利用CNN模块对数据的空间特征提取, 再经过LSTM模块提取时间特征和附近隐藏状态向量, 同时通过GA优化LSTM训练网络的超参数权重与偏置值. 在初期对历史数据进行归一化处理, 以及对所有特征作灰色关联度分析, 提取重要特征降低数据计算复杂度, 然后对本文提出来的经GA优化后的CNN-LSTM混合神经网络(GA-CNN-LSTM)算法模型进行光伏功率预测实验. 同时与CNN, LSTM两个单一神经网络模型以及未经GA优化的CNN-LSTM混合神经网络模型的预测性能进行比较. 结果显示在平均绝对误差率(MAPE)指标下, 本文提出的GA-CNN-LSTM算法模型比单一神经网络模型最好的结果减少了1.537%的误差, 同时比未经优化的CNN-LSTM混合神经网络算法模型减少了0.873%的误差. 本文的算法模型对光伏发电功率具有更好的预测性能.
2020, 69 (21): 217703.
doi: 10.7498/aps.69.20200980
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作为电介质大家庭的重要成员, 铁电材料以其蕴含丰富的物理性质而闻名, 并因此吸引了大量科技工作者. 压电效应是铁电材料最为重要的物理性质之一, 同时也是目前铁电材料所有物理性质中应用最为广泛的. 例如: 水声声呐系统、医疗超声探头、压电驱动器等器件的核心压电元件均为铁电材料. 本文将以时间为轴, 重点介绍钛酸铅基铁电材料压电效应的发展历史, 同时讨论铁电材料微观结构、极化状态与压电效应之间的构效关系. 本文涉及到影响铁电材料压电效应的一些重要因素, 如: “准同型相界”、“软性掺杂”、“极化旋转”、“局域结构无序”等, 希望能够在铁电功能材料的设计方面给予读者启发.
2020, 69 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.69.20191721
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行人跟踪是计算机视觉领域中研究的热点和难点, 通过对视频资料中行人的跟踪, 可以提取出行人的运动轨迹, 进而分析个体或群体的行为规律. 本文首先对行人跟踪与行人检测问题之间的差别进行了阐述, 其次从传统跟踪算法和基于深度学习的跟踪算法两个方面分别综述了相关算法与技术, 并对经典的行人动力学模型进行了介绍, 最终对行人跟踪在智能监控、拥堵人群分析、异常行为检测等场景的应用进行了系统讲解. 在深度学习浪潮席卷计算机视觉领域的背景下, 行人跟踪领域的研究取得了飞跃式发展, 随着深度学习算法在计算机视觉领域的应用日益成熟, 利用这一工具提取和量化个体和群体的行为模式, 进而对大规模人群行为开展精确、实时的分析成为了该领域的发展趋势.
2020, 69 (4): 040502.
doi: 10.7498/aps.69.20191342
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本文提出了一种基于新的五维多环多翼超混沌系统的数字图像加密方法. 首先, 将明文图像矩阵和五条混沌序列分别通过QR分解法分解成一个正交矩阵和一个上三角矩阵, 将混沌系统产生的五条混沌序列分别通过LU分解法分解成一个上三角矩阵和一个下三角矩阵, 分别将两个上三角矩阵和一个下三角矩阵相加, 得到五个离散后的混沌序列; 其次, 将明文图像矩阵分解出来的正交矩阵与五个混沌序列分解出来的五个正交矩阵相乘, 同时把明文图像矩阵分解出来的上三角矩阵中的元素通过混沌序列进行位置乱, 再将操作后的两个矩阵相乘; 最后, 将相乘后的矩阵通过混沌序列进行比特位位置乱, 再用混沌序列与其进行按位“异或”运算, 得到最终加密图像. 理论分析和仿真实验结果表明该算法的密钥空间远大于10200, 密钥敏感性强, 能够有效地抵御统计分析和灰度值分析的攻击, 对数字图像的加密具有很好的加密效果.
2020, 69 (8): 088904.
doi: 10.7498/aps.69.20192000
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现实生活中, 与国计民生密切相关的基础设施网络大多不是独立存在的, 而是彼此之间相互联系或依赖的, 于是用于研究这些系统的多层网络模型随之产生. 多层网络中的节点在失效或者遭受攻击后会因“层内”和“层间”的相互作用而产生级联效应, 从而使得失效能够在网络层内和层间反复传播并使得失效规模逐步放大. 因此, 多层网络比单个网络更加脆弱. 多层网络级联失效产生的影响和损失往往是非常巨大的, 所以对多层网络级联失效的预防和恢复的研究具有重大意义. 就多层网络级联失效的预防而言, 主要包含故障检测, 保护重要节点, 改变网络耦合机制和节点备份等策略. 就多层网络发生级联失效后的恢复策略而言, 主要包含共同边界节点恢复、空闲连边恢复、加边恢复、重要节点优先恢复、更改拓扑结构、局域攻击修复、自适应边修复等策略.
2020, 69 (13): 134101.
doi: 10.7498/aps.69.20200355
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电磁吸波技术在军用和民用领域得到了广泛应用, 但传统吸波技术不能满足现代吸波材料新的需求, 基于超材料的吸波体具有结构简单、轻薄、吸收率高等优点, 并可以实现对电磁波的灵活调控, 使得电磁吸波领域获得了飞速发展. 本文针对电磁超材料吸波研究进行了综述, 首先介绍了电磁超材料吸波方法与机理, 指出了研究中遇到的瓶颈问题. 其次针对吸波关键技术难题分别从多频及宽频带吸波、极化和角度不敏感吸波、动态可调吸波三个方面介绍了目前电磁超材料吸波体的研究进展. 尽管研究学者们在超材料吸波方向已做了很多工作, 仍面临着诸多问题和挑战. 为了更好地预示未来研究, 本文从高性能、多功能、新三维结构三个角度对超材料吸波体的研究方向进行了展望, 包括突破波长限制的低频超薄宽带超材料吸波体、能应对复杂环境的多功能集成超材料吸波体以及随3D打印技术而兴起的新型三维结构超材料吸波体. 最后结合超材料在隐身领域的应用进一步总结了超材料吸波应用研究的发展趋势.
2020, 69 (20): 208401.
doi: 10.7498/aps.69.20200792
摘要 +
机械天线是通过电荷或磁偶极子的机械运动产生电磁场辐射的新型低频发射天线. 新型的辐射原理使其能够打破传统天线波长对物理尺寸的约束, 从而以较小的尺寸实现低频通信, 为对潜通信、透地通信等场景提供了颠覆性的解决方案. 近年来机械天线吸引了国内外众多研究团队的关注, 是低频通信领域的研究热点. 本综述简要回顾了传统的低频发射天线发展情况, 详细介绍了机械天线不同实现方案的研究进展, 对比了各方案的辐射性能与优缺点, 并针对机械天线信号调制方法进行了探讨, 最后展望了机械天线的未来研究方向.
2020, 69 (21): 217701.
doi: 10.7498/aps.69.20201006
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介电储能电容器以其充放电速度快、功率密度高等优点, 在现代电子和电力系统中得到了广泛应用. 目前, 与可再生能源相关的新兴产品, 如混合动力汽车、并网光伏发电和风力发电、井下油气勘探等, 对于介电储能电容器的高温储能性能提出了更高的要求. 本文总结了近年来关于聚合物及其纳米复合电介质材料的高温介电储能研究中的代表性研究进展, 为该领域科研工作者进一步研究提供参考. 首先介绍了电介质材料储能的物理机理, 并对电介质材料的几种电导机制进行了总结和分析; 接下来介绍了目前提高聚合物基电介质材料高温储能性能的几种方法, 包括纳米复合改性和相关的层状结构设计, 以及高分子聚合物的分子结构设计和化学交联处理等; 最后对聚合物基电介质材料在高温储能应用领域中尚待解决的科学技术问题进行了讨论, 并展望了未来可能的研究方向.
2020, 69 (21): 217704.
doi: 10.7498/aps.69.20201079
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压电陶瓷能够通过正/逆压电效应实现电能与机械能之间的相互转化, 在电子信息、通信、传感等领域中具有广阔的应用前景. 压电陶瓷的压电性能对晶粒尺寸极为敏感, 其晶粒尺寸效应的研究受到了广泛关注. 本文对目前应用较多的几类钙钛矿型压电陶瓷, 包括钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸钾钠、钛酸铋钠陶瓷的压电性能晶粒尺寸效应的研究与进展进行了综述; 总结了这些体系中晶粒尺寸的调控方法, 晶粒尺寸效应的表现规律, 同时回顾了相关物理模型与理论机制. 本文为系统理解压电性能的晶粒尺寸效应提供了指导, 并对压电陶瓷晶粒尺寸效应的未来研究方向做出了展望.
2020, 69 (15): 158101.
doi: 10.7498/aps.69.20200246
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超材料是物理和信息领域的研究热点之一, 本文主要介绍信息超材料的研究进展. 不同于传统超材料的等效媒质参数表征, 信息超材料由物理单元的数字编码来描述, 通过控制不同的编码序列来实时地调控电磁波, 进而实现超材料的现场可编程功能. 由于在超材料的物理空间上构筑起数字空间, 因此可在超材料的物理平台上直接处理数字信息, 实现了信息系统微波射频和数字信息处理的统一. 本文系统介绍数字编码超材料、现场可编程超材料及信息超材料的基本概念及其调控电磁波的能力. 结合其数字表征的特点, 重点介绍定量描述信息超材料信息量的信息熵、对波束进行搬移的卷积定理、以及对多个波束进行独立调控的加法定理. 最后, 展示了基于信息超材料的可编程全息成像、新架构微波成像和无线通信系统, 实现了超材料的系统级应用.
2020, 69 (3): 036501.
doi: 10.7498/aps.69.20191906
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热辐射作为一种无处不在的物理现象, 对于科学研究和工程应用都具有重要意义. 传统上对热辐射的理解主要是基于普朗克定律, 它描述了物体通过辐射交换能量的能力. 而近年来的研究表明, 由于微纳光学材料在尺寸上远小于热辐射峰值波长, 它们的热辐射性质往往很大程度上有别于传统黑体辐射理论所描述的宏观物体. 更重要的是, 微纳光学材料的热辐射性质可以通过改变它们的几何尺寸和微观构型进行定量的优化设计与精确调控. 纳米光学材料与辐射制冷效应的结合, 给热辐射效应在能源和环境等相关领域的应用提供了极具前景的应用价值. 本文首先从热辐射的基本原理和规律出发, 介绍纳米结构热辐射增强的发展进程和最新进展, 包括二维材料间的近场热辐射机理以及尺寸效应导致的远场热辐射增强; 其次, 介绍了近年来纳米光学材料在辐射制冷应用中的重大进展, 包括可以实现高效日间辐射制冷的各种纳米光学材料设计; 最后, 进一步介绍了日间辐射制冷的各种实际应用, 包括建筑物制冷、冷凝水收集、舒适衣物与太阳能电池降温等. 此外, 展望了纳米光学材料的辐射制冷技术在推动荒漠生态环境的治理与改造方面的广阔未来.
2020, 69 (8): 080504.
doi: 10.7498/aps.69.20191774
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针对疏散路径规划问题, 以栅格化地图为背景的基础上, 提出了蚁群元胞优化算法. 首先为统一仿真时间步长, 建立以六边形元胞为基础的栅格地图; 然后利用静态势场对启发函数进行优化, 利用分段更新规则优化信息素更新方式; 最后, 将模型参数作为粒子群优化算法的粒子位置信息进行优化, 求解参数的最优组合值. 仿真结果表明: 采用蚁群元胞优化模型进行疏散路径规划时, 不仅加快了搜索速度, 而且增大了解空间, 提高了搜索能力, 可以有效避免陷入局部最优解.
2020, 69 (19): 196602.
doi: 10.7498/aps.69.20200709
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以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台. 近年的研究表明, 二维材料热导率有着丰富的物理图像, 如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等. 本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展. 首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展, 如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等; 其次, 介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展, 讨论其相关物理问题; 最后, 介绍二维材料在散热应用方面的研究进展, 并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景.
2020, 69 (12): 127706.
doi: 10.7498/aps.69.20200287
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钙钛矿材料可以分为ABO3氧化物和ABX3 (X = Cl, Br或I)卤化物两大类, 它们都具有丰富的物理性质和优异的光电性能, 比如铁电性和光催化性能. 本文介绍了BiFeO3和MAPbI3等铁电半导体光催化材料和异质结的制备方法, 总结了它们在光电催化方面的研究进展. 目前研究者已经针对氧化物光催化材料做了各种研究, 包括: 降低吸光层铁电材料的带隙, 制备铁电/窄带半导体吸光层异质结, 制备比表面积很大的纳米片、纳米棒或者其他纳米结构, 以便吸收更多可见光; 让铁电极化及其退极化场垂直于光催化工作电极表面, 通过铁电/半导体异质结能带弯曲提供内电场, 通过外电场进行光电催化, 从而通过内、外电场高效分离光生-电子空穴对; 通过光催化或者光电催化降解染料、分解水制氢、将CO2转换为燃料; 通过铁电、热释电和压电协同效应提高催化效应和能量转换效率. MAPbI3等卤素钙钛矿具有优异的半导体性质, 其铁电性可能是引起超长的少数载流子寿命和载流子扩散长度的原因. 通过优化光催化多层膜结构并添加防止电解液渗透的封装层可以避免MAPbI3被电解液分解, 从而制备了具有很高能量转换效率的光电催化结构. 最后, 我们分析和比较了这些钙钛矿铁电半导体在光电催化领域面临的挑战, 并展望了其应用前景.
2020, 69 (17): 170202.
doi: 10.7498/aps.69.20200867
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随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进, 可穿戴电子器件受到越来越多的关注, 但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决. 基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有成本低、选材广、柔性等特点, 可以收集人体的低频、不规律能量并高效地转化为电能, 在可穿戴带能源器件领域有着巨大的发展潜力. 本文将首先介绍摩擦纳米发电机的四种基本工作模式以及摩擦起电机理的最新研究, 然后从贴敷于人体皮肤的直接式能源收集与附着于衣物、鞋子等人体附属物的间接式能源收集两个部分详细综述基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件的研究进展. 最后, 对用于驱动电子器件的能量管理模块进行系统介绍, 分析讨论目前可穿戴能源器件发展中的问题和瓶颈, 探讨未来的发展方向.
2020, 69 (9): 090202.
doi: 10.7498/aps.69.20200389
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一种新型冠状病毒感染导致的肺炎自2019年12月至今在我国以及200多个国家和地区传播. 本文旨在介绍近期关于新型冠状病毒肺炎的几个重要流行病学参数的研究进展和估计方法, 包括基本再生数、潜伏期和代间隔, 同时还介绍两个动力学模型及其结果. 这些参数刻画了新型冠状病毒肺炎的传播特点, 影响控制策略的制定和有效性. 简要来说, 新型冠状病毒肺炎的基本再生数${\cal{R}}_0$ 的中位数为2.6, 潜伏期均值约为5.0 d, 代间隔均值约为5.5 d. 这表明新型冠状病毒肺炎传播速度快. 诸如对确诊病人的隔离治疗、对疑似病例的隔离、对密切接触者的追踪、对疾病信息的宣传和采取自我防护等防控措施能有效降低疾病暴发的风险和规模.
2020, 69 (6): 060302.
doi: 10.7498/aps.69.20191765
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目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差, 不能应用于野外进行绝对重力测量, 这限制了原子重力仪的应用领域. 本文利用自研的小型化原子重力仪, 集成了一套车载绝对重力测量系统. 该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成. 首先, 本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估, 发现在野外40 ℃高温、8°大倾角普通路面的环境下, 该系统仍然能够正常工作; 其次, 介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法, 并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响. 最后, 在野外平坦路面上进行了重复测线工作, 评估了系统的内符合绝对重力测量精度, 结果约为30 μGal; 在野外大倾角山体路面, 通过测量不同海拔高度点的绝对重力值, 得到了地球的垂直重力梯度值, 约为–231(36) μGal/m. 本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.
2020, 69 (21): 217706.
doi: 10.7498/aps.69.20201209
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介电电容器具有超高功率密度、低损耗以及高工作电压等优点, 是广泛应用于电子电力系统的关键储能器件. 铁电聚合物是发展高储能密度电介质薄膜材料的理想选择, 而基于铁电聚合物的纳米复合材料则兼具了聚合物的高击穿场强、柔性、易加工等特点以及陶瓷的高介电性能, 是近年来电介质储能材料研究的前沿与热点. 本文首先介绍了铁电聚合物材料的制备、铁电性能以及极化特性的调控方法, 随后总结了铁电聚合物纳米复合材料中纳米填料、复合结构以及界面三个关键调控策略对复合材料介电与储能性能的影响, 并探讨了基于相场方法的纳米复合材料中介电与储能特性的微观机制研究, 最后对高储能密度铁电聚合物纳米复合材料现存问题以及未来发展方向进行了总结与展望.
2020, 69 (8): 088907.
doi: 10.7498/aps.69.20191954
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随着电力电子技术的进步和环境保护对清洁能源的要求, 以同步发电机为主的传统电力系统正向着多样化电力电子装备为主的电力系统转变, 由此电力系统正面临着百年来未有之大变局. 近年来, 国内外不断报道出以电力电子装备为主的新能源基地和传统高压直流等机理不明的电力事故, 严重威胁了电力系统安全稳定运行. 针对上述问题, 本文首先介绍传统电力系统暂态稳定分析的主要方法, 接着分析了典型故障场景下简单电力电子化电力系统的动力学行为, 并建立了同时包含电力电子设备与传统同步机的多机耦合系统模型, 最后总结了电力电子化电力系统的非线性、多时标、复杂性的本质特点, 归纳其暂态稳定的基本问题与挑战以及对未来研究方向的展望, 希望引起复杂系统和统计物理背景的研究人员的广泛兴趣.
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