本文提出了一种具有环形接收区域的微波无线能量传输发射天线口径场分布设计方法。该设计的目标是最大化辐射到环形接收区域上的微波功率与总传输功率的比值。通过将口径场幅度分布表示为一组特殊级数的求和，可将该最优设计问题简化为寻找两个实二次型的最大比值。基于矩阵论，可通过确定最大特征值及其对应的特征向量来解决该优化问题。为满足安全要求，将接收区域外的峰值辐射电平视为额外约束。为解决该约束优化问题，提出了将灰狼优化算法和Nelder-Mead单纯形法结合的混合优化方法。为证明所提方法的有效性，首先，对连续口径场分布进行数值仿真实验。然后，使用离散阵列天线来验证优化结果的正确性，其中单元假设为各向同性的点源。最后，采用微带贴片阵列来进一步验证所提出方法的有效性。
本文提出了一种基于近似分析方法的环缝天线罩带内和带外微波无线功率传输特性分析方法。本文的主要贡献是对环形天线罩的近似分析，推导了E平面和H平面扫描时天线罩表面入射场的统一表达式，并将环形天线罩近似分为30段直条。求解相应的60 × 60线性方程得到了沿环形带的电流分布。沿着互补槽环的磁电流是通过对偶获得的。得益于电流分布的全解析格式，使用Munk方案有效地计算了微波无线功率传输特性。以环缝双层对称混合天线罩为例，验证了该方法的准确性和有效性。HFSS和所提出的方法的CPU计算时间分别约为690 s和2.82 s。
人-机器人协作由于人和机器人的优势互补而成为一个新兴的研究领域。本文提出了一种基于阻抗控制人机协作理论框架。在人机理论协框架下，人是决策者，机器人是执行者，装配任务提供环境约束。机器人是执行装配动作的主要执行者，具有位置控制、拖动控制、正阻抗控制和负阻抗控制等方式。为了揭示人机协作框架的特点，本文讨论了不同控制模式的切换条件图和人机协同耦合系统的稳定性分析。最后进行了人机协作装配实验，在装配公差为0.08 mm或配合过盈配合时，均可完成装配任务。实验表明，人机协同装配具有人与机器人的互补优势，能够有效地完成复杂的装配任务。
地下地热能储存在封存容量和封存周期上比其他储能策略更具有潜力。二氧化碳（CO2）由于其优越的热力学属性而被视是一种极具潜力的储能介质。此外，利用CO2羽流进行地热储能可通过将CO2储存于地质体中来缓解温室效应。本文提出了一个协同地热能储能和二氧化碳封存利用的一体化框架：CO2首先被注入到地热层以进行能量积累。然后，将产生的高能CO2引入到目标油藏中，用于CO2利用和地热能储存。最后，将CO2有效地封存在地质油藏体中。结果表明，随着高能CO2的注入，整个目标油藏的平均温度大幅度提高。在地热能的协助下，CO2的地质利用率更高，从而使驱油效率提高了10.1%。根据对模拟CO2场地的封存潜力的评估，CO2注入110年后，地质体的利用率将高达91.2%，场地内CO2的最终注入量将高达9.529 × 108 t。经过1000年封存，超临界相在CO2封存中占主导地位，其次是液相，然后是矿化相。此外，由于残余油的存在，用于溶解捕获的CO2封存量显著增加。更重要的是，CO2在大规模储存地热能方面表现出优异的性能；例如，在所研究的地质体中储存的总能量每年可为超过3.5 × 107户正常家庭提供能源供应。采用这种一体化方法对大规模地热能储存以及到2050年实现碳中和目标具有十分重要的意义。
O2还原反应原位电合成H2O2的利用为难降解废水的传统芬顿处理提供了一种有前景的替代方案。然而，氧气传质效率低、阴极催化剂选择性差以及电子传递动力学缓慢仍然是其主要的工程障碍。在此，我们基于新型ZrO2/CMK-3/PTFE阴极的制备，提出了一种系统解决方案，旨在高效电合成H2O2并将其应用于电芬顿降解难降解有机物。采用聚四氟乙烯作为疏水改性剂以增强电极的O2传质，采用ZrO2对电极进行亲水改性以增强O2还原的选择性及电子传递，采用介孔碳CMK-3作为催化剂基底以提供催化活性位点。此外，还设计了一O2扩散室，以强化O2从疏水层向亲水层与反应界面的接触。研究结果表明，与相同条件下的传统气体扩散阴极相比，所制备的ZrO2/CMK-3/PTFE阴极的H2O2产率提高了约7.56倍。在−1.3 V vs. SHE（对应的电流密度为−252 mA·cm−2），H2O2的产率和法拉第效率分别高达125.98 mg·cm−2·h−1 (5674.04 mmol·g−1·h−1)和78.24%。高的H2O2产率确保了系统中充足的•OH产生，进而实现了优异的电芬顿性能，使难降解有机物的降解效率超过96%。这项研究基于原位高效电合成H2O2，为利用电芬顿技术高效处理难降解废水提供了一种新颖的工程解决方案。
水中微污染物的深度去除是环境工程领域的重大挑战。受限于低浓度和高毒性等污染特征，传统水处理策略难以实现这类污染物的有效去除。基于此，本文提出了流体电化学靶向诱生硫酸根自由基（SO4•–）的研究设想，通过构筑穿透式电化学反应系统，实现了阳极将硫酸根离子（SO42−）氧化生成过硫酸根（S2O82−），再通过阴极还原反应将S2O82−转化为SO4•–。开展了流体电化学系统构造原理、硫酸根自由基靶向生成机制和微污染物降解机理等相关研究。结果表明，在最优实验条件下，该系统可在单次流模式下实现苯胺的高效降解（100%）和总有机碳的有效去除（65.0%）。该系统在宽pH范围内和复杂水基质条件下均能实现多种微污染物的有效去除。本工作基于“以废治废”理念，结合了膜分离和电化学的技术优势，有望为水中微污染物的深度去除提供一种潜在可行的技术选择。
调控太阳能界面蒸发系统的供液量增强局域热效应是提高其效率的有效途径。然而，由于海水淡化过程中容易盐结晶导致阻塞，在控制供液量实现局域加热过程中存在结盐的临界点，在本研究中，利用简便、可尺寸化的编织技术制备了可调控供液速率的芯鞘结构基光热纱线，实现稳定、高效的太阳能界面蒸发同时防止盐结晶。芯-鞘结构纱线由莫代尔纤维作为芯，碳纤维作为鞘。由于芯-鞘的结构设计，在碳纤维内部的超亲水莫代尔纤维可实现高效的液体输送。芯鞘结构纱线中碳纤维将芯纱完全包裹覆盖使得其编织物在整个太阳光波段具有较高的吸光性（92%）。在一个太阳光（1 kW·m−2）下，通过调节芯鞘纱线内莫代尔纱线的股数，可以使此系统的蒸发速率达到2.12 kg·m−2·h−1，能量转换效率达93.7%。实际应用测试表明，此太阳能界面光热系统可以在5%（质量分数）的NaCl溶液中保持高效稳定的海水淡化性能。
微针能直接将治疗药物递送到皮肤病变部位，从而提高治疗效果和降低副作用，因而可用于皮肤疾病的局部治疗。微针可以递送不同种类的治疗药物（如小分子药物、大分子药物、纳米药物、活细胞、细菌和外泌体）来治疗各种皮肤疾病，包括浅表肿瘤、伤口、皮肤感染、炎症性皮肤病和异常皮肤外观。微针的治疗效率可以通过以下几种策略来提高：①整合不同治疗方法的优点来进行联合治疗；②对微针的结构进行仿生设计或者赋予微针内外源响应性释药性能来提高药物的经皮递送效率。一些研究提出将无药物微针发展为一种有前景的机械治疗方法，即通过微针的机械刺激产生机械转导信号来促进伤口愈合、疤痕消退和毛发再生。虽然微针具有诸多优点，但微针的实际应用还存在工业化生产和临床评价难等问题，进而制约微针的临床转化。本文总结了微针在皮肤疾病中的各种应用、新出现的挑战和发展前景，为微针的临床转化思路提供借鉴。
氨基转移酶是一种能够催化前手性酮或醛不对称胺化生成相应的手性胺的生物催化剂。然而，活性和稳定性之间的“trade-off”效应限制了其在工业生产中的应用。因此，开发克服这种相互抵消的“trade-off”效应的普适方法以及获得高效催化的氨基转移酶具有重要意义。对此，我们针对土曲霉属氨基转移酶（AtATA）的底物结合口袋进行共进化改造，以确定控制AtATA对1-乙酰基萘活性和稳定性的关键氨基酸。通过多轮实验筛选，我们发现了一个含四个关键氨基酸位点（R128，V149，L182和L187）的“结构开关”， “最佳”突变体（AtATA_D224K/V149A/L182F/L187F; 命名为M4）。与亲本酶AtATA_D224K（AtATAPa）相比，M4的催化效率（kcat/Km1-乙酰基萘，其中kcat是催化活性常数，为10.1 min-1，Km1-乙酰基萘是米氏常数，为1.7 mmol·L-1）和半衰期（t1/2）分别增加59倍和1.6倍。此外，在50 mL反应体系中，M4催化20 mmol·L-1 1-乙酰基萘，反应10 h后可获得产率为78%的目标产物(R)-(+)-1-(1-萘基)乙胺（(R)-NEA），对映体纯度达到R > 99.5%。同时，M4还显示出对各种1-乙酰萘酮类似物显著增强的催化活性。通过结构和序列信息分析，进一步发现分子内相互作用的加强以及底物结合口袋和5’-磷酸吡哆醛（PLP）结合口袋之间的角度扩大是AtATA热稳定性和活性同步增强的重要原因。最后，口袋工程策略也将增强的活性和热稳定性成功地转移到其他三个序列相似性介于8%~22%之间的氨基转移酶中。这项研究对于克服ATA活性和热稳定性之间的权衡具有重要意义。