通知公告｜博士生答辩公告

定位是移动机器人执行作业任务的前提及核心技术。卫星定位导航技术凭借定位精度高、覆盖范围广等优势被广泛应用于室外定位。然而，卫星信号难以穿透建筑物导致卫星定位导航技术在室内环境中无法取得满意的定位效果。目前应用较广泛的室内定位技术有基于红外线、视觉图像、RFID、WIFI、里程计等。其中，将WIFI和视觉图像融合是一种优异的定位方案：首先，WIFI定位和图像定位都具有成本低且易安装的优势；其次，WIFI定位不受图像定位中的视觉混叠和光照变化干扰，图像定位不受WIFI定位中多径效应干扰，二者结合具有极佳的互补性。

如何高效融合WIFI和图像信息，如何在复杂场景下设计鲁棒性强、定位精度高、定位实时性强的定位系统，是目前该定位技术的瓶颈问题。本文针对复杂场景的定位需求，提出了基于WIFI和视觉图像融合的高效鲁棒实时定位方法，主要贡献和创新如下：

(1)针对动态遮挡、低纹理、光照变化等复杂室内场景下WIFI和图像信号干扰大的问题，提出了一种高效的WIFI指纹和图像指纹预处理方法。在WIFI指纹预处理上，提出基于多度量AP筛选的WIFI多指纹表征方法，剔除贡献度低的接入点（AP）并丰富WIFI特征信息；在图像指纹预处理上，提出基于静态区域的改进ORB方法，剔除图像中的动态遮挡干扰并优化图像的特征提取能力。实验结果表明，WIFI指纹预处理能有效减少WIFI数据冗余，丰富WIFI信息表征能力。图像指纹预处理能大幅提升图像的特征提取能力，有效缓解动态遮挡的干扰，为后续的定位提供了前提条件。

(2)针对混合指纹（WIFI和图像指纹）地图构建成本高及维护困难的问题，提出了高效的混合指纹地图自主扩充和自主维护方法。在混合指纹地图自主扩充阶段，提出一种基于改进的鲸鱼优化算法的对数距离路径损耗模型（IWOA-LDPL）构建WIFI指纹地图，并预测图像指纹处的WIFI信息，实现混合指纹地图的自主扩充。在混合指纹地图自主维护阶段，提出一种基于多约束-反馈机制的混合指纹地图自主维护方法，将在线定位阶段采集的数据（包括WIFI和图像信息）与估计的定位结果作为定位指纹，采用多约束法判断定位指纹是否能用于混合指纹地图的自主维护。实验证明，IWOA-LDPL方法能够有效构建高质量WIFI指纹地图，对混合指纹地图的自主扩充提供了重要条件。基于多约束-反馈机制的混合指纹地图自主维护方法能够丰富指纹地图信息，实现长期定位下混合指纹地图的自主维护能力。

(3)为满足复杂场景下的高精度、高鲁棒性定位需求，提出了一种基于神经网络的多模态高鲁棒融合定位方法。首先，针对在复杂室内场景下传统的ResNet50模型存在信息丢失、特征提取不充分、适应性差导致预测结果不佳的问题，提出一种改进的ResNet50模型，从优化残差结构块、优化连接方式和引入注意力机制三个方面提升模型的性能；其次，将改进的ResNet50模型应用于WIFI特征和图像特征的结合，得到混合向量；最后，通过计算混合向量的相似度获得最终的融合定位结果。实验表明，与其他先进的融合定位算法相比，基于神经网络的多模态融合定位方法在定位精度及稳定性上表现更优，能够在复杂室内场景下实现高精度、高鲁棒性定位。

(4)为满足大规模复杂场景下的高实时性定位需求，提出顺序-多决策的高实时性融合定位方法，该方法包括粗定位阶段和精定位阶段。在粗定位阶段，提出基于无监督融合的WIFI多指纹定位方法提升WIFI定位性能。在精定位阶段，根据WIFI定位结果建立约束范围，并在约束范围内提出基于JNBA-贝叶斯概率的融合定位方法以及采用基于特征点法的图像定位方法。最后，通过多决策法将WIFI定位、图像定位和融合定位相结合，得到最终定位结果。实验表明，与现有的先进融合定位算法相比，顺序-多决策定位方法在复杂场景下定位性能最好。顺序-多决策定位方法虽然在定位精度和稳定性上略低于本文所提出的基于神经网络的多模态融合定位方法，但是在定位时间上具有显著优势，能满足大规模复杂场景下高实时性定位需求。

双目立体匹配是机器人获取三维信息的重要方式，它通过模仿人类双眼视觉系统三维成像机制，在三维空间下匹配左、右（双目）视角图像中的像素点来计算视差，利用视差基本原理恢复像素点的深度信息。由于双目立体匹配技术无需额外的辅助成像设备且保留了丰富的视觉纹理信息，具有较强的场景适应性，因此受到了学术界和工业界的广泛关注。如何在边缘、细微结构、弱纹理等挑战性场景中确保立体匹配的精确性，是目前该领域的瓶颈问题。本论文针对该问题，以多层级线索为指引，从浅层图像线索、先验线索、强辨识度线索到结构线索，逐层递进开展研究，提出基于多层级线索的双目立体匹配方法。主要贡献及创新如下：

(1) 代价聚合过程中，边缘两侧的信息传播扩散易引起前景、背景区域的匹配代价相互干扰，从而导致边缘区域像素匹配不准确。针对该问题，本文提出一种基于增强各向异性的立体匹配方法。该方法在代价聚合过程中利用重叠支持窗口像素强度方差这一浅层图像线索来增强各向异性，不仅能平滑过滤均匀区域噪声，而且能保留高频细节信息，提高了边缘区域的立体匹配精度。

(2) 传统的立体匹配方法中的系数需根据不同场景手工调整，自适应性能较弱，易导致复杂场景的边缘区域的立体匹配精度较低。针对该问题，将贡献（1）所提方法作为先验线索嵌入立体匹配网络中，提出一种联合特征图引导的立体匹配方法。设计可学习的增强各向异性代价聚合模块，该模块以特征图作为引导图，保留了传统的基于增强各向异性代价聚合算法的先验知识，并且能够自主学习系数，增强了模型的自适应能力。另外，将该模块和二维编码器-解码器架构紧密耦合，构成联合特征图引导的代价聚合网络，发挥了二维编码器-解码器架构的模型表征能力，提高了复杂场景的边缘区域的立体匹配精度。

(3)基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）的特征提取网络存在感受野有限、无法动态响应输入信息的变化等固有局限，易导致弱纹理、细微结构等挑战性区域立体匹配精度较低。针对该问题，本文立足于构建强辨识度线索层面，提出基于三分支混合特征提取的立体匹配方法。设计CNN分支、Swin Transformer分支和融合分支并联特征提取网络，保留了CNN的局部特征表达能力以及Swin Transformer的显式全局特征表达能力。融合分支利用全局-局部信息适配器实现局部信息和全局信息融合，并通过在各阶段级联该适配器实现多尺度的特征传播，增强了特征的辨识度，提高了立体匹配精度。

(4) 对于弱纹理、细微结构等挑战性区域，仅仅依赖外观信息难以获得准确的视差。针对该问题，本文构建并利用结构线索辅助立体匹配任务，提出基于梯度融合代价体和结构一致性的立体匹配方法。设计携带梯度线索的融合代价体，实现初始视差估计。该代价体不仅覆盖了多尺度的匹配代价信息，而且能有效地融合结构线索，提高了弱纹理、细微结构区域的立体匹配精度。此外，提出基于结构一致性的视差后处理网络。利用初始视差和梯度线索构建多尺度、多层次的重建结构误差，在结构特征空间中度量初始视差图的准确性，进一步优化初始视差。

(5) 研制基于Jetson的嵌入式双目立体视觉系统。详细阐述了系统设计和算法部署过程。基于Jetson的双目立体视觉系统通过TensorRT实现模型的高性能推理。模型部署后的精度损失基本忽略不记。快速版-TensorRT模型部署后的运行速度提升了0.75倍，当输入图像分辨率为672*376时，系统运行速度为18.60帧/秒（frame per second，fps）。

当前，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为我国能源电力转型的新方向。微电网，作为一种灵活高效的多能源主体聚合调控方式，能够为新型电力系统背景下的能源升级和变革提供可行途径。然而，由于微电网中充斥着大量以电力电子装备作为“并网接口”的源-荷主体，加之分布式源-荷自身的波动性与随机性，微电网具有低惯性、高不确定性、多扰动等特点。随着接入能源主体异质化程度的增加与网络拓扑结构的日益复杂，微电网的安全稳定运行面临极大挑战。另一方面，能源危机的逐年加剧及“双碳”政策的推进对能源的高效/经济利用与系统的低碳运行水平提出了更高的要求，合理协同微电网内的多类型主体以提升系统的经济低碳运行水平具有重要意义。为此，本文以微电网多主体协同控制与优化运行方法研究为主题，围绕微电网的安全稳定运行及经济低碳水平提升这两大核心问题展开了深入研究，以期为微电网的示范与推广提供理论与技术支撑。本文主要工作与贡献总结如下：

1、提出了一种多VSG单元协同的微电网分布式二次频率鲁棒调节方法。首先分析了传统VSG单元的工作机理，结合LADRC算法，提出了具有强抗扰能力的LADRC-VSG控制架构，用以抑制诸如负荷不确定性变化、系统参数扰动等对频率控制造成的负面影响。在此基础上，为保证微电网频率的快速精准恢复、实现多VSG单元间的功率合理分配、同时避免对复杂通信网络的依赖，设计了一种基于二阶一致性算法的新型分布式控制律，并结合前述LADRC-VSG控制架构构建了适用于多VSG主体参与频率鲁棒控制的LADRC-DSFR控制器。典型场景下的仿真与实验结果表明，所提方法可有效提升交流微电网的频率调节性能及频率控制的抗扰能力，提高交流微电网安全运行水平。

2、提出了一种考虑新能源利用率的孤岛微电网自适应频率调节方法。以包含风电、储能的孤岛交流微电网为研究对象，结合风机和储能设备的运行特点与控制方式，针对一次调频层设计了一种自适应下垂控制方法，其下垂系数可根据风速和储能装置的实时SoC自适应调整；在二次调频层，提出了一种FMPC架构，其中包含了风-储出力权重自适应调整机制，可根据频率变化实时调整代价函数中风机和储能出力项的权重以优化各自出力，并根据风速和SoC于每个时间断面柔性调整约束条件的边界。仿真和实验结果表明，所提方法能够在保证孤岛微电网调频性能与运行安全的同时实现异质主体间的功率柔性分配，显著提高调频过程中的新能源利用率，有利于改善交流微电网的经济与环境效益。

3、提出了一种考虑动态性能与调节经济性的交直流混合微电网双层功率协同控制方法。建立交流子系统与直流子系统间的频率-电压耦合模型，结合不同主体的出力特性，构建了计及冷-热-电联供机组（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）和储能装置（Energy Storage Unit，ESU）的交直流混合微电网双层功率协同控制架构：在一次控制层，面向系统的动态性能提升需求，提出了一种多主体跨子网功率协同控制机制，其中包含三项技术—CCHP-ESU协同控制技术、储能虚拟惯量控制技术以及IC双向功率控制技术；在二次控制层，构建了以功率调节成本最小为目标的功率优化分配模型，在保障系统运行安全的前提下，对一次控制层的多主体功率参考值进行合理修正。典型运行场景下的仿真结果表明，所提双层功率协同控制方法能够有效提升交直流混合微电网的运行动态性能及调节经济性。

4、提出了一种计及需求侧管理与碳排放的综合能源微网低碳经济优化配置-运行方法。基于综合能源微网典型拓扑结构，分析供能设备的工作机理，建立其冷-热-电-气能流模型；根据不同柔性负荷特点，从不同维度构建用能体验的评价指标，提出了一种考虑多种柔性负荷用户综合满意度的需求侧管理方法；在此基础上，为进一步挖掘系统的低碳运行性能，设计了一种计及全寿命周期碳排放的奖惩阶梯型碳交易机制；随后，同时考虑所提需求侧管理方法与碳交易机制，以最大化设备全寿命周期内的总成本节约收益为优化目标，构建了从运行到规划层面的源-网-荷-储多环节协同的光-储设备配置模型及系统低碳经济优化运行方案。基于某真实综合能源微网开展算例研究，验证了所提方法的正确性与有效性。所提方案可为当前综合能源微网的经济低碳转型升级提供值得借鉴的技术范式。

研究内容

全文共分为6章：

第一章是绪论。首先阐述了主动声呐系统在海洋经济、海洋生态与海洋国防中的重要意义，介绍了功率放大器在主动声呐系统中的核心作用；然后讨论了功率放大器的发展概况，对比了各类功率放大器的特性及其应用场景；接着综述了数字功率放大器的高保真控制、高可靠控制等关键科学问题的研究现状及其高频应用前景；最后给出了本文的选题依据、整体结构和章节安排。

第二章针对数字功率放大器在高频下低载波比引起的变幅、变频信号放大失真问题，提出了虚拟载波模型预测控制方法，实现了数字功率放大器在高频下的稳态低THD输出。本章首先以全桥逆变并联拓扑为研究对象，分析了其工作原理，推导了其等效电路数学模型。其次对比了不同对称类型多电平电压的低载波比谐波特性。然后建立了权衡稳态THD与成本的最优单元模块数量评价标准，确定了最优单元模块数量。基于最优单元模块数量，提出了虚拟载波模型预测控制方法。所提控制方法考虑了最优模态与初始开关角，引入了虚拟载波的概念，优化了传统载波形式，选取了合理的虚拟载波数量，构造了开关角的有限集，在线计算了满足约束条件与最小化代价函数的最优开关角。最后实验结果表明所提控制的输出电压在高频下的稳态THD基本低于3%，提高了数字功率放大器在高频下稳态保真度。

第三章针对数字功率放大器在高频下功率器件开关频率受限导致变幅、调相信号动态响应时间长的问题，提出了单步轨迹模型预测控制方法，有效减短了数字功率放大器在高频下的动态响应时间。本章首先建立了数字功率放大器的微分方程预测模型与LC网络预测模型。其次对比了高频低载波比下，最优脉冲调制、单步模型预测控制与多步模型预测控制的动态响应时间与计算量。然后提出了单步轨迹模型预测控制方法，所提控制方法通过在线观测器初始化，优化了参考电压轨迹，并行计算了第一步输出电压预测值与第二步输出电压预测值，大幅降低了所提方法的计算量，设计了两步并行预测代价函数及其权重系数，仅用较少的计算量避免了动态跟踪过程中的过冲与下冲。最后实验结果表明所提控制的动态响应时间在高频下均小于四分之一基波周期，提高了数字功率放大器在高频下的动态响应性能。

第四章针对数字功率放大器各个功率器件在高频低载波比下开通与关断时刻不一致引起的结温不均衡问题，提出了结温均衡模型预测控制方法，实现了各工况下的功率器件结温均衡。本章首先建立了数字功率放大器的功率器件电流模型与损耗模型，分析了结温及其基波周期摆幅特性。其次分析了结温与导通压降的相关性，设计了高精度实时结温在线测量电路，建构了基于导通压降的结温特性曲线。然后提出了结温均衡模型预测控制方法，所提控制方法通过启动基波周期对各桥臂电感参数进行辨识，讨论了传统电平分配的热可靠性，建立了基于最优开关角的结温自修正代价函数，优化了开关分配状态。最后实验结果表明所提控制可在各工况下将各个功率器件结温与平均结温的温差控制在±1.0℃内，有效均衡了数字功率放大器中功率器件的结温。

第五章针对数字功率放大器发射脉冲波形导致功率器件脉冲结温摆幅大的问题，提出了基于相变材料的脉冲结温摆幅抑制方法，降低了脉冲工况下的功率器件结温摆幅。本章首先建立了热阻参数模型、热容模型与功率器件结温摆幅模型，分析了脉冲结温摆幅的影响因素，明确了结温摆幅模型中的热容为调控对象。其次介绍了相变材料的工作原理，分析了相变材料潜热过程的高热容特性，提出了基于相变材料的脉冲结温摆幅抑制方法，有效调控了热网络模型的热容。然后以最高结温与最大脉冲结温摆幅为优化目标，进一步研究了集成相变材料的散热器在脉冲工况不同阶段的热容、热阻与脉冲结温摆幅特性，设计了集成相变材料的散热器的布局方案与结构参数。最后实验结果表明所提方法最多可降低功率器件脉冲结温摆幅16%，抑制了数字功率放大器在脉冲工况的功率器件结温摆幅。

第六章针对数字功率放大器控制系统的资源分配、信息调度、数据共享以及信号同步等问题，提出了分层分域控制系统框架，实现了不同控制方法全范围工况覆盖。本章首先根据高频数字功率放大器的结构设计了控制系统框架。其次介绍了控制系统硬件电路设计，包括总控制板、光纤板、电源底板、分控制板与驱动板。然后介绍了控制系统的软件设计过程，根据实际应用需求将控制系统分成了发信链路与监测链路，分析了虚拟载波模型预测控制、单步轨迹模型预测控制与结温均衡模型预测控制的具体实现方式及其资源使用率，设计了发信链路程序、监测链路程序与分控制系统程序流程图。最后实验结果表明所研制的分层分域控制系统可有效实现理论控制方法的工程应用。

主要创新点

(1) 针对数字功率放大器在高频下低载波比引起的变幅、变频信号放大失真问题，提出了虚拟载波模型预测控制方法，实现了数字功率放大器在高频下的稳态低总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)输出。首先以全桥逆变并联拓扑为研究对象，分析了其工作原理，推导了其等效电路数学模型。其次对比了不同对称类型多电平电压的低载波比谐波特性。然后建立了权衡稳态THD与成本的最优单元模块数量评价标准，确定了最优单元模块数量。基于最优单元模块数量，提出了虚拟载波模型预测控制方法。所提控制方法考虑了最优模态与初始开关角，引入了虚拟载波的概念，优化了传统载波形式，选取了合理的虚拟载波数量，构造了开关角的有限集，在线计算了满足约束条件与最小化代价函数的最优开关角。最后实验结果表明所提控制的输出电压在高频下的稳态THD基本低于3%，提高了数字功率放大器在高频下稳态保真度。

(2) 针对数字功率放大器在高频下功率器件开关频率受限导致变幅、调相信号动态响应时间长的问题，提出了单步轨迹模型预测控制方法，有效减短了数字功率放大器在高频下的动态响应时间。首先建立了数字功率放大器的微分方程预测模型与LC网络预测模型。其次对比了高频低载波比下，最优脉冲调制、单步模型预测控制与多步模型预测控制的动态响应时间与计算量。然后提出了单步轨迹模型预测控制方法，所提控制方法通过在线观测器初始化，优化了参考电压轨迹，并行计算了第一步输出电压预测值与第二步输出电压预测值，大幅降低了所提方法的计算量，设计了两步并行预测代价函数及其权重系数，仅用较少的计算量避免了动态跟踪过程中的过冲与下冲。最后实验结果表明所提控制的动态响应时间在高频下均小于四分之一基波周期，提高了数字功率放大器在高频下的动态响应性能。

(3) 针对数字功率放大器各个功率器件在高频低载波比下开通与关断时刻不一致引起的结温不均衡问题，提出了结温均衡模型预测控制方法，实现了各工况下的功率器件结温均衡。首先建立了数字功率放大器的功率器件电流模型与损耗模型，分析了结温及其基波周期摆幅特性。其次分析了结温与导通压降的相关性，设计了高精度实时结温在线测量电路，建构了基于导通压降的结温特性曲线。然后提出了结温均衡模型预测控制方法，所提控制方法通过启动基波周期对各桥臂电感参数进行辨识，讨论了传统电平分配的热可靠性，建立了基于最优开关角的结温自修正代价函数，优化了开关分配状态。最后实验结果表明所提控制可在各工况下将各个功率器件结温与平均结温的温差控制在±1.0℃内，有效均衡了数字功率放大器中功率器件的结温。

(4) 针对数字功率放大器发射脉冲波形导致功率器件脉冲结温摆幅大的问题，提出了基于相变材料的脉冲结温摆幅抑制方法，降低了脉冲工况下的功率器件结温摆幅。首先建立了热阻参数模型、热容模型与功率器件结温摆幅模型，分析了脉冲结温摆幅的影响因素，明确了结温摆幅模型中的热容为调控对象。其次介绍了相变材料的工作原理，分析了相变材料潜热过程的高热容特性，提出了基于相变材料的脉冲结温摆幅抑制方法，有效调控了热网络模型的热容。然后以最高结温与最大脉冲结温摆幅为优化目标，进一步研究了集成相变材料的散热器在脉冲工况不同阶段的热容、热阻与脉冲结温摆幅特性，设计了集成相变材料的散热器的布局方案与结构参数。最后实验结果表明所提方法最多可降低功率器件脉冲结温摆幅16%，抑制了数字功率放大器在脉冲工况的功率器件结温摆幅。

(5) 针对数字功率放大器控制系统的资源分配、信息调度、数据共享以及信号同步等问题，提出了分层分域控制系统框架，实现了不同控制方法全范围工况覆盖。首先根据高频数字功率放大器的结构设计了控制系统框架。其次介绍了控制系统硬件电路设计，包括总控制板、光纤板、电源底板、分控制板与驱动板。然后介绍了控制系统的软件设计过程，根据实际应用需求将控制系统分成了发信链路与监测链路，分析了虚拟载波模型预测控制、单步轨迹模型预测控制与结温均衡模型预测控制的具体实现方式及其资源使用率，设计了发信链路程序、监测链路程序与分控制系统程序流程图。最后实验结果表明所研制的分层分域控制系统可有效实现理论控制方法的工程应用。

轻量化是交通运输工具节能减排的有效途径，是实现我国“双碳”目标的有力抓手。为此，纤维增强复合材料等轻质高强先进材料在车身上的应用逐渐增多，复合材料与金属材料混用的多材料车身结构成为新的发展趋势。由于具有高比强度、高比刚度、表面质量好和应力分布均匀等优势，胶粘连接在复合材料与金属的连接中备受青睐。然而，受限于连接的可靠性，目前胶粘连接主要应用于次承力或非承力结构中，在主承力结构中的单独应用还十分有限。在将其应用于重要承力结构前，需要对胶接结构在典型服役工况下的力学性能和失效机理进行充分研究，以保障其长期服役的可靠性。有资料表明，90%的工程结构破坏均与疲劳损伤有关，且胶接结构的疲劳失效分析十分困难；而胶粘剂对湿热环境的高敏感性也给胶接结构的长期服役性能带来了很大的不确定性。因此，本研究将对碳纤维增强复合材料(CFRP)与铝合金(Al)的异种材料胶接接头在疲劳和湿热两种典型服役工况下的长时域力学性能展开研究，包括异种材料接头的疲劳失效机理、湿热老化机理、疲劳损伤容限和疲劳增强机理四个内容。主要工作和研究成果如下：

(1) 表征了CFRP/Al胶接接头的疲劳断裂行为并揭示了其疲劳失效机理。基于数字图像相关技术(DIC)和疲劳加载同步方法，对接头在指定循环和相位下的变形图像进行了捕捉记录，复现了其完整的疲劳断裂历程，进而对接头粘接区局部刚度变化、胶层裂纹萌生与扩展、胶层应变演化等疲劳断裂行为进行了表征与分析。研究结果表明：循环载荷作用使粘接区末端的剥离变形程度逐渐增加，进而引起了胶层裂纹萌生与扩展；CFRP/Al胶接接头在不同载荷水平下的初始裂纹萌生位置不同，将次裂纹萌生作为接头失效的危险信号，在一定程度上能有效避免接头的疲劳破坏。本章为胶接接头的疲劳失效行为研究提供了有效方法。

(2) 探究了CFRP/Al胶接接头的疲劳损伤容限及剩余性能退化机制。基于刚度监测的疲劳损伤容限研究方法，开展了胶层缺陷统计与接头剩余强度分析，进而确定了CFRP/Al胶接接头的安全服役刚度阈值，并对接头性能退化机制进行了分析。研究结果表明：92%的归一化刚度为CFRP/Al胶接接头的安全服役临界点，此时结构的安全系数为2.5；之后，结构开始变得危险和不可靠；88%的归一化刚度对应的安全系数为1.5，该安全裕度对接头的安全服役而言完全不足够。提出的疲劳损伤容限研究方法可为胶接结构的损伤容限设计、剩余性能健康监测与运维提供有效指导。

(3) 揭示了CFRP/Al胶接接头的湿热老化机理，探究了其湿热后的疲劳剩余性能。首先分析了湿热老化给胶粘剂、CFRP基板和Al基板带来的变化；随后结合接头的断裂过程与失效断面，对湿热老化后CFRP/Al胶接接头静态拉伸强度的非单调变化进行了分析。研究结果表明：双重菲克模型描述的胶粘剂吸湿行为与其力学演化行为间有着密切关系，材料力学性能的变化是水分塑化和温度后固化相互较量的结果；接头老化后的静态和疲劳断裂行为均会发生变化，进而导致了接头复杂的剩余性能演化行为。本章内容能为胶接结构的可靠性设计提供支撑。

脊髓损伤（Spinal cord injury，SCI）是一种严重的中枢神经系统疾病，常导致患者受损脊髓平面以下感觉和运动功能障碍。SCI后神经功能重建依赖于脊髓结构的恢复，成体脊髓组织（Adult spinal cord tissue，aSCT）移植因其能为损伤脊髓修复提供神经细胞和适宜神经生长的物理支持，故在SCI修复中展现出巨大潜力。然而，移植后宿主免疫排斥反应极大限制了aSCT移植的治疗效果和临床应用。为应对这一问题，本论文提出了利用生物材料局部递送免疫抑制剂，抑制免疫排斥作用，增强aSCT移植治疗SCI效果。

首先，本研究采用三聚甘油单硬脂酸三酯（Triglycerol monostearate, TGM）作为载药缓释平台，开发炎症响应型他克莫司（Tacrolimus, TAC）局部缓释体系（TAC@TGM）。通过流变学和细胞毒性实验评估TAC@TGM的材料特性和安全性，结果表明，TAC@TGM具有温度转变特性和可注射性，对神经干细胞无毒性，并能够抑制巨噬细胞增殖，具有抗炎功能。体外释放结果显示，炎症条件能够加速TAC释放，证明其具有炎症响应性。进一步通过小鼠脊髓全横断模型评估TAC@TGM在aSCT移植中的疗效。结果显示，TAC@TGM可以显著减少移植区域炎性细胞浸润，降低M1型巨噬细胞和CD4+淋巴细胞数量，抑制炎症因子肿瘤坏死因子-α（Tumor necrosis factor-α, TNF-α）和白细胞介素-2（Interleukin-2, IL-2）水平，有效改善局部免疫微环境。同时，TAC@TGM的植入可显著提高移植aSCT的存活率及移植区域神经元数量，促进移植后运动功能恢复。此外，苏木素-伊红染色和血清生化检测发现，相比于全身性TAC用药，局部递送TAC能够有效减轻肝、肾细胞的损伤，并降低血液中肝肾损伤敏感指标。以上结果表明，炎症响应型TAC局部递送体系能够抑制脊髓移植后的免疫排斥反应，提高移植物存活率，从而促进SCI小鼠运动功能恢复。

尽管如此，相比于正常小鼠，其运动功能仍存在一定差距，宿主内源性神经再生不佳是影响移植后功能恢复的主要障碍。为此，我们进一步设计生物功能性TAC递送体系，使用生物活性纳米囊泡（Nanovesicle, NV）作为免疫抑制剂缓释载体，以达到递送免疫抑制剂协同诱导内源性神经再生的目的。首先分离得到重编程间充质干细胞（Reprogrammed marrow mesenchymal stem cell, rMSC）来源的纳米囊泡（rMSC-NV）。体外细胞实验证明rMSC-NV具有良好生物活性，及促进神经干细胞增殖和小脑颗粒神经元轴突生长的功能。巨噬细胞极化实验发现，rMSC-NV能够减少M1型巨噬细胞数量。为了寻找rMSC-NV调控细胞功能的潜在机制，我们通过测序分析比对rMSC-NV和普通MSC-NV间差异表达miRNA和蛋白质。结果显示，相比于MSC-NV，rMSC-NV中与轴突生长和细胞周期相关生物学过程显著上调，更有利于促进轴突再生和神经细胞的增殖。为证明rMSC-NV生物学功能，我们将rMSC-NV包裹在光交联明胶水凝胶（Visible light cross-linked hydrogel, Gl）中，移植入脊髓全横断损伤模型，发现rMSC-NV@Gl能够显著增加横断区域中β3-微管蛋白（Neuronal class III β-tubulin，Tuj-1）阳性神经元数量，说明rMSC-NV具有诱导内源性神经再生的功能。基于以上结果，我们进一步利用rMSC-NV对疏水基团的亲和作用吸附TAC，并使用Gl进行包裹，从而获得纳米囊泡水凝胶TAC递送体系（rMSC-NV-TAC@Gl），在aSCT移植动物模型中验证其对免疫调控和神经修复的协同作用。体内结果显示，rMSC-NV-TAC@Gl在保护移植物存活的同时，可有效促进宿主内源性神经再生并引导其向移植区迁移和生长。Basso Mouse Scale运动功能评分、足迹实验和电生理检测发现rMSC-NV-TAC@Gl有效增强了aSCT移植后的运动功能恢复。以上结果表明，rMSC-NV在递送免疫抑制剂的同时可以有效促进内源性神经再生，进而增强aSCT移植疗效，更有效促进神经和运动功能恢复。

综上所述，本论文构建了炎症响应型和生物功能型两种TAC局部递送体系。两种体系均可实现TAC局部缓释，有效抑制脊髓移植后宿主免疫排斥反应，提高移植脊髓存活并增强移植物发挥SCI修复功能。炎症响应型释放体系能够根据局部炎症反应强弱调控TAC的释放速度，精准调控抑制局部免疫排斥反应所需的TAC释放剂量，有效降低全身性免疫抑制剂使用带来的毒副作用。生物活性功能型释放体系在递送TAC的同时，能够促进内源性神经再生，进一步增强aSCT移植的治疗效果。本研究使用生物材料局部递送免疫抑制剂策略不仅为组织移植治疗SCI提供了新的思路，也为其他疾病的细胞/组织移植疗法提供了潜在的治疗方案，拓宽了再生医学领域的应用前景。