封面介绍
自从第一只克隆羊多利诞生以来，克隆技术就引起人们的极大关注。体细胞核移植（somatic cell nuclear transfer, SCNT）技术是动物克隆的关键技术，尽管近年来该技术得到不断进步，但由于SCNT操作过程非常复杂，因此该技术的克隆效率却很低。这种低成功率显著制约了克隆技术的广泛应用。SCNT是一种复杂的细胞手术，操作技能水平的高低对细胞后续活力有显著影响。因此，改进SCNT的操作技能非常重要。基于细胞内应变评估的机器人批量SCNT 系统的研究发表于“微纳米操作与表征”专题中。首次展示了机器人批量SCNT系统生产的一批克隆仔猪，该系统达到了优于人工操作的操作效果。机器人系统提供的一致操作和智能操作策略将减少SCNT中潜在的细胞内损伤，最终提高克隆效率。
磁驱动方法具有无线连接和高安全性的特点，是一种常见的微型机器人驱动技术，适用于微流体操作以及医疗微型机器人导航等应用。然而，由于微型机器人或被驱动的目标暴露在同一片磁场环境中，使得选择性地控制单个机器人或多个目标中的某一部分变得具有挑战性。本文回顾了磁场驱动的多微型机器人或多关节微型机器人系统的选择性和独立控制方法的最新进展。这些选择性和独立的控制方法将全局磁场解码为特定配置，用于多个微型机器人的独立驱动。这些方法包括将机器人设计成具有与众不同的物理属性或者在工作空间中的不同位置产生性质各异的磁场。对选定目标的独立控制使多个微型机器人能够有效协作以完成更复杂的操作。本文从一个独特的视角来解释如何在磁场中操纵单个微型机器人以在小尺度机器人中实现高水平的群体智能，这有助于加速微型机器人技术在现实生活中应用的转化和发展。
一维（1D）材料（如纳米管和纳米线）的黏附行为在集成一维组件的新型设备以及基于一维阵列的仿生黏合剂的有效制造、功能和可靠性中起着决定性的作用。本文总结并批判性地评估了最近的实验技术，旨在表征由一维材料形成的界面（包括当这些材料与基底或相邻的一维材料接触时）的黏附行为。讨论了
一维材料表面的构象以及相关的多粗糙体接触的发生，并探讨了界面附着和分离过程中黏附和摩擦的耦合。考虑了在纳米复合材料中使用一维材料作为增强剂以及相关的界面表征技术。仔细研究了样品制备和黏附力测试过程中存在的环境条件影响一维界面相互作用并最终改变一维材料的黏附行为的可能性。最后，简要介绍了当前的挑战和未来的方向，包括对测试环境以及通过表面改性改变黏附力的系统的研究。
自1996 年第一只克隆羊诞生，克隆技术由于在动物育种方面的巨大潜力而得到了很大关注。体细胞核移植技术是动物克隆的核心，其操作过程非常复杂，不可避免地造成细胞内损伤。通常来说，只有不到1%的重构胚胎能够发育成克隆动物，克隆的低成功率是制约其广泛应用的主要原因之一。为此，本文提
出了一种基于细胞内应变评估的卵母细胞去核方法，以减少体细胞核移植中的潜在细胞内损伤，从而提高克隆成功率。首先，根据细胞内速度场计算细胞内应变，进而将内应变作为评价标准来改进去核操作；在此基础上，开发了一套机器人批量体细胞核移植系统，用于实现机器人化克隆。实验结果表明，本文方法将体细胞核移植后的胚胎囊胚率从10.0%提高到20.8%，并成功获得17 头克隆小猪。这是世界上首批由机器人完成克隆操作获得的克隆动物。对比手动核移植操作，本文将克隆成功率从平均0.73%提升到了2.50%，大幅提升了克隆效率。与此同时，基于细胞内应变的去核方法有望应用于其他生物操作，并建立一种通用的减少细胞内损伤的细胞操作规范。
本文介绍了一种基于磁驱动正交悬臂探针（magnetically driven-orthogonal cantilever probes, MD-OCP）的三维原子力显微镜（three-dimensional atomic force microscopy, 3D-AFM）表征方法，该方法采用两个独立的三自由度纳米扫描器，能够实现探针沿可控矢量角度跟踪扫描样品表面。该3D-AFM系统还配备了高精度旋转台，可实现360°全向成像。定制的MD-OCP包含水平悬臂、垂直悬臂和磁珠三部分，其中磁珠可在磁场中机械驱动OCP实现激振。垂直悬臂具有一个突出的针尖，可检测深槽和具有悬垂/凹边特征的结构。本文首先对MD-OCP的设计、仿真、制造过程和性能分析结果进行了描述；然后，详细介绍了探针振幅补偿和360°旋转原点定位的方法。接着，使用标准AFM阶梯光栅进行对比实验，并结合三维形貌重建方法完成了图像整合，验证了所提出方法面向陡峭侧壁和拐角处细节的表征能力。通过对具有微梳结构的微机电系统（MEMS）器件进行3D表征，进一步证实了所提出的基于MD-OCP的3D-AFM技术的有效性。最后，该技术被用于确定微阵列芯片的关键尺寸（critical dimensions, CD）。实验结果表明，所提出的方法可以高精度地获取三维结构的CD信息，相比难以获得侧壁信息的二维技术，该方法在3D微纳制造检测领域具有更好的潜力。
本文报道了采用一种集成了力感应和液体交换功能的微流控芯片来测量单细胞力学性能的方法。使用光学镊子操纵和定位在推力探针和力传感器探针之间的单个细胞。这两个芯片上的探针被设计用来捕获和使细胞变形。通过移动由外力驱动的推力探针，而使单个细胞变形。层流在探针之间形成液-液界面以改变细胞外环境。通过控制注入压力来改变界面的位置。通过调整两个正压力和一个负压力来平衡流动的扩散和扰动。在微流控芯片中测定了不同渗透浓度环境下的单个集胞藻（Synechocystis）菌株PCC 6803 的力学性能。在0.3~0.7 s 内实现液体交换过程，同时也显示了单个细胞的动态变形。可以在30 s 内收集不同渗透浓度下两个杨氏模量值的测量结果以及单个细胞在渗透压冲击下的动态响应。研究了野生型（WT）和突变型集胞藻细胞的动态变形，揭示了机械敏感（MS）通道的功能机制。该系统提供了一种监测单个完整细胞响应快速外部渗透变化的实时力学动力学的新方法；因此，该系统为准确描述细胞中MS通道的生理功能提供了新的机会。
微藻是一种体积微小的真核生物，可通过叶绿素a 的光合作用将二氧化碳转化为多种生物活性物质。在过去的10 年中，有关活体微藻和由其他生物相容性成分组成的生物杂化材料在解决许多医学难题，如肿瘤治疗、组织重建和药物输送方面显示出巨大的潜力。固定在常规生物材料中的微藻可以长时间维持其光合活性，从而在局部提供氧气，同时也可作为调节细胞活性的生物相容性界面材料。微藻的运动性还激发了生物杂化机器人的发展，其中药物分子可通过非共价键吸附结合至微藻表面，并通过精确控制其运动轨迹将药物输送到目标区域。此外，微藻的自发荧光、趋光性和生物质生产特性可以被整合到具有多种功能的新型生物杂化材料的设计中；通过基因工程改造的微藻可以赋予生物杂化材料新的特性，如特异性细胞靶向能力和从藻类细胞中局部释放重组蛋白。这些技术有望促进微藻基生物杂化材料（MBBM）在多个生物医学领域的临床应用。本文总结了MBBM的制造、生理学和运动能力；然后，回顾了MBBM近年来在生物医学领域的典型应用报道；最后，对MBBM的挑战和未来前景进行了讨论。
本文成功开发了一种具有泵送控释特性的θ形双腔室肠靶向海藻酸钙基微胶囊，囊壁为海藻酸钙-壳聚糖/精蛋白/二氧化硅（ACPSi）复合壳，为封装的药物在胃环境中提供了良好保护，实现药物的肠靶向释放。该θ形微胶囊由含药室和助推室两个腔室组成：含药室负载疏水药物吲哚美辛，其囊壁内嵌肠溶性
羟丙甲基纤维素邻苯二甲酸酯（HPMCP）微球，作为“微阀门”（micro-valves）；助推室包封助推剂聚丙烯酸（PAA），在肠液环境中，PAA发生溶胀，可提高吲哚美辛释放速率。结果显示，载药的θ-ACPSi 微胶囊在模拟胃液（pH值为2.5）中，吲哚美辛的释放率小于1%。然而，进入模拟肠液（pH值为6.8）时，含药室囊壁中的HPMCP微球溶解，释药“微通道”（microchannel）被打开，同时助推室中的PAA发生溶胀，为药物的释放提供推动力。结果，吲哚美辛在小肠中以恒定的速度释放60%以上。因此，该θ-ACPSi 微胶囊具有良好的泵送和肠靶向控释性能，为口服肠道靶向给药系统的开发提供了一种新策略。
材料科学研究正在进入“机器学习+大数据”为标志的数据驱动范式阶段，预示着以机器学习为代表的智能系统融入传统的材料科学计算，具备数据挖掘和知识发现的智能驱动能力。在此，本研究通过在天河一号超级计算机系统上构建的为催化材料专门设计的典型平台案例，生动地阐明了第五范式的本质，旨在促进第五范式在其他领域的发展。第五范式平台主要包括模型自动构建（原始数据提取）、指纹自动构建（神经网络特征选择）以及跨学科知识串联的重复迭代（“火山图”）。与分解一起进行的是对迭代中实现的体系结构的性能评估。通过讨论，第五范式的智能驱动平台可以极大地简化和改进研究中极其繁琐和具有挑战性的工作，并通过补偿机器学习中样本的不足，以及替代一些计算资源不足导致的数值计算，实现数值计算与机器学习的相互反馈，加快探索过程。跨学科专家的协同作用和对实时数据需求的急剧增长仍然是一个挑战。我们相信，对第五范式平台的关注可以为其在其他领域的应用铺平道路。
先进工业的快速发展正在引发化学品生产模式的变革。生物制造是在细胞及其组分介导下进行物质加工与合成的绿色先进生产方式，具有原子经济性高、副反应少、过程需求适应性强及环境友好等优势，可以革新加工原料供给、强化和优化生产过程、提升产品质量。生物制造的重要性在他汀类药物的发现、发
展和创新过程中得到了有力体现。他汀类药物作为治疗和预防心脑血管病的基石，开创了心脑血管病治疗的新纪元，在人类医药发展史上具有重要意义。从微生物发酵生产第一代他汀类药物、生物合成生产第二代他汀类药物到化学-酶法合成第三代他汀类药物，可以看到生物制造技术对他汀类药物的巨大推动力，对变革生产路线与生产工艺、降低碳排放、提高生产效率具有重要意义。随着前沿生物制造技术的发展及与多学科的交叉融合，生物制造技术将形成他汀类药物新的生产力，进一步推动其健康可持续发展。
电流变（ER）技术是一种基于电流变效应的先进技术。电流变技术中最常见的材料是电流变液（ERF）。电流变液是一种软物质智能材料，可以通过施加电场来可逆地调节其黏度。电流变液的衍生物，即一种新型的电响应软物质材料——电流变弹性体（ERE），由于其不沉降、易封装的优点也得到了越来越多的关注。电流变材料由于其可逆可调、快速响应、低能耗等特性在机械工程中有着广泛的应用。除了基础的电流变材料的合成和应用以外，电流变技术还应用在了能源材料制备、石油运输、储能等诸多领域。电流变技术在能源领域的应用为其在其他领域的潜在应用提供了一个很好的范例。本文结合最新的研究成果，从机理到应用，系统地综述了电流变技术在材料、能源和机械工程等领域的研究现状和未来发展前景。
当前，在应对全球能源枯竭与环境恶化之际，可持续且环境友好的可再生能源正迎来重要的发展机遇。以二次电池为代表的电能存储（EES）技术，可实现绿色新能源安全且经济有效的存储和转化，被视为可平抑可再生能源间歇性并实现稳定并网输入的最佳解决方案。钠离子电池（SIB），受益于钠资源的丰富
性及低成本，是下一代大规模电化学存储系统最具应用前景的选择之一。本文详细讨论了锂离子电池（LIB）和钠离子电池在不同应用场景下的主要区别，并描述了当前对钠离子电池的理解。通过比较锂离子电池、铅酸电池（LAB）和钠离子电池之间的技术发展情况，进一步揭示钠离子电池的优势。本文以基于钠离子电池技术所取得的商业化成就为文章亮点，重点介绍了五家钠离子电池企业和相应的钠离子电池产品，以及各自的钠离子电池化学与技术。最后，讨论了下一代钠离子电池商业化的前景与挑战。
随着智能电网和能源互联网的发展，大规模实时电压/电场监测成为电力系统的迫切需求，这依赖于先进传感器件的大规模布置。电场测量在电力系统中具有重要意义。一方面，基于电场测量的电压反演可以实现高电压的非接触式测量，替代传统高压互感器，从而减少测量设备绝缘成本和安装难度；另一方面，电场测量还可以被应用于设备故障诊断、雷电预警、电磁环境测量等应用场景。传统的电场测量设备，如场磨等，往往体积大、成本高，无法大规模灵活布置。本文提出了一种静电力驱动的压阻式微型电场传感器。传感器被设计为四悬臂结构，悬臂在静电力的驱动下产生位移和应变，通过压阻材料转化为可测信
号。所提出的传感器具有尺寸小、成本低、功耗低、易于批量生产的优点。同时，该传感器还具有高信噪比、高分辨率及宽电场测量范围的特点。实验结果表明，所提出的传感器具有1.1~1100.0 kV·m−1的线性测量范围、112 V·m−1·Hz−1/2的交流电场分辨率以及496 Hz的截止频率。这一微型电场传感器将在智能电网及能源互联网中具有广泛的应用价值。
利用生物质燃烧产生电力是贫困地区解决照明、通信和医疗等基本需求的重要方式。本文开发和测试了一种高功率便携式生物质燃烧驱动的温差发电机（biomass-combustion-powered thermoelectric generator, BCP-TEG），详细研究了其温差分布、功率负载特性和不同层级的效率，并开展了现场应用测试。研究结果发现该温差发电机在自身质量为7.6 kg 的条件下可同时产生750 W的热力和23.4 W的电力，热电联供效率达到32.3%。温差发电机的发电净功率密度为2.41 W·kg−1，均高于文献报道的所有基于闭式循环冷却的发电净功率密度。此外，利用本文开发的温差发电机，燃烧1 kg 的木条所发出的电能可充满一个容量为6.2 A·h 的3.7 V锂电池。最后，本文详细讨论了BCP-TEG 研究领域存在的问题和未来可研究的方向。
我国平原河网地区地势低洼，河道比降平缓，水动力弱，加上密集的人类活动，水安全问题十分突出，比如洪涝频发、水体自净能力差、水生态系统脆弱等。本文研究发现这些问题都与水动力有关，水流能量时空分布失衡是产生这些水问题的共同本源。由此，创建了平原河网区水动力重构理论。该理论在水量调控的基础上，深挖水动力及有限能量在水生态环境改善中的作用，优化布局水闸、泵站等水利工程体系，充分挖潜工程的综合效益。通过重构水动力时空分布来满足平原河网区复杂水问题统筹治理的需求。在此基础上，建立了完整的弱动力平原河网区多尺度水动力重构、多目标水力调控的理论方法和技术体系，提出了平原河网区水问题统筹治理原则。最后以扬州主城区河网活水提质为例，介绍该理论的实际应用及效果。
评估复杂水文预报的不确定性来源对于深刻理解和改进水文预报精度至关重要。以往研究较少关注多源不确定性对气象水文预报复杂过程的影响。本研究提出了一种通用的基于贝叶斯模型平均法（BMA）的集合框架，用于评估多源不确定性对气象水文预报全过程的影响。采用全球大集合预报系统（TIGGE）的8 种数值天气预报产品、4 种完全不同结构的水文模型和1000 组参数分别考虑来自输入、结构和参数的不确定性。中国金溪池潭站以上流域的实际应用表明：气象水文预报中数值预报输入的不确定性比水文模型的不确定性更大，水文模型结构的不确定性则明显大于模型参数的不确定性。洪峰流量预报的精度与数值天气预报的精度紧密相关，水文模型结构和参数及其交互作用则是枯水期流量预报的主要不确定性来源。当同时考虑三种不确定性来源时，径流过程预报精度更高。通过考虑复杂预报过程的主要不确定性源，基于BMA集合预报的预测精度更高，并可降低其他因素带来的不确定性。本文提出的多源不确定性评估框架可以较好地提升对气象水文预报过程的理解，在提高复杂水文预报精度方面具有广阔的应用前景。
径流预测对防洪具有重要意义。然而，由于径流过程的复杂性和随机性，很难准确预测日径流量，尤其是洪峰径流量。为此，本研究提出了一种用于日径流预测的增强型长短期记忆（LSTM）模型，其中集成了特征提取器并引入了新的损失函数。具体而言，为每个气象站建立由三个LSTM网络组成的特征提取器，旨在提取每个气象站输入数据的时间特征。此外，两个损失函数[ peak error tanh（PET）、peak error swish（PES）]用来增强峰值径流预测的权重，同时减少正常径流预测的权重。本研究以中国淮河流域上游为研究对象，利用增强型LSTM模型进行1960—2016 年的日径流预测。结果表明，增强型LSTM模型表现良好，纳什效率系数（NSE）在验证期（2005 年11 月至2016 年12 月）达到了0.917~0.924，优于广泛使用的集总式水文模型（AWBM、Sacramento、SimHyd、Tank Model）和数据驱动模型[人工神经网络（ANN）、支持向量回归（SVR）、门控循环单元（GRU）]。以PES 作为损失函数的增强型LSTM在极端径流预测方面表现最佳，在洪水期间的平均NSE为0.873。此外，海拔较高的气象站的降水比距离出水口最近的气象站对径流预测的影响更大。该研究可为流域日径流预测提供有效工具，为流域防洪和水安全管理提供技术支持。
信息化社会背景下，土木工程科学与技术的发展正经历着深刻的变革，为传统建筑业的转型升级提供了千载难逢的历史性机遇。借助材料科学、计算机、人工智能和自动化控制等领域的前沿技术，新一代交通基础设施正朝着智能化方向快速发展，全球主要发达国家均因地制宜地大力推动以该方向为核心的交通基础设施行业革新战略。本文首先简述了交通基础设施智能化的基本定义、科学内涵和发展历程；然后以全生命周期为主线，系统梳理了交通基础设施在设计、施工、运维和消纳4 个阶段中智能化技术的发展现状以及当前所面临的主要挑战；接着以世界首条基于智能化理念建造的铁路——京张高速铁路为例，综合展示了智能化技术的最新成就；文末从标准体系、理论方法和人才培养三个维度对交通基础设施智能化领域的未来发展趋势进行了展望。
基于过一硫酸盐的非均相催化活化技术在废水处理中越来越受到关注。因此，找到一种可持续、经济、有效的活性材料用于废水处理非常重要。本研究以金属有机框架材料（MOF）-5 为前驱体，通过添加镍离子并随后煅烧制备了一种稳定、可循环利用的材料ZnO@Ni3ZnC0.7，该材料表现出良好的吸附和催化性能。为了研究和优化实际应用条件，选择了罗丹明B（RhB）在水中的降解作为模型过程。研究表明，体系中有机物的去除涉及吸附和降解过程的耦合。基于此，提出了整个去除过程的机理。扫描电子显微镜、红外光谱分析和理论分析的结果证实，范德华力、静电吸引力和氢键影响吸附过程。电子顺磁共振分析、遮蔽实验和电化学测试证实，RhB的降解路径包括自由基和非自由基途径，表面羟基是关键的活性位点。对吸附底物的降解使活性位点得到再生。用简单方法再生的材料在4 个循环测试中对有机化合物保持很高的去除效率。此外，这种材料还可以有效地去除各种有机污染物，并且由于具有磁性，材料易于回收。结果表明，使用具有良好吸附能力的非均相催化材料可能是一种经济有效的策略。
针对石油烃污染的厌氧环境，利用微生物的代谢作用将石油烃转化为甲烷是一种潜在的生物修复策略。然而，目前对于微生物厌氧烃降解产甲烷的机制尚不清楚。经过10 年的持续富集和转接培养，获得了一种能够降解正构烷烃（C15~C20）并且产甲烷富集培养体系。经过转接培养后，该培养物甲烷生产的动力学特性得到了持续的提高。综合宏基因组和宏转录组的分析结果，发现正构烷烃主要通过Desulfosarcinaceae、Firmicutes 和Synergistetes 菌，利用富马酸加成的方式进行起始活化，然后在Tepidiphilus 菌的协同作用下进一步降解。同时，体系中含量较多的Anaerolineaceae 菌主要负责死细胞生物质的回收。根据宏转录组学分析结果，甲烷主要通过H2依赖的甲基营养型产甲烷途径产生，主要由候选门Verstraetearchaeta 内的Methanomethyliaceae 利用死细胞生物质回收代谢过程中产生的三甲胺来产生甲烷。这些发现表明，依赖H2的甲基营养产甲烷菌以及甲基营养产甲烷菌可能在含石油烃的地下生态系统的碳循环过程中发挥着重要的作用。
DNA不仅是生命遗传信息的载体，而且是一种高度可编程和自组装的纳米材料。不同的DNA结构与其生物学和化学功能有关。因此，了解各种DNA结构的物理和化学性质在生物学和纳米化学中具有重要意义。然而，群体分子实验忽略了溶液中DNA结构的异质性。单分子分析方法是观察单个分子的行为和探测自由能态的高异质性的有力工具。本文介绍了单分子检测和操纵等单分子分析方法，并讨论了这些方法如何用于测量单/双链DNA（ss/dsDNA）、DNA高阶结构和DNA纳米结构的分子性质。最后，将DNA纳米技术和单分子分析方法进行结合以了解DNA和其他生物物质、软物质的生物物理特性。