2025年, 第58卷, 第05期　
刊出日期：2025-05-15

  

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  脑电信号中人工耳蜗伪迹去除技术的研究进展

  倪广健, 郑琪

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 441-451.

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  人工耳蜗(CI)作为一种先进的神经假体，为重度至极重度听力损失患者提供了听力恢复的可能性．然而，目前CI患者植入后临床听觉康复评估结果呈现显著差异性．这种差异可能源于植入后大脑功能的重新组织及其多重因素综合作用．因此，研究人员正在努力开发客观评估方法，以准确评估人工耳蜗植入后大脑的可塑性．脑电图(EEG)由于其与CI的良好兼容性、操作的便捷性和非侵入性等特点，已成为一种具有重大临床应用前景的听觉康复客观评估手段．然而，CI的电刺激产生的大量伪迹对EEG信号的质量构成了严重干扰．这些伪迹使神经响应扭曲，难以从EEG记录中提取出准确可靠的大脑活动数据．目前，这一问题已成为利用脑电技术进行临床应用的主要障碍．以往研究中已尝试采用若干技术来降低伪迹的影响，但至今相关方法仍缺乏共识，且这些方法在广泛临床应用中的适应性仍有待验证．本文首先对CI伪迹的特性及其在EEG信号中的表现进行了详细介绍，进而全面回顾了目前脑电图中减少CI伪迹的处理技术进展，包括线性和非线性方法、时频分析技术以及基于统计和机器学习的算法等．进一步探讨了不同信号处理技术在实际应用中的效果和适应性，总结了这些技术的优势与局限性，对技术未来发展提出了展望．
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  一种可变阻尼的高冗余机器人设计

  康荣杰, 李子扬, 柴宗君, 杨尚奎

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 452-461.

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  机器人在执行捕获类任务的过程中，碰撞是不可避免的．刚性机构能够让捕获目标快速停止，但是容易因为受到剧烈撞击而造成设备损坏等严重问题；柔性机构虽然能够减小碰撞冲击力，但无法对目标产生足够的停止作用，从而产生强烈的振动，给稳定捕获带来困难．为了克服这种矛盾，在机器人结构中加入变阻尼驱动器是一个较为可行的研究方向．为此，设计了一种可变阻尼的高冗余机器人．该设计采用流体节流原理产生黏滞阻尼，通过改变阻尼孔的截面积来实现阻尼控制．然后，利用牛顿-欧拉动态平衡公式建立了机器人的动力学模型，通过质量集中的方法对机器人的碰撞模型进行简化．对面临不同方向冲击时机器人的动量变化以及受到的冲击力进行了计算和仿真，探索影响其大小的因素．结果表明，当机器人姿态正对着冲击物体的速度方向时动量变化最大，当机器人姿态与冲击物体的速度方向大致垂直时受到的冲击力最小，而机器人本身的阻尼越大，受到的冲击力越大．在此基础上，提出捕获效能指标，采用粒子群优化算法对动量和冲击力进行了综合优化，使得所设计的机器人能够在对冲击物体产生较大停止作用的同时尽可能减小自身受到的冲击力．最后，通过实物模型对仿真结果进行了验证，证明了本文模型的正确性．
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  面向AUV水下回收的仿花瓣机械爪设计与水池试验

  刘玉红, 张大卫, 苑满星, 边德勇, 郑竹玉

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 462-468.

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  随着海洋开发与利用区域不断向深、远海延伸，自主式水下航行器(AUVs)长期水下作业需求也愈发紧迫，因此，开展隐蔽、快速、安全的AUV水下回收技术研究具有重要的意义．针对AUV水下移动对接回收需求，同时基于现有水下移动对接回收装置末端执行机构的特点，受牵牛花瓣结构形状及开合运动规律启发，并结合空间折展机构，提出并设计了一款新型机械手式AUV水下回收装置末端执行机构——仿花瓣机械爪．仿花瓣机械爪主瓣可实现主动张合，带动可折展副瓣收拢与张开，结合主瓣上的被动柔性指可实现对AUV的牢固抓取．通过对仿花瓣机械爪的运动学分析获得了其运动规律及运动参数，机械爪主、副瓣面展开角均随电推杆行程的增加而减小，其变化范围分别为[0°，32°]和[0°，23.8°)，完全展开后，花瓣最大开口尺寸为657 mm．通过水池试验验证了仿花瓣机械爪的预期运动及抓取效果；同时还探讨了机械爪偏心距离、机械爪开角及闭合速度对回收效果的影响．结果表明：偏心距仅对回收时间有较大影响，偏心距越大回收时间变长；而机械爪开角及闭合速度则主要影响最大碰撞力与回收时间，且机械爪闭合速度过快不利于成功回收．
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  基于扩张状态区间观测器的伺服进给系统故障诊断

  王国锋, 康子琳, 盛延亮, 黎德才, 户满堂

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 469-476.

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  伺服进给系统是高端数控加工装备的核心组件，对其故障准确诊断可以有效提高加工装备的工作效率．基于模型的方法能够深入了解系统本质，减少因对系统整体性考虑不足导致的故障漏报，在伺服进给系统的故障诊断中得到广泛应用．其中，基于模型的区间观测器(IO)方法有便于生成观测阈值的优点，但其区间宽度的计算过于依赖经验知识，应用于实际系统易造成故障误报或漏报．针对IO的区间宽度计算方法进行改进，通过引入扩张状态优化区间宽度的计算，降低人为经验对区间宽度的影响，提出扩张状态区间观测器(ESIO)，以进一步减少故障漏报或误报，提升故障诊断性能．首先，将系统的集总干扰以扩张状态的形式通过观测器进行估计；其次，将估计所得的集总干扰输入IO并进行迭代，代替原始IO中受人为经验影响的干扰范围；在此基础上，通过量化干扰项自动计算区间，得到ESIO．通过实验验证在不同故障类型下基于ESIO进行故障诊断的效果，并与基于IO的故障诊断结果进行比较．实验结果表明：在对伺服进给系统的故障诊断中，提出的ESIO方法改善了区间宽度过于依赖人工经验的问题，相比于IO方法，ESIO的区间宽度缩小了5.21%，能够更有效地识别故障.
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  振荡线圈作动器式主动液阻悬置参数在线辨识

  范让林, 刘东川, 贾博森, 黄启业

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 477-486.

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  主动液阻悬置在长期使用过程中，其物理参数会受到温度变化、老化等因素的影响而发生偏移，从而导致其性能下降．为确保主动液阻悬置的主动减振性能，提出一种在线辨识方法来准确获取其物理参数．该方法基于传感器数据和信号处理算法，通过监测主动液阻悬置的运行状态和响应特性来实现参数辨识．首先，根据已有的主动液阻悬置数学模型进行参数分析，选择容易发生变化且显著影响主动液阻悬置减振性能的参数进行在线辨识，并推导出初级通道和次级通道传递特性表达式来描述主动液阻悬置的动态特性．然后，基于卡尔曼滤波(KF)算法进行参数在线辨识原理分析，并在Simulink中搭建基于初级通道和次级通道传递特性的参数辨识模型进行仿真，结果表明，在这两种情况下，KF算法均可以对参数进行准确并快速的辨识，对橡胶主簧体积刚度、橡胶主簧泵液活塞面积、动子质量、解耦膜黏性阻尼4个参数辨识的结果偏差最大为5.18%，基于初级通道和次级通道的参数辨识时间分别为0.30 s和0.25 s．最后，基于次级通道传递特性进行参数在线辨识台架实验，结果表明，KF算法对这4个参数的辨识精度均可达到90%以上，辨识时间为0.30 s．与仿真结果相比，辨识精度和速度并未出现明显差异，证明了辨识方法的可行性与有效性．本文提出的方法为确保主动液阻悬置的主动减振性能提供了重要参考，并为主动减振技术的发展提供了有效支持．
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  基于顶点邻域双映射的增材制造几何误差预补偿方法

  杨伟东, 蔡子行, 孟德状, 马千朝, 王媛媛, 朱东彬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 487-495.

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  在构建三维零件的增材制造过程中，零件的成形几何精度受到多种因素的制约，导致实际成形零件的尺寸和形状与原始设计的边界表示(B-rep)模型存在偏差．在须依赖于模型分层处理的增材制造工艺中，分层误差和制造工艺误差对于零件几何尺寸的影响最为显著．为了减少几何误差，通常在预处理阶段对STL模型进行误差预补偿．本文提出了一种基于三角网格顶点邻域双映射的误差补偿方法，通过重建STL模型三角网格顶点的拓扑关系，消除冗余信息并优化顶点邻域的三角面片索引链表，并依据三角面片与顶点的法向量方向映射关系，以及几何误差模型预测值与顶点偏移量的距离映射关系，结合三角面片权重计算顶点的误差补偿量，最终生成经过补偿的STL模型．为验证所提出方法的有效性，本文以砂型黏结剂喷射(BJ)工艺为例，对于所设计的多特征砂型标准件进行几何误差补偿前后的实验对比，结果表明：经过补偿后的标准件，其相对误差降幅均在63.00%以上，打印零件的成形精度得到了大幅提升．
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  高温反应堆焊接堵管蠕变-疲劳寿命评估

  徐连勇, 石岩松, 赵雷, 韩永典, 郝康达

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 496-509.

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  本文介绍了在650℃下对采用钨极氩弧(TIG)焊和激光焊的两种堵管接头进行蠕变-疲劳寿命评估的情况，以评价其作为高温反应堆焊接堵管技术的可靠性.首先，采用热弹塑性有限元法计算了两种堵管接头的残余应力.然后，将残余应力结果作为输入条件，计算了堵管接头在正常运行期间的应力松弛行为和不同瞬态下的应变范围.根据时间分数规则(TFR)，计算了TIG焊和激光焊堵管接头在服役过程中的蠕变损伤和疲劳损伤．最后，依据ASMENH和RCC-MRx标准提供的蠕变-疲劳损伤包络线预测了堵管接头的蠕变-疲劳寿命．结果表明，激光焊堵管焊缝的冷却速率比TIG焊堵管焊缝高60%，这导致了激光焊堵管焊缝有更加细化的晶粒和更高的残余应力水平.堵管焊缝根部存在明显的应力集中现象，且为残余拉应力，是堵管接头中最容易失效的位置.在堵管接头服役过程中，由于蠕变变形，残余应力会发生松弛.同时，残余应力的存在会对蠕变应变的产生有显著影响，但随服役时间的延长，残余应力的影响会逐渐减弱.相同的服役时间下，激光焊堵管接头的蠕变损伤和疲劳损伤均高于TIG焊堵管接头，蠕变损伤占主导地位．此外，TIG堵管接头的蠕变-疲劳预测寿命比激光焊堵管接头长20%左右.即使采用最保守的ASME-NH交互损伤曲线，两种堵管接头的蠕变-疲劳寿命也超过了40 a，验证了两种焊接堵管技术的可靠性.
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  钎焊温度对SiC陶瓷低温接头组织和性能的影响

  杨振文, 吴钰洁, 雍臻, 王颖

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 510-519.

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  针对新一代核领域事故容错材料SiC燃料元件包壳的焊接需求，采用低温AgCuInTi钎料成功钎焊连接了SiC陶瓷与Kovar合金，通过优化钎焊工艺参数获得了组织性能最优的SiC/Kovar接头，并对接头的连接机理进行了分析，建立了界面组织-力学性能-断裂行为之间的联系.结果表明，760℃保温10 min的SiC/Kovar钎焊接头的界面组织可以分为3个特征区，即陶瓷侧的反应层、接头中部的钎缝区和金属侧的扩散区.金属母材向液相中溶解的Ni元素同Si C陶瓷反应是接头形成的关键.反应层主要由Ni₃Si₂+Ni₂Si+石墨组成的多层结构，钎缝区主要由Ag（s,s）、Cu（s,s）、Cu₇In₃、Ti Ni₃和Ni₁₆Si₇Ti₆组成，扩散区则主要为（Fe,Co）固溶体和剩余液相形成的Ag（s,s）和Cu₇In₃相.钎焊温度的升高并未改变接头中的相组成，仍可分为3个特征区，但各特征区的宽度变化明显．当钎焊温度由720℃增加至800℃时，金属侧扩散区的宽度增加明显，陶瓷侧反应层的宽度由0.4μm显著增加至8.4μm，而钎缝区的宽度由123μm降低至53μm.接头的抗剪强度随钎焊温度的升高呈现出先增加后降低的变化趋势.当钎焊温度为760℃、保温10 min时，接头的抗剪强度最高为72 MPa.温度的增加导致接头界面中脆性化合物增加，残余应力增大，接头抗剪强度因此下降.断裂发生在钎缝边缘，随后沿着钎缝中的脆性Cu₇In₃和TiNi₃扩展至陶瓷基体，使得接头失效．
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  Zr改性LiNi_0.9Mn_0.1O₂正极材料的制备及电化学性能研究

  李韡, 赵煜埂, 刘婧, 单桂轩, 张金利

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 520-530.

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  锂离子电池具有体积小、工作温度范围宽和高能量密度等特点，已被广泛应用于新能源汽车动力电池、储能等领域．在众多锂离子电池材料中，富镍无钴正极材料LiNi_0.9Mn_0.1O₂（NM）因其优异的放电比容量、较低的生产成本和环境友好性而成为研究热点．但该材料同时也存在循环稳定性差、Li⁺/Ni²⁺混排严重和电解液侵蚀造成的材料结构退化等问题．为了提高NM材料的电化学性能，采用高剪切强化共沉淀法在材料前驱体中嵌入Zr进行改性，研究了Zr嵌入对材料晶体结构与形貌、循环性能、倍率性能、电荷转移阻抗和Li⁺迁移速率等方面的影响．研究表明，在优选的条件下制备出的改性材料LiNi_0.9Mn_0.08Zr_0.02O₂（NM-2Zr）具有优良的层状结构特征和结晶度，Zr改性后提高了材料的Li⁺迁移速率、降低了Li⁺/Ni²⁺混排度．改性材料NM-2Zr的初始放电容量为219.3 （mA·h）/g（25℃，2.7～4.4 V,0.1 C），高于未改性的NM材料(208.3 （mA·h）/g).1.0 C下NM-2Zr的初始放电容量为183.2 （mA·h）/g，循环150圈后容量保持率为87.4%，优于NM材料(178.8 （mA·h）/g,84.6%)．在5.0 C的高倍率下NM-2Zr的初始放电容量为144.8 （mA·h）/g，循环150圈后容量保持率为95.1%，同样优于NM材料(132.5 （mA·h）/g,90.0%)．此外，Zr改性还能显著提高材料的结构稳定性，抑制充放电循环过程中晶间微裂纹的产生和不可逆相变的发生，同时还降低了界面处电荷转移阻抗的增长．
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  微纳米气泡灌溉对设施番茄种植的影响机制研究

  黄俊, 贾琦, 李志杰, 王天志

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 531-540.

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  将富含氧气的灌溉水通过地下滴灌输入到作物根区可实现作物根区土壤水、肥、气和微生境的精量调控，传统的加氧装置产生的气泡粒径较大，致使到达根部的氧气含量较低，已经成为加氧滴灌发展的瓶颈问题之一．微纳米气泡具有在水中上升速度慢、存在时间长的特点，与加氧滴灌技术相结合，可以有效解决灌溉水到达作物根部氧气含量少的问题．基于此，本文以番茄为研究对象，选择定植期、开花坐果期、果实膨大期、盛果期4种生长期的设施番茄进行微纳米气泡灌溉，系统研究微纳米气泡水地下滴灌对设施番茄生长、产量及品质、土壤肥力的影响规律．结果表明，随着加气水平的提高，设施番茄的产量、品质及生长均有所提升，其中设施番茄产量提高显著，达23.98%，这是由于微纳米气泡可主要促进土壤中氮含量的提升，进而极大影响了植物根系中根尖数的数量，有利于根系对土壤中氮、磷、钾的吸收效率，进而提升作物产量与品质，其中可溶性固形物、可溶性糖、维生素C含量分别提高20.31%、34.48%、34.13%．综合考虑，全生育期加气是最为合适的设施番茄加气灌溉模式，该研究可为设施番茄水肥气一体化高效种植提供技术支持．
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  玉米秸秆梯度厌氧发酵耦合热解机制解析

  王智, 孙溪悦, 颜蓓蓓, 李健, 陈冠益

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(05): 541-550.

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  厌氧发酵和热解是生物质处置与利用的主流技术，各具优势．但厌氧发酵周期较长、转化效率低，沼渣处置难，可持续发展受限；热解气化产物复杂、气体热值低．基于此，本研究将热解工艺作为下游沼渣的处置方式以提高原料利用率，并通过发酵时间的梯度控制缩短工艺周期，进而提出生物质适度厌氧发酵耦合热解的新思路．结果表明，厌氧发酵中前期具有较快的产甲烷效率，前5 d的平均每日甲烷产量可达24.43 mL/（g TS），而中后期的工艺效率相对较低，这为梯度厌氧发酵耦合热解工艺提供了契机．此外，适度厌氧发酵对玉米秸秆起到一定解聚作用，有利于促进沼渣热解过程的传热传质；而随着发酵梯度的进一步增加，其结构解聚的促进作用将不能弥补有机质降解对热解气收率产生的负向作用．从耦合系统总能量收率方面来看，随着发酵梯度的增加，呈现出先快速上升后趋于平稳趋势．当发酵梯度为12 d时，耦合系统总能量收率达到9.60 MJ/（kg TS），与后续发酵梯度下耦合系统总能量收率差异并不显著(9.24～9.49 MJ/（kg TS）)，但前者的工艺周期更短．因此，综合时间成本等因素，玉米秸秆适度厌氧发酵（发酵12 d）耦合热解系统呈现最佳工艺性能．该方案下可达到较高的总能量收率，同时获得25.33%质量转化率、24.39%的CO₂排放率以及39.76%的碳效率，可为生物质清洁、高效的处置与利用提供潜在技术路径．