艺术与科学:吴戈、石自东对谈中国科学院大学的艺术教育(上)

当人们谈到科学与艺术的关系,那些关于知名科学家与艺术之间的事情是人人皆知的。譬如,爱因斯坦的小提琴演奏能力;钱学森夫人是著名的歌唱艺术家,而钱老生前一直致力于"科学与艺术"关系的缔结,提倡二者在思维上的互鉴与融通。为此,中国教育界已经努力多年。终于,中国科学院大学成立;终于,中国科学院大学艺术中心成立!我们看到了人才培养中"艺术与科学"交互、"科学思维与艺术想象"融通的真切努力。

艺术与科学:吴戈、石自东对谈中国科学院大学的艺术教育(下)

艺术能够激发想象力、提升思维能力,让人振翅寰宇吴戈:据我所知,20世纪80年代,在"四个现代化""四个面向"的发展需求下,发展科技作为"第一生产力"的核心力量,成为高层的关注重点。科学泰斗如钱学森、杨振宁、李政道等科学家都提出了科学与艺术融合、开发思维、提升想象力、促进创造力发展的意见建议。这是一个大背景。贵校积极开展艺术教育,目的很明确,就是艺术与科学两种看似风马牛不相及的学科的交叉互鉴。在培养中国未来科学家的校园里,瞩目于思维能力的提升和思维方式的开发,是出于这样的目的吗?

长江上游大型梯级水库岸线保护与利用耦合协调度评价及空间特征——以三峡水库为例

以三峡水库为代表的长江上游大型梯级水库运用后,极大的改善了长江防洪、发电和航运能力,促进了流域社会经济高质量发展。三峡水库是我国重要淡水资源战略储备库,其岸线的科学保护、合理利用对保护库区生态环境和促进社会经济发展有着重要意义。然而,人们对于大型水库岸线的保护和利用状况及其耦合协调发展水平长期缺乏关注。由此,以三峡水库为例,首先构建岸线保护与利用耦合协调度评价指标体系,根据8个关键指标进行定量评价;其次结合遥感影像、野外采样数据,运用耦合协调度模型对34段岸线的保护与利用耦合协调空间分布特征进行分析和讨论。研究结果表明:(1)三峡水库岸线利用水平和综合水平从水库上游至下游呈递减趋势,且岸线保护水平均值为0.523,大幅度高于岸线利用和综合水平。(2)三峡水库岸线保护与利用的耦合协调度主要分布在0.161~0.879区间,有44%的岸线位于磨合发展区中,协调发展程度为初级水平。(3)耦合协调度的空间分布特征由库区西部向东部呈现递减趋势,与社会经济发展水平存在一定的联动性。为此,我们提出今后要以岸线保护为主、同时需重视岸线利用的效率,促进岸线保护与利用的协调发展。结果有望为三峡水库岸线资源的保护与利用协调发展提供参考,助力长江上游梯级水库可持续运行。

未来气候情景下鄱阳湖流域生态水文情势演变

为了探究气候变化影响下鄱阳湖流域水文情势的演变规律,利用未来气候模式数据驱动分布式时变增益水文模型,结合Mann-Kendall趋势检验及生态水文指标变化范围法(IHA-RVA),分析了鄱阳湖流域未来情景下径流量、极值流量、脉冲变比等生态水文指标的演变趋势。结果表明:(1)鄱阳湖流域未来径流量呈增长趋势,增幅在18.5%~30.3%,SSP5-8.5情景下增幅最高;(2)丰水期(3—8月)月均流量的增长较枯水期(9月—翌年2月)更明显,5—9月径流量增长率达到20%,最大年极值发生时间将提前1.0~17.8 d;(3)气候变化下鄱阳湖流域整体水文情势呈低度改变,虬津站和虎山站分别是整体水文改变度最高和最低的站点,其改变度分别为21.2和19.2。但月均流量(Ⅰ)、年极值流量(Ⅱ)与流量变化(Ⅴ)组分指标的改变度相对较高,平均为22.8。研究结果可为鄱阳湖流域生态水文情势预测提供数据支撑。

基于超构表面的偏振探测器件研究进展

偏振探测技术作为一种重要的光学探测手段,具有强抗干扰能力,并能有效提升探测距离,在光学遥感、环境监测、生物医学和水下成像等领域展现出重要的应用价值。传统偏振探测系统存在体积庞大、光路复杂等问题,在小型化和集成化方面存在严峻挑战。超构表面是由人工亚波长结构单元组成的二维周期性阵列,可根据入射光偏振态对光场进行精细调控,有效降低偏振探测系统的尺寸,提升器件的集成程度,为小型化偏振探测提供了全新的解决方案。本文分析超构表面与偏振探测相关的光场调控机理,在此基础上归纳基于超构表面的光子型与光热型偏振探测器件,并对现存问题与未来趋势进行总结与展望,以期为该领域的研究提供参考。

三峡库区重庆段森林长势空间分异性及其驱动因子

三峡库区森林长势的恢复对于维持库区生态安全至关重要,在这个过程中,国家实施两期天然林资源保护工程(天保工程)扮演着积极角色。人们对于三峡库区森林长势在时间上的变化特征已有一定的认识,但对其空间分异特征及其背后的驱动因素尚缺乏了解,从而给该区域后续生态工程的精准措施及政策制定带来了诸多困扰。基于三峡库区重庆段森林生长季长势数据(生长季NDVI),结合地形、气候和人类活动因子,运用趋势分析和地理探测器模型等手段,解析了各潜在驱动因子对不同林分起源(原生林、人工林和次生林)和不同林型(针叶林、阔叶林、混交林和竹林)的森林长势空间分异性形成及演变过程中的作用。结果表明:(1)整个天保工程期间,97%的森林长势呈增加趋势,次生林(林分起源)和竹林(林型)的增长率(均为0.0032/a)低于其他区域(约0.0046/a),同时天保二期期间具有良好长势与较高速增长的森林面积大幅增加。(2)整个天保期间,森林长势空间分异的关键主导因子为自然因子(海拔和气温),但在天保一期期间,人工林(林分起源)和阔叶林(林型)长势空间分异的关键主导因子为人类活动因子(人口密度和GDP密度)。(3)人类活动(GDP密度、人口密度和距建成区的距离)分别与海拔和气温的交互作用对森林长势产生空间分异性的解释力较大。(4)相较于天保一期期间,人口密度和GDP密度在二期期间对森林长势空间分异的作用效果降低,而距建成区的距离对森林长势空间分异的作用效果增加。解析了不同驱动因子在两期天保工程期间对森林长势空间分异的作用大小,可为后续天保工程的精准实施和保护政策制定提供参考。

重庆丘陵山区池塘沉积物有机碳埋藏速率及其影响因素

池塘等小型水体在全球碳循环中发挥着重要作用,是碳排放的热区,但是对池塘碳埋藏速率认识相对匮乏,限制了全面认识池塘在流域碳传输中的功能。为探究池塘沉积物有机碳埋藏速率及其影响因素,选取重庆市北碚区柳荫镇的11个池塘为研究对象,于2022年7月对池塘沉积物进行采样,分析了池塘沉积物基本理化性质,估算出池塘沉积物有机碳埋藏量和埋藏速率,并分析了池塘因素和流域因素对池塘沉积物有机碳埋藏速率的影响。结果显示:(1)沉积物总有机碳(TOC,Total Organic Carbon)含量在1.03%—3.51%之间变化,总体呈现随深度增加而逐渐降低的趋势;(2)有机碳埋藏速率均值为194.60 g m^(-2)a^(-1),范围区间为142.76—293.32 g m^(-2)a^(-1),略高于其他池塘的类似研究结果;(3)沉积物TOC含量与总氮(TN,Total Nitrogen)含量呈显著正相关(P<0.01),与流域中林地面积占比呈显著正相关(P<0.05),与旱地面积占比呈显著负相关(P<0.05),而有机碳埋藏速率与流域内旱地面积占比呈显著正相关(P<0.05)。研究结果表明,池塘相对于大型水体储碳能力更强,池塘虽然单位面积小,但数量多,在生态系统的碳收支核算中是一种不可忽视的地理景观单元。

同态明文-密文矩阵运算及其应用

支持单指令多数据操作的同态加密方案能有效提高密文计算的均摊效率,但密文结构导致矩阵运算复杂度高。在许多应用中,采用明文-密文矩阵操作可以在确保安全的同时实现隐私计算。基于此,提出一个适用于任意维数的明文-密文矩阵乘法方案。该方案通过明文矩阵编码和密文矩阵维数变换等步骤计算得到密文结果。与已知最好的Jiang等所提的密文方阵乘法算法相比,所提方案支持任意维数的矩阵乘法,并支持矩阵连乘;理论分析和实验结果均表明,所提方案具有更低的密文旋转复杂度和更高的计算效率。将所提方案应用在隐私保护的贝叶斯分类器中,能以更高安全参数和更少计算时间完成分类任务。

周期性水位波动对三峡水库消落带土壤有机碳含量和密度的影响

为探究水位波动对三峡水库消落带土壤有机碳的影响,在三峡水库消落带采集和测定了受不同水淹强度影响的石灰土、紫色土、黄壤及其植物样品,并运用Kruskal-Wallis非参数检验和基于冗余分析的典范分析等方法进行了研究。结果表明:周期性水淹增加了石灰土和紫色土的有机碳含量和密度,但降低了黄壤的有机碳含量和密度。此外,石灰土的有机碳分布还受地上生物量、土壤pH和土层深度的影响,紫色土的有机碳分布还受土层深度和地上生物量的影响,而黄壤的有机碳含量和密度则与地上生物量、土层深度和地下生物量有关。总之,周期性水位波动对消落带土壤有机碳影响深刻,但土壤类型分异了有机碳对水位波动的响应。

高强度聚焦超声治疗晚期胰腺癌的研究进展

高强度聚焦超声(HIFU)在胰腺癌治疗中的应用受到越来越广泛的关注。利用快速升温至破坏肿瘤细胞水平的超声束,HIFU可以选择性地切除目标病变且极小程度地损伤胰腺周围正常组织。大量研究表明了HIFU治疗的安全性、有效性,可以单独使用或结合全身放化疗治疗晚期胰腺癌。它能有效缓解胰腺癌相关腹痛,带来额外的生存获益,且很少有明显的并发症。本文就HIFU技术进行了简要概述,描述了其在晚期胰腺癌治疗中的临床应用,总结了近年来针对HIFU治疗晚期胰腺癌的多项研究,并讨论了HIFU在晚期胰腺癌应用中的未来展望及挑战。

预热温度对激光选区熔化成形30%SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料力学性能的影响

基板常温工况下激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料存在孔洞、裂纹等冶金缺陷,从而导致成形零件致密度低、力学性能差等问题。首先研究了固定优化成形工艺参数时,基板预热温度(200~400℃)对45μm的30%(质量分数,下同)SiC_(p)/AlSi10Mg成形零件表观致密度和力学性能的影响;进一步提高SiC_(p)质量分数至50%,再次评价了上述基板预热温度对成形性能的影响。结果表明,当SiC_(p)质量分数为30%时,升高基板预热温度可以减少成形零件的孔洞和裂纹,成形零件的表观致密度及力学性能显著提高;当基板预热至400℃时,成形零件表观致密度最高达到97.98%,与此同时极限抗压强度和极限抗拉强度分别为578 MPa和56 MPa;随着SiC_(p)质量分数进一步增加至50%,基板预热温度对成形零件致密化和力学性能的强化效果逐步减弱。本研究证明高温预热基板能够有效抑制激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料的冶金缺陷,为增材制造SiC_(p)/Al复合材料提供了工程应用解决方案。

基于CMIP6的气候变化对南水北调西线工程水源区径流的影响

探讨未来气候变化对南水北调西线工程水源区水文过程的影响对其调水规划及开发利用具有重要意义。利用4种SSPs-RCPs情景下CMIP6中12个全球气候模式的输出结果,驱动DTVGM模型研究21世纪气候变化对西线工程水源区径流的影响。结果表明,在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,2021—2100年南水北调西线工程3个水源区气温、降水量、径流量均较基准期呈现不断增加的趋势,增幅随着辐射强度的升高而增大,其中金沙江水源区年径流量及年代际径流量变化较大,对气候变化的响应更为明显。未来各月平均径流也呈现出随年代增加的趋势,但不同月份增幅存在差异,枯水期月径流量相对基准期的变化较小,丰水期增量较大。根据径流与气温、降水相关分析结果,径流量对降水的改变更为敏感,降水量的变化始终对径流具有显著影响,气温对径流量的影响程度随辐射强度的升高而逐渐变大。研究结果可为南水北调西线工程水源区适应气候变化影响及水资源综合管理提供参考依据。

太赫兹生物医学应用研究现状

近年来,太赫兹(Terahertz,THz)技术在生物医学领域的应用研究发展迅速。科技工作者利用THz技术在生物分子、细胞、组织及生物个体等层面取得了一系列的重要研究成果,为生物医学研究和诊疗提供了新视角和手段。作者从THz光谱检测、成像及生物效应三个方面总结了THz技术在生物医学领域的研究现状,分析了THz技术在生物医学应用中所面临的挑战,并对未来的发展方向进行了展望。

人工智能预测急性缺血性脑卒中后出血转化的研究进展

急性缺血性卒中(AIS)致死、致残率高。出血转化(HT)是AIS的严重并发症,与临床治疗方案的选择及预后密切相关。人工智能(AI)技术作为一种能早期准确预测HT的新方法,其中影像组学能从CT、MRI等多种神经影像学数据中深度挖掘并提取与HT密切相关的影像组学特征,通过机器学习和深度学习可以实现HT预测信息的筛选及相关性分析、预测模型的构建及优化,提高了HT的预测准确性。就影像组学、机器学习和深度学习预测AIS后HT的研究进展予以综述。

基于同态加密的隐私保护主成分分析方法

在现实生活中,不同的行业之间,甚至同行业不同部门之间的数据并不互通,随着计算机算力的提升,制约模型训练效果的不是算力而是数据量。因此,想要得到更好的算法模型,仅靠某一方的数据是不够的,需要两方或者多方的参与,这就要求对各方的数据进行隐私保护。除此之外,随着收集的数据越来越详细,数据的维数也越来越大。面对高维的数据,数据降维是不可缺少的环节,而在数据降维方面,主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是常用的手段。当拥有数据的两方想要合作进行隐私保护的数据降维时,同态加密技术是一种解决办法。同态加密技术可以在保护数据隐私的前提下对加密数据进行计算,可以用在加密数据的PCA上。针对上述应用场景,利用CKKS同态加密方案,通过幂法迭代的SVD技术设计了一种两方加密数据进行PCA的方案,在保护两方数据隐私的前提下实现数据降维的目的;通过改进传统幂法迭代步骤,避免了代价高昂的同态密文除法运算,使得在选取较小的加密参数时,也能支持更多的幂法迭代次数,从而在缩短同态计算时间的同时提高计算精度。在公共数据集上进行测试,并与现有方案进行对比,该方案在计算耗时上缩短了约80%,与明文计算结果的均方误差缩减到1%以内。

肥胖症与维生素D缺乏或不足相关性的研究进展

近年来,肥胖症与维生素D缺乏或不足的发病率持续升高。研究表明,肥胖症与维生素D缺乏或不足存在相关性。补充维生素D不仅有利于减轻体质量,还有助于调节肥胖症患者的血压、血糖水平,改善其胰岛素抵抗;同时,减轻体质量亦可调节肥胖症患者的维生素D水平。本文综述肥胖症与维生素D缺乏或不足相关性的研究进展,旨在为二者的公共卫生相关策略的制订提供理论依据。

面向动态公交的离散分层记忆粒子群优化算法

随着智慧城市、智慧交通的发展,移动互联网和公交智能基础设施以及相关数据的不断完善,通过用户手机预约公交服务的新型公交运营方式——动态公交,已经成为许多城市公交发展的重要探索方向。但目前,对动态公交问题的建模、算法研究不足。基于这一研究现状,提出动态公交问题模型和面向动态公交的离散分层记忆粒子群优化(PSO)算法。首先给出动态公交问题的目标函数和约束条件,给出动态公交问题的解的形式,并定义解的编辑距离;其次提出使用数据驱动的预计算路径集生成PSO算法的优质初始解的方法,给出基于解的编辑距离的PSO算法中粒子的变异概率和自适应收敛系数的计算方式;最后提出将粒子群分层求解的方法,其中低层粒子群可复用、可继承,从而减少单时间片内、时间片间复制和重初始化带来的性能损耗。基于重庆市北碚区蔡家岗街道的真实场景和亿级历史数据建立仿真环境进行实验,实验结果表明:相对于不分层PSO算法,分层PSO算法通过复用和继承能缩短超80%计算用时;自适应参数和变异机制能帮助算法更稳定地收敛到更优解;相对于传统公交系统,动态公交能在同等运力限制下,提高22%的乘客接单率,节省39.1%的乘客出行时间,所提算法能满足公交运营商在片区内进行动态公交调度的需求;相对于对比算法,所提算法平均缩短了85.3%的计算用时,并且在仅耗用80%里程的情况下提高了至少12%的接单率。

FCTNet:基于双域深度学习的公交车到站时间预测方法

公交车到站时间预测是智能公交系统的重要组成部分,可以给乘客提供精确的到站时间,还可以帮助调度员进行更合理的调度安排。为此,提出一种基于卷积、注意力机制和FFT的对时域和频域进行双域深度学习的公交车到站时间预测算法FCTNet(FFT-Conv-Transformer),该算法融合了傅里叶变换、卷积神经网络和注意力机制,其可以对公交车单站和多站的到站时间进行预测。其中利用傅里叶变换和卷积神经网络在频域上学习输入数据的时空特征,同时保留时域信号,利用注意力机制学习输入序列的全局依赖关系,预测最终结果。在重庆市465,506和262这3条公交线路到站时间预测实验中,FCTNet网络模型的平均绝对百分比误差和平均绝对误差优于实验对比算法,在最繁忙的465线路中FCTNet网络模型的平均相对误差相对已有最好模型降低了2.34%,平均绝对误差降低了4.59 s。

基于光配向的主链型液晶聚合物预倾角的控制

液晶的方位角和预倾角的调制广泛应用于各类液晶光子器件的研究。液晶预倾角调控常使用的小分子液晶容易受外场干扰导致液晶预倾角的改变,影响液晶器件稳定性和可靠性。液晶聚合物具有相变温度高、耐热、耐强光、耐机械振动、更加稳定不易受外场干扰等优点,因此液晶聚合物预倾角的可控制备有着重要研究意义。由于液晶单体受液晶与空气界面的锚定能的影响,RM257液晶聚合物的预倾角与液晶层的厚度有关,难以实现预倾角的稳定可控。本研究利用两步法曝光偶氮染料亮黄(BY)薄膜诱导液晶单体RM257倾斜,采用多层旋凃及液晶单体RM257光聚合的方式降低液晶与空气界面锚定能对预倾角的影响,实现RM257主链型液晶聚合物预倾角可控制备。结果表明,采用这一方法制备的液晶聚合物薄膜预倾角可在0°~16°之间连续可调,并具有光热稳定的优点,具备实现液晶光子器件所需的图案化能力。本研究有望为液晶光子与显示器件的制备提供新的材料设计思路。

基于MLWE和MSIS的可验证解密方案

两方安全计算中涉及的可验证解密技术可以应用在医疗研究数据共享、机构间合作进行模型训练等有隐私保护需求的现实场景中,有助于进一步打破数据孤岛、保障数据安全。但是目前已有的为基于格密码或其他后量子加密方案正确解密所构造的零知识证明的效率不高。面对这一现状,文中针对Kyber提出了一个基于模容错学习问题(MLWE)和模小整数解问题(MSIS)的可验证解密方案。首先,根据Kyber的加解密特性,在利用证明者和验证者所持数据构造相等关系时存在差异,该方案提出了一种利用误差估计结合Kyber的压缩函数,使证明者提供给验证者一部分所持数据的信息,从而消除差异的方法,进而提供可以用于验证的相等关系,把该关系与Dilithium签名方案无公钥压缩版本的框架相结合,构造非交互式零知识证明,将可验证解密问题转变为证明环中短向量满足的线性关系。其次,在理论上分析了方案的正确性、安全性、通信开销和计算复杂度,将方案的合理性和零知识性规约到MSIS困难假设,并提供了2组不同安全等级的建议参数设置。最后,通过编写C语言程序测试了所提方案的正确性和效率。实验结果与理论分析结果基本一致,与现有方案相比,所提方案在对单个密文的证明大小和证明时间上有显著优势,更加简洁、高效。