東南大學最新研究成果:AI在5G中的運用,三維人體重建,微能源回收...

　　東南大學科研團隊近期又取得了數項成果和突破。三維人體重建研究方面取得重要進展，缺血性腦卒中研究領域取得新進展，數學超常大腦……，一起來看看東南大學的科研成果。

　　東南大學尤肖虎教授等聯合署名論文入選「2020電子信息領域優秀科技論文」

　　日前，中國電子學會發布「電子信息領域優秀科技論文（2020）遴選活動」入選論文。東南大學尤肖虎、張川、談曉思、金石、鄔賀銓聯合署名的論文《AI for 5G: research directions and paradigms》榜上有名。

　　為了滿足未來10年移動網際網路的全新需求，5G適用面將更為廣泛，系統設計更為複雜。儘管，AI技術為解決5G系統的設計與優化，提供了超越傳統理念與性能的可能。然而，面對5G系統中大量傳統方法難以建模、求解、或高效實現的問題，相關研究、發展方向仍不明晰。該論文對AI在5G系統設計與優化中的典型問題進行梳理，從而確定其在5G系統中更有潛在應用價值的方向：組合優化方向、檢測方向、估計方向。

　　論文前瞻性地指出，AI在5G中的4類應用：無法建模問題、難以求解問題、統一模式高效實現問題，及最優檢測與估計問題。論文於2019年2月刊發於《中國科學：信息科學》英文版（SCIENCE CHINA Information Sciences, 2019, 62（2）: 21301）。自刊發之日起，論文獲得了研究界、產業界的廣泛關注，相關推送的閱讀（下載）量近兩萬次，曾入選ESI高被引論文。

　　為引導更多高水平電子信息領域科研成果在國內科技期刊或學術會議發表，中國電子學會組織開展了「2020電子信息領域優秀科技論文遴選活動」。經相關高校、科研機構、期刊編輯部以及專家的推薦，共收到近百篇推薦論文。經評審專家組分組函評和會評，最終確定8篇論文入選。

　　東南大學虛擬實境技術研究成果被計算機圖形學頂級會議IEEE VR錄用

　　2020年IEEE Virtual Reality conference （IEEEVR）近期發布了論文錄用結果，東南大學自動化學院魏海坤教授團隊關於虛擬實境中全向運動輸入問題的2篇研究成果被大會同時接收，並做口頭報告。兩篇論文的第一作者均為2017級博士研究生王子嶢，其指導老師是魏海坤教授。

　　針對虛擬實境中場景移動受限的問題，論文Real Walking in Place: Hex-Core-Prototype Omnidirectional Treadmill提出並實現了一種全新的小型化VR跑步機，使得人體能夠在原地進行任意方向的自然行走，為VR內容創作帶來了無限可能。另一篇論文Omnidirectional Motion Input: The Basis of Natural Interaction in Room-Scale Virtual Reality提出全向運動輸入的概念，結合了人體移動輸入與人體動作輸入，使得用戶能夠身處現實，卻漫步於虛擬世界，一切觸手可及，為虛擬實境自然交互開闢了新的研究方向。

　　IEEE VR是全球計算機圖形學領域國際頂級會議，指引著虛擬實境領域未來的研究方向，被中國計算機學會（CCF）列為A類會議。魏海坤教授團隊近年來開始進行虛擬實境移動與交互領域相關研究，已完成與此次接收論文相關的發明專利5項，其中已授權3項。團隊目前正在研製下一代VR跑步機Hex-Core-MK1，有望在性能、可靠性等核心指標取得大幅提升。

　　東南大學王雁剛團隊在三維人體重建研究方面取得重要進展

　　近日，東南大學自動化學院模式識別與智能系統學科組暨教育部重點實驗室「複雜工程系統測量與控制」王雁剛副教授團隊在虛擬實境領域中三維虛擬人重建取得重要進展。團隊首次考慮了帶物體遮擋的三維人體重建難題，重建結果與精度達到了世界一流水平。相關成果以題為「Object-Occluded Human Shape and Pose Estimation from a Single Color Image」在計算機視覺與模式識別領域頂級會議CVPR 2020上以口頭報告（oral）論文發表。據悉，CVPR2020接收有效投稿6656篇，其中錄用論文1467篇，錄用口頭報告論文335篇，口頭報告論文接收率僅為5%。

圖1遮擋人體三維重建流程圖

　　人體動態三維重建是計算機視覺、計算機圖形學、虛擬實境領域中的一個非常重要的問題。高質量的人體三維重建對新一代信息技術產業的發展至關重要，可能會催生新的產業形態，如運動重定向、第一人稱動畫等。當前，精確的人體三維重建需要依賴較為複雜的硬體設備（如：多視角相機，IMU傳感器等）。近年來，隨著深度學習的發展，從單張彩色圖像中恢復人體的形狀與姿態取得了飛速發展。然而值得一提的是，現有的方法無一不是針對無遮擋或少量自遮擋情形開展研究，在本項工作發表之前，尚未有研究工作針對有嚴重的物體遮擋進行分析與討論。事實上，人與物體之間的遮擋在實際場景中非常普遍，如快遞員搬運貨物等。此項研究工作彌補了物體遮擋的人體三維重建技術和方法的缺失，並提出了有效的解決方案。

　　本研究中，團隊針對複雜物體遮擋的單彩色圖像人體三維重建問題，提出基於紋理圖的三維人體模型表示方法，將遮擋人體三維建模轉化為紋理圖補全問題，構建二分支神經網絡訓練策略，保證隱空間高維特徵一致性，實現複雜物體遮擋的實時人體動態三維重建，圖1為人體重建的流程框圖。本研究提出的方法重建出的三維人體2項指標（MPJPE、PAMPJPE）均領先於世界同期最好結果。

　　該研究工作由自動化學院模式識別學科組碩士一年級學生張天舒、黃步真共同完成，王雁剛副教授為通訊作者，東南大學為唯一完成單位。該研究成果受到國家自然科學基金，江蘇省自然科學基金，以及東南大學至善學者獎勵計劃資助。

　　東南大學王海賢教授課題組發現數學超常大腦特有的源空間同步態轉換規律

　　近日，生物科學與醫學工程學院腦與學習科學系、兒童發展與學習科學教育部重點實驗室王海賢教授課題組在數學超常青少年動態腦功能網絡研究中取得新成果，發現了數學超常大腦特有的源空間同步態轉換規律。相關研究成果以「EEG source-space synchrostate transitions and Markov modelling in the math-gifted brain during a long-chain reasoning task」為題發表在認知神經方法學領域國際頂級期刊《Human Brain Mapping》上。

　　早期神經影像研究揭示數學超常大腦具有高度發達的結構與功能連接網絡。然而，腦網絡是一個動態複雜系統，王海賢教授課題組立足於複雜腦網絡與動態系統理論，將頭皮腦電（EEG）狀態研究拓展到顱內活躍的源信號間短時相位同步性模式（即同步態），剖析了數學超常青少年有別於普通人大腦全局神經元網絡的轉換動力學特性。該研究所有同步態中提取了8個原型功能連接狀態，分別對應於默認模式網絡、中央執行網絡、背外側注意網絡、帶狀蓋網絡、左/右腹外側額頂網絡、腹側視覺網絡和右側額顳網絡（圖1）。

圖1. 從同步態數據集中提取的8個原型功能連接狀態

　　研究發現，與普通對照組被試相比，數學超常青少年在推理任務時間進程中中央執行網絡（涉及維護注意、工作記憶信息檢索、正確決策等）與右側額顳網絡（響應於想像、推理、創造性思維等）具有更高的發生頻次和持續時長;中央執行網絡和右側額顳網絡具有更多的自循環圈，這表明在數學超常大腦中這兩種功能連接微狀態具有更高的拓撲結構維持能力和時間穩定性;具有更高的從其它6個網絡模式到中央執行網絡和右側額顳網絡狀態的轉換概率，這意味著數學超常大腦具有特殊的網絡拓撲適應性再重組趨勢，這種趨勢更好地促進了長鏈推理過程中大腦對任務全局的中央控制功能、及邏輯思維中想像與創造性思維等認知響應的發生。

　　論文第一作者張莉為東南大學學習科學研究中心博士畢業生，目前為蚌埠醫學院副教授，英國埃塞克斯大學甘強教授為合作者之一，東南大學為唯一通訊單位。

　　東南大學婁永兵課題組在《ACS Nano》發表最新研究成果

　　近日，化學化工學院婁永兵教授課題組在國際頂級期刊《ACS Nano》上發表題為「MoS2-Stratified CdS-Cu2‒xS Core−Shell Nanorods for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Production」（二硫化鉬層化硫化鎘−硫化銅核−殼納米棒用於高效光催化制氫）的學術論文。

　　異質結構的光催化劑材料被廣泛地應用於高效光催化裂解水產氫。但是，由於在異質結構材料中通常會存在強烈的離子遷移效應，這會嚴重導致材料的穩定性降低，特別是對於典型的CdS-Cu2-xS材料而言，其高的Cu+離子遷移率會導致其穩定性極低，進而嚴重製約其光催化產氫性能。有鑑於此，本課題組首次利用Cu+離子高的遷移率巧妙地設計了一種特殊三元層狀結構的CdS-Cu2-xS/MoS2光催化劑材料。在這種異質結構催化劑材料中，由於外層MoS2（002）晶面與相鄰內層Cu2-xS（002）晶面高度匹配，因而外層MoS2層可以垂直生長在內層Cu2-xS表面;此外，由於Cu+具有高的離子遷移率以及Cu+離子所在的Cu2-xS層與鄰近的MoS2層之間形成緊密的異質界面，因此，Cu+離子能夠遷移並插入到表面MoS2層晶體結構中形成Cu+@MoS2催化保護層。這種垂直生長在一維核-殼CdS-Cu2-xS納米棒表面的Cu+@MoS2納米片陣列作為催化和保護層不僅能夠提高光催化劑材料的穩定性（連續光催化產氫20小時，其穩定性基本保持不變），而且能夠促進其光催化裂解水產氫性能（三元CdS-Cu2-xS/MoS2光催化產氫速率達到14184.8 μmol g−1 h−1，與CdS-Cu2-xS和CdS相比，其光催化產氫速率提高了12.7和97.2倍）。這得益於所設計的獨特分層狀異質結構、有效的雜化Cu+@MoS2催化和保護層以及催化劑材料在可見光範圍內強的激子共振吸收。

　　此外，通過飛秒時間分辨的瞬態吸收光譜動力學測試和掃描離子電導顯微鏡直接表面電荷成像進一步證實了光催化反應過程中的電荷轉移機理。這種新的設計策略表明利用高的離子遷移率設計的雜化表面層可以作為一種有效的催化和保護異質界面用於提高催化劑材料的穩定性和光催化產氫性能。

　　Figure 1.Structural and elemental characterization of stratified CdS-Cu2‒xS/MoS2. （A） Schematic illustration of the formation process of stratified CdS-Cu2‒xS/MoS2via sequential cation-exchange and seedgrowth methods. Representative low-magnification of （B） entire morphology and （C） individual morphology as well as high-magnification （D） of the corresponding three different components i. CdS core region, ii. Cu2‒xS shell region, and iii. MoS2 ring-shaped thinnanosheet region. （E） Three-dimensional profile TEM of stratified CdS-Cu2‒xS/MoS2 and （F） HAADF-STEM image of an individual stratified CdS-Cu2‒xS/MoS2 system. STEM-EELS elemental mapping of stratified CdS-Cu2‒xS/MoS2: （G） Cd Lα, （H） Cu Kα, （I） Mo Kα, （J） S Kα, which reveal that the CuIcations are intercalated within the MoS2 basal plane and thus form an efficient hybridized CuI@MoS2 surface layer.

　　本文第一作者為東南大學化學化工學院婁永兵教授課題組的博士生劉國寧，東南大學為第一通訊單位。

　　東南大學醫學院教授姚紅紅課題組在缺血性腦卒中研究領域取得新進展

　　東南大學醫學院姚紅紅教授和中科院昆明動物研究所王建紅副教授在缺血性腦卒中病理機制及幹預策略研究上獲得新進展。相關研究成果以「細胞外囊泡遞載circSCMH1促進嚙齒類和非人靈長類腦卒中動物模型功能修復」（Extracellular Vesicle-Mediated Delivery of CircSCMH1 Promotes Functional Recovery in Rodent and Nonhuman Primate Ischemic Stroke Models）為題，於2020年5月22日發表於《循環》（Circulation）雜誌上。

　　缺血性腦卒中（Ischemic Stroke）是一種因血管阻塞導致局部或全腦功能障礙的腦血管疾病，是我國成年人致死和致殘的重要原因。隨著醫療條件的進步，缺血性腦卒中患者死亡率逐年降低，但是大部分患者存在肢體感覺運動、情感認知等障礙。目前，仍然缺乏促進缺血性腦損傷後神經功能修復的藥物，且卒中後神經功能修復的機制也尚未闡明。

　　姚紅紅課題組應用circRNA晶片篩選技術，首先從急性缺血性腦卒中病人血漿樣本進行環狀RNA（Circular RNA，circRNA）表達譜篩選，發現circSCMH1表達顯著降低。進一步擴大樣本檢測並進行相關性分析發現，血漿中circSCMH1水平具有缺血性腦損傷預後評估的潛力。通過構建靶向中樞並且包裹circSCMH1的細胞外囊泡（Extracellular Vesicle，EV），發現circSCMH1-EVs顯著促進不同腦卒中小動物模型（tMCAO，dMCAO和PT）腦損傷修復，並在非人靈長類動物腦卒中模型上證實circSCMH1-EVs可顯著改善腦卒中恆河獼猴的神經功能損傷程度並促進運動功能恢復。進一步機制研究表明，circSCMH1可以通過與MeCP2結合，抑制MeCP2入核，進而促進MeCP2下遊靶基因Mobp、Igfbp3、Fxyd1和Prodh等基因的表達。

　　該研究從環狀RNA層面揭示了缺血性腦損傷後神經功能修復的新機制，並且為環狀RNA的中樞靶向遞送策略研究提供了新思路，為治療缺血性腦卒中的新藥研發提供了新靶點。此項研究工作由姚紅紅教授和王建紅副教授聯合指導，研究生楊莉和青年教師韓冰為共同第一作者。相關工作得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金和江蘇省雙創團隊等項目的資助。

　　東南大學肖睿教授團隊在微能源回收利用方向取得重要進展

　　日前，東南大學能源與環境學院肖睿教授領銜的清潔能源團隊利用廢棄生物質秸稈實現了在空氣中高效的淨水和產電，實現了廢棄生物質的新型高效利用。通過對廢棄玉米秸稈進行簡單的預處理，實現了玉米秸稈在全溼度環境下從空氣中回收淨水、並源源不斷的產生直流電壓，所產生的電壓可以驅動電子計算器等電子器件，為生物質利用和微能源回收等交叉學科提供了新的研究方向（圖1）。

　　相關成果以Agricultural waste-derived Moisture-absorber for All-weather Atmospheric Water Collection and Electricity Generation為題發表在微能源領域頂級期刊Nano Energy上，論文得到了審稿人的一致好評。東南大學為該論文第一作者和第一通訊單位，肖睿教授為通訊作者，青年教師鞏峰和本科生李昊為論文的共同第一作者。

　　隨著人類社會發展和人口快速增長，能源危機與飲用水短缺已經成為人類面臨的共同挑戰。大氣中每時每刻都蘊含大量的水蒸氣（~1021升水當量），如果能實現從空氣中回收水蒸氣並產生純淨的水，有望解決貧困缺水地區的飲用水短缺問題。鑑於此，清潔能源團隊創新性的從廢棄生物質材料出發，利用廢棄秸稈豐富的孔道結構和大比表面積等固有特徵，開發了高性能的空氣產水材料，實現了全溼度環境的高效產水。在20%-80%的廣溼度和5-65 ℃廣溫度區間內，廢棄秸稈可以實現0.5-2.0 kg kg-1的產水速率，驗證了該生物質秸稈在不同外在環境下的產水性能（從寒帶到熱帶、從沙漠到熱帶雨林等）。通過對冷凝裝置的巧妙設計，實現了廢棄秸稈夜晚吸水-白天產水的高效全天候產水，如圖2所示。

　　此外，清潔能源團隊巧妙的利用廉價的商業墨水實現了對廢棄秸稈的表面性質調控，進而實現了在廢棄秸稈吸收空氣溼度的同時源源不斷的產生高達600 mV的電壓，設計並製備了利用空氣溼度淨水和產電的集成器件，該器件在淨水的同時產生的電能可以驅動電子計算器等電子設備，驗證了該裝置作為微能源發電裝置的潛在應用，如圖3所示。

　　該研究為固廢高值化利用和微能源回收提供了新的研究方向，有望為萬物互聯的物聯網低功耗器件提供可靠的供電系統，有望解決偏遠地區和極端環境下的可靠供電問題。該研究受到科技部重點研發計劃和東南大學至善學者計劃支持。近年來，肖睿教授和鞏峰老師已經指導本科生取得了一系列的研究成果，相關研究成果發表在Nano Energy （2篇），Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal等國際知名學術期刊。

　　東南大學遊雨蒙教授團隊發現限域效應驅動的二維碘化鉛鈣鈦礦鐵電體

　　前期，東南大學化學化工學院國際分子鐵電科學與應用研究院暨江蘇省「分子鐵電科學與應用」重點實驗室科研人員首次發現了雜化鉛碘鈣鈦礦分子鐵電薄膜中的「渦旋-反渦旋」（vortex-antivortex）疇結構。此次，遊雨蒙教授團隊再次在分子鐵電材料領域傳來喜訊，發現了由限域效應驅動的二維有機-無機雜化鉛碘鈣鈦礦鐵電體。相關研究成果以「Confinement-Driven Ferroelectricity in a Two-Dimensional HybridLead Iodide Perovskite」為題發表在化學領域頂級刊物Journal of the American Chemical Society《美國化學會會志》上。

圖1.利用限域效應設計有機-無機雜化鉛碘鈣鈦礦鐵電體示意圖

　　在MOF材料中，孔洞中的客體分子常常會受到來自MOF剛性骨架的環境限制而發生結構/構型的轉變，從而帶來某些在傳統固體或者溶液狀態下無法獲得的物理或化學響應。類似地，團隊首次將這種結構上的限域效應引入到有機-無機雜化鈣鈦礦領域來設計性能優越的分子鈣鈦礦鐵電體。如圖1所示，純的無機碘化鉛是一種具有六角密堆積結構的二維層狀材料，不具備鐵電特性。我們將同樣是非鐵電體的有機氮雜環胺碘鹽與碘化鉛進行組裝,再結合「氟代效應」 改性策略，成功合成了二維有機-無機雜化鉛碘鈣鈦礦分子鐵電體[4,4-difluorohexahydroazepine]2PbI4（[4,4-DFHHA]2PbI4）。

　　對比一維和二維雜化鈣鈦礦中的分子間作用力，雙氟取代後的有機胺陽離子之間通過C-F…H-C弱相互作用形成二維有機陽離子層。這種柔性的有機層有利於構築和穩定二維 （PbI4）n2- 無機層骨架。更加重要的是，相比於由面共享的PbI6八面體組成的一維堆積空間，這種由頂點共享的PbI6八面體組成的二維鈣鈦礦無機層（PbI4）n2-對夾層中的有機胺陽離子的限制作用更強，從而使得4,4-DFHHA陽離子在室溫中處於凍結的有序狀態。

　　圖2.（a-d）[4,4-DFHHA]2PbI4在不同溫度下的晶體堆積圖對比;（e-h）4,4-DFHHA陽離子在（PbI4）n2-無機層骨架中的簡化分布示意圖

　　如圖2所示，在293 K時，4,4-DFHHA陽離子受二維 （PbI4）n2-無機層限域環境的影響，在晶體堆積過程中呈現出不對稱分布導致沿b軸方向的自發極化產生。隨著溫度的升高，晶格熱膨脹以及扭曲PbI6八面體的正常化使得（PbI4）n2-無機層骨架對陽離子的束縛作用減弱，導致了陽離子從室溫鐵電相的有序狀態逐漸轉變為高溫順電相的高度無序狀態並伴隨著強烈的重新取向運動，最終使得極化為零。

圖3. [4,4-DFHHA]2PbI4的疇結構及極化翻轉圖

圖4. [4,4-DFHHA]2PbI4的紫外可見吸收光譜

　　隨後，通過壓電力顯微鏡（PFM），我們直接觀測到了[4,4-DFHHA]2PbI4薄膜的鐵電疇結構及其在外加電場作用下的翻轉，這是該材料鐵電性的直接證明（圖3）。紫外可見吸收光譜測試表明[4,4-DFHHA]2PbI4是一個帶隙為2.32 eV 的直接帶隙半導體（圖4）。室溫下明顯的鐵電特性和低帶隙的半導體特徵使其有望成為新一代基於鐵電光伏效應的有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池。

　　據悉，該工作由陳曉剛、宋賢江、張志旭等博士生共同完成，東南大學為唯一完成單位，遊雨蒙教授等為通訊作者。該成果得到「東南大學十大科學與技術問題」啟動培育基金的資助。