封面介绍
生物系统具有基于机电技术的人工系统难以复制的优异的感知、智能和驱动能力。通过融合生物系统和传统机电系统，直接利用自然生物所需功能有可能是一种研发新型机器人——类生命机器人——的有效方法，这种新型机器人同时具有生物系统的优点（高能量转化效率、高能量密度、多自由度、生物兼容性和潜在的自修复能力等）和机电系统的优点（高强度、高精度和优异的重复性等）。
类生命机器人由活体生物系统与传统机电系统深度有机融合而成，具有高能量效率、高本质安全性、高灵敏度以及可自修复等潜在优点。由于类生命机器人具有单独生命体或者以机电系统为主体的传统机器人系统所不具备的特性，因此对其的研究已成为当今的热点，并且在近些年的研究中取得了一定的重要成果。本文系统地总结了类生命机器人的发展。首先，讨论了类生命机器人的潜在发展趋势。然后，回顾了现有类生命机器人的性能，其中包括机器人简单的运动以及运动速度和方向的控制特性。接下来讨论了现有类生命机器人所使用的活体生物材料和非生命材料以及相应的加工制造方法。而后，回顾了现有类生命机器人所采用的控制方法，其中包括物理及化学控制方法。最后，讨论了类生命机器人未来发展中在感知、驱动、智能、活体生物材料、非生命材料、控制方法及信息技术等方面所面临的关键挑战。
不同智能驾驶试验平台的传感器型号、数量、安装位置各不相同，导致传感器信息处理模块也各不相同；不同驾驶地图，其提供信息的粒度也没有固定标准，由此构成的智能驾驶系统软件模块的数量、接口各不相同。基于以驾驶脑为核心的智能驾驶车辆软件与硬件架构，决策模块将不直接与传感器信息处理模块发生关联，通过驾驶认知的形式化语言，将驾驶认知形式化，由驾驶脑认知形成决策。驾驶认知的形式化降低了传感器数量、类型、安装位置的变化对整个软件架构的影响，使得软件架构可以在不同传感器配置车辆平台上方便地移植。
自行车是一种环保且具有娱乐性的交通方式。为了减少自行车运动的能量消耗同时不消耗额外的能源，我们提出利用扭力弹簧对膝关节伸展进行支撑。我们开发了一个基于嵌入式扭转弹簧与交叉四杆机构的膝关节外骨骼原型机。在研究过程中，通过分析8 名健康男性参与者以恒定功率骑行测试的数据，对原型机性能进行了评估。记录参与者在200 W 和225 W 带有加速系统的骑行训练机运动时两个腿部股直肌的表面肌电图（EMG）。然后，通过连续小波变换在时间频率上分析这些数据。在相同的骑行速度和腿部节奏下，肌电的中值功率谱频率随骑行负荷的增加而增加。在相同的骑行载荷下，外骨骼机器人可使中值功率谱频率降低。外骨骼机器人不消耗电能，不传递净正机械功，可减轻股四头肌的活动。此项基础研究可应用于骑行辅助可穿戴设备的进一步开发。
城市交通场景的随机性和复杂性使得无人车的可行驶区域检测成为难题。受人类驾驶行为的启发，本文提出了一种无人车的可行驶区域检测的新方法，该方法利用了单目相机得到的像素信息和激光传感器得到的空间点云信息的融合，与共线中的双射类似，该方法引入了“共点映射”的新概念，其定义为：将来自激光雷达的点映射到图像分割边缘上的点的双射。该方法通过将障碍物与超像素融合得到初始可行驶区域，并基于该初始可行驶区域，利用自学习模型定位候选可行驶区域。此外，为了提升算法的鲁棒性，本文融合了四种特征，特别提出了一种称为可行驶程度（drivabledegree, DD）的特征，该特征定义了激光点的可行驶程度。经过自学习四种特征得到初始可行驶区域之后，利用贝叶斯框架建立可行驶区域的最终概率图模型。本文的方法没有引入强假设条件，也不需要训练过程，但在ROAD-KITTI benchmark 测试中获得了最佳的性能。实验结果表明，该方法是一种泛化性强且有效的可行驶区域的检测方法。
在障碍物密集的环境中，找到一条从初始位置到目标位置的最优轨迹，并控制一台Hilare 机器人沿着该轨迹行驶仍是一项具有挑战性的任务。为了完成这个任务，控制环中通常需要加入路径规划器以及轨迹跟踪控制器。本文的目的是在一台由步进电机驱动的Hilare 机器人上实现轨迹跟踪控制的任务。其中，轨迹由航点集合表示。在设计过程中，控制器需要考虑处理方向连续的离散航点，并且需要考虑不同的执行器速度约束。本文利用多目标粒子群优化（multi-objective particle swarmoptimization, MOPSO）的方法来调整控制器的参数。MOPSO 通过最小化移动机器人在追踪预定义轨迹时的平均航迹误差以及平均线速度误差来得到最优的控制器参数。实验中，移动机器人被控制从起始点沿着一条由航点表示的轨迹行驶到达目标点。实验同样给出对路径规划器生成的轨迹，以及自定义轨迹的跟踪结果。基于移动机器人的实验结果验证了本文方法对不同形式轨迹跟踪的有效性。
由小麦白粉菌[Blumeria graminis f. sp. tritici（Bgt）] 引起的小麦白粉病是一种重要的小麦叶部病害，对小麦的产量产生很大的影响。20 世纪80 年代，通过簇毛麦（Heuchera villosa）的6VS 染色体与小麦6AL 染色体易位将抗白粉病基因Pm21 转移到普通小麦中。最近，在一些地方发现了对Pm21 有毒的Bgt，虽然这些菌株的病理学特性还有待研究，但这一现象提醒小麦育种者应注意应用Pm21 的风险。来源于普通小麦与中间偃麦草（Thinopyrum intermedium）杂种后代的抗白粉病基因Pm40，被定位在小麦7BS 染色体上，对Bgt 具有广谱和持久的抗性。通过细胞学研究，并未在Pm40 的载体品种中发现大片段外缘染色体。过去几年的研究发现，Pm40 的载体品种具有优良的农艺性状。因此，我们相信在未来的育种工程中，Pm40 将会在Pm21 的抗性被克服之后起巨大的作用。另外，Pm21 和Pm40 都来源于外缘物种，这暗示着外源基因的抗性可能比小麦本身的基因更为持久和有效。
偃麦草属植物（Thinopyrum spp.）是小麦（Triticum aestivum L.）的近缘植物，具有多年生生长习性，并且抗多种生物胁迫和非生物胁迫，可以应用于小麦遗传改良。偃麦草的很多优良性状可通过渐渗育种培育小麦品种。偃麦草的多年生习性是一种由多个未知基因控制的复杂的数量性状。偃麦草属植物可以与普通小麦杂交产生双二倍体或部分双二倍体。此外，通过偃麦草直接驯化也可以选育多年生小麦。小麦- 偃麦草杂种后代结合了双亲的优异性状，可以粮饲兼用。小麦- 偃麦草杂种后代能够适应多种农业生态系统。本文总结了利用偃麦草培育多年生小麦的发展情况，以及小麦-偃麦草杂种的遗传特点、选育方法以及应用前景。
世界上雨养无灌溉条件下种植的小麦常常受到干旱的影响。针对未来气候的模拟预测显示，除非采用适当的品种，否则温度上升和降雨模式的联合作用将加剧这种干旱情况，并可能造成小麦大幅度减产。由于物候基因的多样性，小麦具有广泛的适应性。小麦物候学提供了一个根据目标环境中可用水改变作物的发育阶段从而提高抗旱性。本文综述了春化（Vrn）、光周期（Ppd）和矮秆（Rht）基因等小麦物候学研究的最新进展。在不同气候条件下Vrn 和Ppd 基因的等位基因、单倍型和拷贝数有不同的反应，因而不仅可以改变发育阶段，而且可以改良产量。与模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）相比，还有更多尚未发现的小麦物候基因，在目标环境中量化其效应将有助于通过育种提高小麦的耐旱性。因此，通过配置适当的物候基因、Rht 基因和其他耐旱性相关的重要生理性状的组合，可以在水资源有限的环境中使产量最大化。
到2030 年，全球植物油需求量预计将翻番。然而目前的植物油生产平台，包括油棕和温带油籽却难以满足如此的增幅。因此，探索新型植物油来源对弥补未来的植物油的短缺变得越来越重要。植物油的主要形式是三酰甘油（TAG），最近通过基因工程在植物营养组织中生产TAG 引起了人们极大的兴趣。多学科的“组学”研究也愈发提高了我们对植物脂质生物化学和代谢的理解。鉴于此，生物化学途径鉴定及对脂肪酸生物合成、脂质组装和转换关键的基因的注释已得到有效更新。近年来，通过对TAG 生物合成涉及的关键基因和调节因子的遗传操作，高生物量植物营养组织和油籽中TAG 的积累得到了前所未有的迅速发展。本文总结了目前从单基因操作到旨在增加高生物量植物组织中TAG 积累的多基因叠加基因工程策略，讨论了可能有助于进一步缓解食用油和生物柴油潜在短缺的植物油生产的新方向和建议。
大豆胞囊线虫（SCN，Heterodera glycines）是危害全球大豆生产最严重的线虫。作物轮作和培育抗线虫品种是防治线虫的主要方法。随着越来越多能够克服常用抗源的毒性SCN 群体出现，有必要寻找更多新的抗源或拓宽抗性遗传背景。本文综述了大豆抗SCN 基因的研究进展，以及这些基因如何相互作用，从而使大豆能够抗SCN。本文还提供了最新分子作图和分子标记，可用于不同抗性品系和品种的大规模选择和鉴定，以加速常规育种计划。深入了解SCN 寄生蛋白和大豆对病原体的抗性是通过基因修饰、基因叠加、回交或基因工程引入新的抗源而使抗源多样化的关键。
豌豆（Pisum sativum var. arvense L.）是世界上重要的豆科作物。豌豆籽粒蛋白质含量很高，并能提高土壤中有效氮的含量。由一种土传卵菌根腐丝囊霉（Aphanomyces euteiches Drechs.）引起的Aphanomyces 根腐病（ARR），在包括加拿大在内的许多地区对豌豆生产构成严重威胁，在潮湿的土壤条件下引起严重的根损伤、萎蔫，造成大幅度减产。在有利于病害发生的条件下，由于病原体卵孢子的寿命长，在豌豆任何生长阶段都可以侵染豌豆植株，传统病害防控措施（如作物轮作和拌种处理）不能完全防治病害的危害。培育部分抗病或耐病豌豆品种可能是分析豌豆中根腐丝囊霉变异性和生理转化性、提高病害防治效果的有效途径。因此，检测抗病数量性状基因座（QTL）对豌豆育种计划至关重要。本文对根腐丝囊霉的致病特点、ARR 防控措施以及部分与抗性相关的QTL 进行了综述。
近年来，小麦单产产量已经达到了平台期。随着世界人口的增加，人们对未来粮食安全的担忧与日俱增。六倍体人工合成小麦（SHW）能够将野生近缘种的重要农艺性状转移到栽培小麦，为现代小麦育种提供产量潜力、抗旱性、抗病性和养分高效利用的新资源，从而在现代小麦育种中越来越受到重视。本文综述了SHW 产生、研究和利用的现状，特别介绍了其对小麦育种的贡献。同时，简要介绍了基于基因组研究合成小麦生长优势分子机制的新进展。对于利用SHW 改良现代小麦品种的分子机制的了解，将进一步促进SHW 的利用，为满足世界粮食安全发挥重要作用。
评估纳米多孔材料的吸附性能并确定它们的结构表征，对于将这类材料用于包括气体储存在内的 许多应用至关重要。气体吸附法可用于此表征，因为它可以评估从微孔到中孔的各种孔径。在过 去的20 年中，关于有序纳米多孔材料中流体的吸附和相行为的知识以及基于统计力学的最先进的 方法的创新和发展，如分子模拟和密度泛函理论，都取得了重大进展。再结合高分辨率的亚临界 和超临界流体吸附实验程序，使物理吸附结构表征取得了显著进步。笔者不仅讨论了流体在具有 明确孔隙结构的各种纳米多孔材料中基础吸附机理的一些重要和中心特征，还讨论了这些特征对 促进物理吸附表征和储存气体应用的重要性。
传统工业优化往往仅限定在工业系统内，限制了优化的潜力。适当扩展系统的边界，将有助于对复杂系统进行更为精确的分析，从而提高工业系统的效率和盈利能力。自然生态系统在物质和能源短缺的情况下，已经进化了数十亿年，生态学家发展了众多的分析工具和指标来表征生态系统的基本运行原理。这些原理为克服传统工业优化技术的瓶颈提供了新的解决方案。具体地说，基于生态原理，通过模仿生态系统中发现的基本功能角色，工业系统可以实现类生态系统的高效组织运行。本文对中国典型钢铁企业的水网络分别采用传统优化模型与基于生态原理驱动的改进模型进行了优化。工业实例研究表明，采用传统优化模型的水网络优化后，可实现新水消耗、废水排放、综合用水成本分别降低23%、29% 和20%；采用基于生态原理驱动的改进模型，水网络优化后，则可使新水用量和综合用水成本进一步降低21%和25%，并实现废水零排放。研究结果表明，基于生态原理驱动的改进优化模型更有利于实现工业系统的可持续发展。
有机固液废弃物包含大量能量、养分和水分，不应仅视其为废物。数十年来，人们一直对城市固体废物进行回收、堆制和燃烧，并从中提取能量和有价值的物质。污水的首要管理策略是治理和排放。随着技术的进步，通过新方法使利用固体废物和废水成为可能。考虑到废物特殊的化学、物理和生物性质，需要整合多种技术以使废物的能量和价值回收最大化。为此，生物炼制是完全利用废物中的能量和价值的一个合适的方法。研究证明，不可回收废弃物和生物固体可通过不同方法转化为可利用的热能、电能、燃料和化学品，并且液体废物或能帮助农作物和藻类的成长，为能量回收和食物生产提供不同的选择。本文针对有机固液废物提出新型生物炼制方案，这些废物来源于城市废料、食品和生物加工厂以及动物生产设施。四大新型突破性科技——真空辅助高温厌氧消化、扩展鱼菜共生系统、含油废物经甘油裂解制取生物柴油和微波辅助热化学转化，均可运用于生物炼制方案中，从而成功将废物转化，用以生产化学品、化肥、能量（沼气、合成气、生物柴油和生物油）、食物、饲料，得到干净的水并显著减少污染物的排放。