“智能车辆与智慧交通”专题 | Fundamental Research 2024年第5期正式在线出版

Research Article

Domain adaptive semantic segmentation by optimal transport

基于最优传输的领域自适应语义分割

场景分割在自动驾驶的环境感知中得到了广泛应用。本研究开发了一种基于最优传输（OT）和注意力机制的领域自适应框架。具体来说，首先通过卷积神经网络生成输出空间；其次，利用OT在输出空间中实现源域和目标域的更稳健对齐；第三，构建了一个多尺度分割网络来执行领域自适应。最后，所提出的方法与三个基准和四个SOTA方法在三个场景数据集上相比较，平均交并比显著提高，并且在多个领域适应场景下的可视化结果也表明，所提出的方法比语义分割方法表现更好。

Yaqian Guo, Xin Wang, Ce Li, Shihui Ying

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Bi-level ramp merging coordination for dense mixed traffic conditions

用于密集混合交通条件下的双层匝道合并协调

连接和自动驾驶车辆（CAVs）在提高交通效率、减少排放和提高高速公路入口匝道瓶颈处的安全性方面具有巨大潜力。本研究提出了一种用于混合交通的高速公路入口匝道合并的双层协调策略，包括CAVs和人类驾驶车辆，以优化交通流量层面而非车队层面的整体交通效率和安全性。开发的双层策略在模拟案例研究中针对不同交通量和CAV渗透率下提高效率和安全性进行了测试。结果表明，所提出的协调策略预期地解决了混合交通中的不确定性，并在合并效率和交通鲁棒性方面显著改善了匝道合并操作，并减少了碰撞风险和排放。

Jie Zhu, Kun Gao, Hao Li, Zijing He, Cristina Olaverri Monreal

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Are more charging piles imperative to future electrified transportation system?

未来的电气化交通系统是否迫切需要更多的充电桩？

大规模部署充电桩对于未来的电动交通系统是迫切需要的。然而，技术的最新发展可能会显著减少系统所需的充电容量。本研究开发了一种线性规划模型，以评估车辆模块化或无线充电实现车对车（V2V）充电的可能性。研究结果显示，如果V2V充电技术50%效率可用，超过2/3的充电桩投资将被浪费。如果V2V充电效率提高到75%，可以轻松将车辆的电池容量从400公里减少到200公里，这将降低生产成本并提高能源效率。这些结果可能为我们揭示了通往交通电气化的另一条途径。

Xiaobo Qu, Hongzhang Shao, Shuaian Wang, Yunpeng Wang

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The role of intelligent technology in the development of urban air mobility systems: A technical perspective

从地面到天空：智能技术驱动的城市空中交通革命

随着城市交通拥堵日益严重，UAM凭借电动垂直起降飞行器（eVTOL）提供了一种全新的出行模式，旨在通过高效的空中路线缓解地面交通压力。本文详细介绍了智能技术如人工智能、机器学习以及云计算等在UAM系统中的应用，包括飞行控制、安全管理和交通调度等方面。通过这些技术，UAM能够实现更安全、高效的运行，同时也面临着技术成熟度、系统整合及噪音污染等挑战。同时总结了当前的技术进展，展望了智能技术如何塑造未来城市空中交通的可能性，为相关领域的研究和实践提供了宝贵的参考。

Yang Liu, Cheng Lyu, Fan Bai, Omkar Parishwad, Ying Li

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Uncovering the CO ₂ emissions of vehicles: A well-to-wheel approach

电动汽车碳排放是否显著低于燃油汽车？

论文基于城市全量机动车细粒度时空轨迹对燃料生命周期碳排放进行估计，在此基础上分析了不同类型及出行模式机动车的碳排放贡献，探究了机动车碳排放的时空影响因素，并分析了不同情景下各种节能减排政策的效果。研究结果表明，机动车碳排放分布呈现明显的时空和车型异质性，新能源车辆碳排放贡献与其车队占比差异不大。对比分析各类碳减排政策发现，通过合理的政策设计可实现碳减排超70%。论文为机动车碳减排政策制定、道路交通领域“双碳”目标的实现提供了重要支撑。

Zuoming Zhang, Hongyang Su, Wenbin Yao, Fujian Wang, Simon Hu, Sheng Jin

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Hydrophobicity gradient optimization of fuel cell gas diffusion media for its application in vehicles

燃料电池气体扩散介质的疏水梯度优化及其在车辆中的应用

在燃料电池车辆（FCV）运行过程中，气体扩散介质（GDM）中的液态水阻止了反应气体到达反应区域，导致输出功率波动并减少了FCV的使用寿命。为了提高GDM的水分去除能力，本研究中对微孔层（MPL）和气体扩散层（GDL）的疏水梯度设置进行了优化。构建了计算流体动力学（CFD）模型进行数值模拟，以分析具有不同疏水梯度的GDM中的燃料电池功率输出和水分含量。为了验证模拟结果，进行了具有不同疏水梯度的实验。结果表明，MPL和GDL的正疏水梯度提供了更好的水分去除和氧气传输能力。通过与CFD模拟集成的遗传算法，进一步将MPL和GDL的接触角优化为147.9°至138.6°。

Qinwen Yang, Zhen Zhang, Gang Xiao, Deyi Xue

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Developing inverse motion planning technique for autonomous vehicles using integral nonlinear constraints

开发使用积分非线性约束的自动驾驶车辆逆运动规划技术

本研究研究了基于顺序轨迹和速度优化的自动驾驶车辆运动规划技术的问题，包括：通过有限元（FE）表示所需的函数、车辆运动学模型、用于非线性约束优化的顺序二次规划以及高斯N点积分。主要的创新点在于使用逆向方法来获取车辆轨迹和速度。曲率和速度由积分多项式表示，以减少未知数的数量。为此，通过FE节点参数实现了具有两个和三个自由度（DOF）的分段函数。该技术确保了比几何和运动学方程中所需的更高阶的可微性。因此，生成的参考曲线具有简单且明确的形态。另一个优点是用积分非线性约束替换节点线性等式约束。这确保了在每个FE内部不违反边界限制，而不仅仅是在节点处。

Maksym Diachuk, Said M. Easa

Research Article

Can software-defined vehicles never roll over: A perspective of active structural transformation

软件定义车辆能否“永不翻车”：一个基于主动可变构型技术的视角

文章针对未来软件定义车辆物理构型可变背景下动力学性能提升问题开展研究，首先构建了可变物理结构参数车辆的平面-侧倾耦合动力学模型，并揭示了动力学性能与可变结构参数的关联；之后将动力学性能提升问题抽象为以可变参数为设计变量的多目标优化问题，并利用进化算法进行求解，进而决策不同行驶工况下的最优结构参数。研究结果表明，通过在线决策优化实现整车关键结构参数的实时调整可以在多种工况下提升软件定义车辆的操稳性、平顺性等动力学性能。本研究首次从主动可变构型视角探索软件定义车辆结构和功能充分自定义后的动力学性能提升问题，为软件定义车辆动力学性能极限的进一步突破，例如“永不翻车”等愿景的实现，提供了一种全新思路。

Bowei Zhang, Jin Huang, Jianping Wang, Yanzhao Su, Jiaxing Li, Xiangyu Wang, Ye-Hwa Chen, Yuhai Wang, Zhihua Zhong

Review

On networks of space-based gravitational-wave detectors

空间引力波探测器网络，聆听宇宙的“立体声”

本综述中，作者团队以多种低频引力波探测目标为出发点，探讨了未来空间引力波探测器网络相较于单个探测器的显著优势。首先，探测网络能够显著提高对大质量双黑洞和银河系绕转双星的定位精度。其次，探测网络能够相互补充，有效排除各自探测噪声的影响。第三，多个探测器的联合观测能够增加对较弱引力波信号的信噪比。第四，探测网络能够更好分离由银河系内大量双星系统产生的相互重叠的引力波信号。文章还探讨了多种网络的组合方案，并对不同联合观测方案进行性能比较。

Rong-Gen Cai, Zong-Kuan Guo, Bin Hu, Chang Liu, Youjun Lu, Wei-Tou Ni, Wen-Hong Ruan, Naoki Seto, Gang Wang, Yue-Liang Wu

Research Article

Unsupervised learning of interacting topological phases from experimental observables

人工智能助力强相互作用拓扑物态识别

本工作提出了一种无监督机器学习方案，能够直接从实验可观测的物理量中识别具有强相互作用的物质拓扑相。研究人员发现，格林函数的谱函数包含了丰富的物质相信息，可以做为无监督学习的输入数据。通过扩散映射方法，成功地将不同拓扑相的数据样本进行无监督分类，从而实现对物质拓扑相的自动识别。本研究的关键在于利用了实验可观测量，即格林函数的谱函数，做为输入样本。这种方法避免了对系统哈密顿量的对角化过程，并提供了一种相对通用的方案，用于以无监督的方式从实验可观测量中直接、自主地识别具有强相互作用的拓扑相。

Li-Wei Yu, Shun-Yao Zhang, Pei-Xin Shen, Dong-Ling Deng

Research Article

Enhanced near-field radiative heat transfer between core-shell nanoparticles through surface modes hybridization

通过表面模式杂化增强核壳纳米粒子之间的近场辐射热传递

核壳纳米粒子（CSNPs）因其不同组分的卓越物理性质而被广泛应用于能量收集、转换和热管理。本研究通过壳-核和壳-空气界面产生的表面模式杂化，实现了SiC@Drude CSNPs之间近场辐射热传递（NFRHT）的增强。数值结果显示，当核体积分数为0.76时，纳米粒子之间的总热通量分别是同半径均匀SiC和Drude纳米粒子的1.47倍和9.98倍。此外，研究结果还表明，在移频为1×10 ¹⁴ rad/s时，CSNPs之间NFRHT的增强比可以达到4.34，比之前的研究高出38.34倍。这项研究将为纳米尺度上高效率能量传输开辟一条新路径。

Yang Hu, Haotuo Liu, Bing Yang, Kezhang Shi, Mauro Antezza, Xiaohu Wu, Yasong Sun

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Reaction mechanism of toluene decomposition in non-thermal plasma: How does it compare with benzene?

非热等离子体中甲苯解离机理新探：与苯有何不同?

本研究利用先进的同步辐射真空紫外光电离质谱技术，结合从头算等理论方法，深入探究了非热等离子体中甲苯的分解机理，并与结构相似的苯进行了系统比较。研究发现，甲基取代基的引入显著改变了芳香烃在等离子体中的活化分解途径，产生了大量新的反应通道和副产物。这项工作从分子水平阐明了结构差异对非热等离子体反应性能的调控机制，为定制高效非热等离子体催化剂提供了新思路，助力非热等离子体技术在能源转化等领域的工业应用。

Yuting Liang, Yingying Xue, Dongxu Fang, Ting Tan, Zhi Jiang, Wenfeng Shangguan, Jiuzhong Yang, Yang Pan

Research Article

Moisture is not always bad: H ₂ O accelerates the conversion of DMAPbI ₃ intermediate to CsPbI ₃ for boosting the efficiency of carbon-based perovskite solar cells to over 16%

水分加速DMAPbI ₃ 中间体向CsPbI ₃ 的转化，助力提高钙钛矿太阳能电池效率

无机CsPbI ₃ 钙钛矿因其适宜的光学带隙和高化学稳定性，在钙钛矿太阳能电池（PSCs）中展现出巨大的应用潜力。然而，CsPbI ₃ 的钙钛矿相在室温下并不稳定，湿度或水分会诱导转变为非钙钛矿相。本研究表明从潮湿空气中或在前驱体溶液中有意添加H ₂ O可以显著改变配位化合物的组成，并增加低碘配位复合物的数量，使得二甲基铵铅碘化物中间体的结晶得到抑制，加速了其向CsPbI ₃ 钙钛矿的转化，从而获得具有改善结晶性和更低缺陷密度的定向CsPbI ₃ 钙钛矿薄膜。基于该钙钛矿薄膜的碳基PSCs实现了16.05%的效率，为无机C-PSCs的新纪录。

Hailiang Wang, Huicong Liu, Zijing Dong, Xueyuan Wei, Weiping Li, Liqun Zhu, Cheng Zhu, Yang Bai, Haining Chen

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Engineering electronic platinum–carbon support interaction to tame carbon monoxide activation

工程化电子白金-碳载体相互作用以调控一氧化碳活化

本研究通过原位光谱/动力学分析和多尺度模拟，提出了白金-碳催化剂中各种电子金属-载体相互作用的统一机理和动力学过程。瞬态动力学分析和具有反应力场的分子动力学模拟为氧结合和氧解离机制之间的竞争提供了定量描述，这些竞争由界面电荷分布和CO覆盖调节。从界面电荷分布到反应机理，再到速率决定步骤（RDS）的动力学/热力学，最终到催化性能的全新策略被开发出来，以定量反映上述CO活化机制，并使反应活性提高了一个数量级。预计提出的催化过程和全新策略将促进异质催化理论和方法的发展。

Wenyao Chen, Changwei Liu, Cheng Lian, Yaxin Yu, Xiangxue Zhang, Gang Qian, Jia Yang, De Chen, Xinggui Zhou, Weikang Yuan, Xuezhi Duan

Research Article

σ-dominated charge transport in sub-nanometer molecular junctions

亚纳米分子结中的σ主导的电荷传输

单个分子的量子隧穿电导源于通过分子的π轨道和σ轨道的电荷传输，但由于σ系统中的隧穿电导往往比π系统更快衰减，因此实验无法直接观察到σ传输。本研究展示了在亚纳米尺度上，通过单分子电学表征技术可以在π共轭的亚纳米尺度分子结中观察到σ主导的电荷传输。闪烁噪声分析揭示了通过间位连接的传输比对位对应物展现出更多的通过键传输，而密度泛函理论显示σ系统提供了主导的传输路径。本研究揭示了在亚纳米尺度上，σ电子而不是π电子主导了通过共轭分子结中的电荷传输，这为分子器件和材料未来的小型化提供了独特思路。

Yong Hu, Yu Zhou, Jingyao Ye, Saisai Yuan, Zongyuan Xiao, Jia Shi, Yang Yang, Gemma C. Solomon, Wenjing Hong

Research Article

Large-scale heterogeneous synthesis of monodisperse high performance colloidal CsPbBr ₃ nanocrystals

让钙钛矿纳米晶生长慢下来：发光更纯，性能更稳

该工作提出一种结合异相反应体系和表面工程的策略，有效克服了钙钛矿纳米晶在生长过程中由于速度过快而导致的的尺寸不均一和性能不稳定问题。所制备的CsPbBr ₃ 纳米晶在无需纯化的情况下即具备高度均一的尺寸分布、近100%的荧光量子产率以及优异的稳定性。该方法受反应体系传热影响小，展现出极高的再现性和宏量生产的潜质。

Weinan Xue, Xin Zhang, Wei Zhu, Xue Zhang, Wei Wang, Linwei Peng, Xiang Ma, Yan Li

Research Article

The structural decoration of Ru catalysts by boron for enhanced propane dehydrogenation

硼结构修饰Ru催化剂助力丙烷高效脱氢制丙烯

针对丙烷脱氢催化剂极易失活的问题，本文利用助组分在载体上的可控迁移行为，实现了BO _x 对Ru纳米颗粒表面位点的选择性修饰。研究表明，载体表面分散存在的BO _x 物种可促进活性金属Ru的还原，同时快速还原的Ru金属加速了Ru颗粒周围B ₂ O ₃ 向B ₂ O ₂ 结构的转变。在表面能最小原则下，向颗粒表面迁移的BOx物种优先覆盖台阶、边角等高能位点。高能活性位点的选择性修饰有效抑制了C-C键的断裂及深度脱氢的发生，Ru位点电子云密度的增加进一步促进了丙烯的快速脱附，大幅提高了催化剂的抗失活能力。

Tianxing Yang, Rui Ma, Jiale Li, Yanan Liu, Junting Feng, Yufei He, Dianqing Li

Research Article

Double safety guarantees: Food-grade photothermal complex with a pH-triggered NIR absorption from zero to one

老树开新花——淀粉-碘复合物助力光热疗法新突破

近年来，近红外光热疗法在肿瘤消融方面展现出巨大潜力，但由于光热转换材料“物质毒性”和非特异性“光毒性”问题，易对正常组织造成不必要的损伤。本工作发展了一种“预编程”的[淀粉-KI- KIO ₃ ]复合物（SAFEs），其不仅具有优异的生物相容性，而且仅在酸性肿瘤微环境中触发后才具有光热转换能力。动物实验表明，肿瘤酸性微环境能够成功激活SAFEs光热转换能力，从而实现了对肿瘤组织的选择性消融。这种具有双重安全保障的光热试剂设计策略有望推动光热疗法的临床应用。

Hongguang Liao, Yanji Chu, Shenglong Liao, Yonglin He, Yingchao Ma, Yapei Wang

Perspective

Recent progress on mechanisms that allocate cellular space to plastids

质体细胞空间分配的机制研究的最新进展

分配细胞空间给细胞器的机制对生物学具有重要意义。详细了解质体（如叶绿体）细胞空间分配机制，将有助于培育出产量高、营养价值增强的作物。近期研究对质体细胞空间分配机制的理解得到了增强，这得益于关于细胞类型对质体占据细胞空间量影响的新信息，以及有助于分配细胞空间给质体的新基因的鉴定。尽管现在可以为质体细胞空间分配的网络提出更详细的模型，但对这个网络及其靶向基因的了解仍有较多空白。不过，这些最新的突破为这一领域的未来进展提供了乐观的前景。

Robert M. Larkin

Research Article

Complex pectin metabolism by Lactobacillus and Streptococcus suggests an effective control approach for Maillard harmful products in brown fermented milk

基于乳酸菌和链球菌的复杂果胶代谢提出对于棕色发酵乳中美拉德有害产物的有效控制方法

棕色发酵乳中的有害美拉德反应产物（HMRPs）对人类健康构成潜在威胁，但其在生产过程中的转化机制尚不清楚。本研究提供了棕色发酵乳中HMRPs的形成和降解机制的见解，旨在减少饮食中晚期糖基化终产品的摄入。蛋白质组学与非靶向代谢组学的整合分析表明，嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌共同完成了HMRPs的降解。感官评价结果揭示，添加果胶的棕色发酵乳具有更好的风味，这是因为多糖的补充促进了乳酸菌的脂肪酸代谢，并增加了包括辛酸和戊酸在内的芳香物质。

Zibian Fan, Wei Jia, An Du, Lin Shi

Research Article

The coordinated impact of forest internal structural complexity and tree species diversity on forest productivity across forest biomes

冠层结构复杂性：协同物种多样性影响森林生产力的关键因素

本文在跨区域、跨林型的多个森林生态系统中探析了冠层结构复杂性、物种多样性和森林生产力间的关系。结果表明，相较于水平和垂直方向的冠层结构复杂性，内部冠层结构复杂性指标与物种多样性的联系更为紧密，而且二者可以协同来影响森林生产力。这一成果揭示了被长期忽略的内部冠层结构复杂性对物种多样性与森林生产力间的关系具有重要介导作用，为理解冠层结构复杂性、物种多样性和森林生产力三者间的关系提供了新的视角。

Qin Ma, Yanjun Su, Tianyu Hu, Lin Jiang, Xiangcheng Mi, Luxiang Lin, Min Cao, Xugao Wang, Fei Lin, Bojian Wang, Zhenhua Sun, Jin Wu, Keping Ma, Qinghua Guo

Research Article

Machine learning methods to predict cadmium (Cd) concentration in rice grain and support soil management at a regional scale

利用机器学习建立区域稻米镉含量预测模型

稻米镉含量在区域范围内差异显著，使用土壤特性预测稻米镉具有相当大的挑战性。本研究基于多年实地调查采集的600对土壤和稻米样品，利用多种机器学习方法构建了区域稻米镉含量预测模型。结果显示，支持向量机模型提供了最佳的预测准确性（ R ² = 0.81），并明确了影响稻米镉的重要土壤因素。情景模拟表明，施加石灰石粉将土壤pH提高至6.5可能是减少稻米中镉超标最具成本效益的方法之一。总之，机器学习方法可用于在区域尺度上可靠地预测稻米中的镉含量，并支持土壤管理和水稻安全生产。

Bo-Yang Huang, Qi-Xin Lü, Zhi-Xian Tang, Zhong Tang, Hong-Ping Chen, Xin-Ping Yang, Fang-Jie Zhao, Peng Wang

Research Article

Offshore wind power in China: A potential solution to electricity transformation and carbon neutrality

17500000000000度：这泼天的电力真是风刮来的！

本研究对我国未来海上风电发电潜力和相应碳减排潜力进行了定量评估。研究发现中国近海风能资源丰富，理论发电潜力约为17.5万亿千瓦时，是目前全国用电量的两倍多。到2050年，若规划的近海风力发电替代燃煤发电，二氧化碳排放量预计将每年减少近300百万吨(Tg)，相当于目前沿海地区燃煤发电排放量的20%。研究揭示了近海风力发电在能源结构升级和碳中和目标实现中可承担的重要角色，但同时也指出技术、经济和社会等方面存在的挑战。

Xi Deng, Weixin Xu, Yifan Xu, Yingquan Shao, Xiangyuan Wu, Wenping Yuan, Zhangcai Qin

Research Article

Reactions with Criegee intermediates are the dominant gas-phase sink for formyl fluoride in the atmosphere

与Criegee中间体的反应是大气中甲酰氟的主要气相汇

大气氧化过程在大气气候模型中具有核心重要性。通常认为挥发性有机分子主要通过羟基自由基去除；然而，羟基自由基与挥发性有机分子的一些反应动力学较慢。本研究报道了甲酰氟与Criegee中间体快速反应的速率常数。这些速率常数是通过双层次多结构规范变分过渡态理论结合小曲率隧穿计算得出的。研究发现发现不同的Criegee中间体在与甲酰氟反应中具有不同的速率决定步骤，并且甲酰氟在大气中的主要气相去除机制是与CH ₂ OO和/或anti-CH ₃ CHOO Criegee中间体的反应。

Yu Xia, Bo Long, Ai Liu, Donald G. Truhlar

Research Article

Extreme air–sea turbulent fluxes during tropical cyclone Barijat observed by a newly designed drifting buoy

国产低成本轻质漂流浮标成功捕捉强热带风暴湍流通量变化

团队利用自主研发的漂流式海气界面浮标（DrIB），分析了2018年南海北部强热带风暴“百里嘉”期间的极端海气湍流通量异常变化及其动力机制，并评估了先进的高分辨率再分析产品ERA5和MERRA2的模拟能力。结果表明，再分析产品未能准确捕捉瞬时极端风速值，并模拟出较观测更为寒冷干燥的大气。本研究为将该新型浮标纳入精细化海气界面综合观测网、提高海洋灾害预报水平及解决全球热通量不平衡问题提供了科学依据。

Xuehan Xie, Zexun Wei, Bin Wang, Zhaohui Chen, Marilena Oltmanns, Xiangzhou Song

Research Article

In situ characterization of vacancy ordering in Ge-Sb-Te phase-change memory alloys

复杂晶体中空位有序化的原位观察

研究团队通过原位高分辨透射电镜实验结合第一性原理计算，从原子尺度阐明了复杂晶体GeSb ₂ Te ₄ 相变材料从立方相到六角相结构转变中的空位有序化过程，揭示了其对 GeSb ₂ Te ₄ 电子结构与光学性质的影响。研究表明空位有序化是由电子束辐照的热效应驱动的，该过程初始发生在两组等效的空位富集晶面，随后合并至同一晶面内，形成层状结构，并提高了光学反射率。该工作也全面总结了Ge-Sb-Te与Sb ₂ Te ₃ 的相变路径，为相变存储器中的材料结构与性质调控提供了一定的理论指导。

Ting-Ting Jiang, Xu-Dong Wang, Jiang-Jing Wang, Han-Yi Zhang, Lu Lu, Chunlin Jia, Matthias Wuttig, Riccardo Mazzarello, Wei Zhang, En Ma

Research Article

Facile fabrication of quaternized chitosan-incorporated biomolecular patches for non-compressive haemostasis and wound healing

微针敷料——组分结构相得益彰

近年来，微针敷料在生物医学工程领域获得了广泛关注。本研究设计了一种基于甲基丙烯酰化明胶/季铵化壳聚糖的复合微针，取得了良好的生物相容性、广谱抗菌性和非压缩止血性能，并充分揭示了其促进感染性创面修复的效果和分子机制。本研究还提出了一种新型的材料研发策略，通过增强复合材料的组分与结构之间的协同关系，显著提升应用效果和转化潜力。该策略不仅适用于构建未来的伤口敷料，在交叉学科领域也具有广阔的应用前景。

Zesheng Chen, Yixuan Zhang, Kexin Feng, Tao Hu, Bohan Huang, Jinlan Tang, Junjie Ai, Liang Guo, Weikang Hu, Zijian Wang