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前沿 AI在5G中的运用……东南大学最新研究成果来

2020-07-09 08:10

  日前,中国电子学会发布“电子信息领域优秀科技论文(2020)遴选活动”入选论文。东南大学尤肖虎、张川、谈晓思、金石、邬贺铨联合署名的论文《AI for 5G: research directions and paradigms》榜上有名。

  为了满足未来10年移动互联网的全新需求,5G适用面将更为广泛,系统设计更为复杂。尽管,AI技术为解决5G系统的设计与优化,提供了超越传统理念与性能的可能。然而,面对5G系统中大量传统方法难以建模、求解、或高效实现的问题,相关研究、发展方向仍不明晰。该论文对AI在5G系统设计与优化中的典型问题进行梳理,从而确定其在5G系统中更有潜在应用价值的方向:组合优化方向、检测方向、估计方向。

  论文前瞻性地指出,AI在5G中的4类应用:无法建模问题、难以求解问题、统一模式高效实现问题,及最优检测与估计问题。论文于2019年2月刊发于《中国科学:信息科学》英文版(SCIENCE CHINA Information Sciences, 2019, 62(2): 21301)。自刊发之日起,论文获得了研究界、产业界的广泛关注,相关推送的阅读(下载)量近两万次,曾入选ESI高被引论文。

  为引导更多高水平电子信息领域科研成果在国内科技期刊或学术会议发表,中国电子学会组织开展了“2020电子信息领域优秀科技论文遴选活动”。经相关高校、科研机构、期刊编辑部以及专家的推荐,共收到近百篇推荐论文。经评审专家组分组函评和会评,最终确定8篇论文入选。

  2020年IEEE Virtual Reality conference (IEEEVR)近期发布了论文录用结果,东南大学自动化学院魏海坤教授团队关于虚拟现实中全向运动输入问题的2篇研究成果被大会同时接收,并做口头报告。两篇论文的第一作者均为2017级博士研究生王子峣,其指导老师是魏海坤教授。

  针对虚拟现实中场景移动受限的问题,论文Real Walking in Place: Hex-Core-Prototype Omnidirectional Treadmill提出并实现了一种全新的小型化VR跑步机,使得人体能够在原地进行任意方向的自然行走,为VR内容创作带来了无限可能。另一篇论文Omnidirectional Motion Input: The Basis of Natural Interaction in Room-Scale Virtual Reality提出全向运动输入的概念,结合了人体移动输入与人体动作输入,使得用户能够身处现实,却漫步于虚拟世界,一切触手可及,为虚拟现实自然交互开辟了新的研究方向。

  IEEE VR是全球计算机图形学领域国际顶级会议,指引着虚拟现实领域未来的研究方向,被中国计算机学会(CCF)列为A类会议。魏海坤教授团队近年来开始进行虚拟现实移动与交互领域相关研究,已完成与此次接收论文相关的发明专利5项,其中已授权3项。团队目前正在研制下一代VR跑步机Hex-Core-MK1,有望在性能、可靠性等核心指标取得大幅提升。

  近日,东南大学自动化学院模式识别与智能系统学科组暨教育部重点实验室“复杂工程系统测量与控制”王雁刚副教授团队在虚拟现实领域中三维虚拟人重建取得重要进展。团队首次考虑了带物体遮挡的三维人体重建难题,重建结果与精度达到了世界一流水平。相关成果以题为“Object-Occluded Human Shape and Pose Estimation from a Single Color Image”在计算机视觉与模式识别领域顶级会议CVPR 2020上以口头报告(oral)论文发表。据悉,CVPR2020接收有效投稿6656篇,其中录用论文1467篇,录用口头报告论文335篇,口头报告论文接收率仅为5%。

  人体动态三维重建是计算机视觉、计算机图形学、虚拟现实领域中的一个非常重要的问题。高质量的人体三维重建对新一代信息技术产业的发展至关重要,可能会催生新的产业形态,如运动重定向、第一人称动画等。当前,精确的人体三维重建需要依赖较为复杂的硬件设备(如:多视角相机,IMU传感器等)。近年来,随着深度学习的发展,从单张彩色图像中恢复人体的形状与姿态取得了飞速发展。然而值得一提的是,现有的方法无一不是针对无遮挡或少量自遮挡情形开展研究,在本项工作发表之前,尚未有研究工作针对有严重的物体遮挡进行分析与讨论。事实上,人与物体之间的遮挡在实际场景中非常普遍,如快递员搬运货物等。此项研究工作弥补了物体遮挡的人体三维重建技术和方法的缺失,并提出了有效的解决方案。

  本研究中,团队针对复杂物体遮挡的单彩色图像人体三维重建问题,提出基于纹理图的三维人体模型表示方法,将遮挡人体三维建模转化为纹理图补全问题,构建二分支神经网络训练策略,保证隐空间高维特征一致性,实现复杂物体遮挡的实时人体动态三维重建,图1为人体重建的流程框图。本研究提出的方法重建出的三维人体2项指标(MPJPE、PAMPJPE)均领先于世界同期最好结果。

  该研究工作由自动化学院模式识别学科组硕士一年级学生张天舒、黄步真共同完成,王雁刚副教授为通讯作者,东南大学为唯一完成单位。该研究成果受到国家自然科学基金,江苏省自然科学基金,以及东南大学至善学者奖励计划资助。

  早期神经影像研究揭示数学超常大脑具有高度发达的结构与功能连接网络。然而,脑网络是一个动态复杂系统,王海贤教授课题组立足于复杂脑网络与动态系统理论,将头皮脑电(EEG)状态研究拓展到颅内活跃的源信号间短时相位同步性模式(即同步态),剖析了数学超常青少年有别于普通人大脑全局神经元网络的转换动力学特性。该研究所有同步态中提取了8个原型功能连接状态,分别对应于默认模式网络、中央执行网络、背外侧注意网络、带状盖网络、左/右腹外侧额顶网络、腹侧视觉网络和右侧额颞网络(图1)。

  研究发现,与普通对照组被试相比,数学超常青少年在推理任务时间进程中中央执行网络(涉及维护注意、工作记忆信息检索、正确决策等)与右侧额颞网络(响应于想象、推理、创造性思维等)具有更高的发生频次和持续时长;中央执行网络和右侧额颞网络具有更多的自循环圈,这表明在数学超常大脑中这两种功能连接微状态具有更高的拓扑结构维持能力和时间稳定性;具有更高的从其它6个网络模式到中央执行网络和右侧额颞网络状态的转换概率,这意味着数学超常大脑具有特殊的网络拓扑适应性再重组趋势,这种趋势更好地促进了长链推理过程中大脑对任务全局的中央控制功能、及逻辑思维中想象与创造性思维等认知响应的发生。

  论文第一作者张莉为东南大学学习科学研究中心博士毕业生,目前为蚌埠医学院副教授,英国埃塞克斯大学甘强教授为合作者之一,东南大学为唯一通讯单位。

  异质结构的光催化剂材料被广泛地应用于高效光催化裂解水产氢。但是,由于在异质结构材料中通常会存在强烈的离子迁移效应,这会严重导致材料的稳定性降低,特别是对于典型的CdS-Cu2-xS材料而言,其高的Cu+离子迁移率会导致其稳定性极低,进而严重制约其光催化产氢性能。有鉴于此,本课题组首次利用Cu+离子高的迁移率巧妙地设计了一种特殊三元层状结构的CdS-Cu2-xS/MoS2光催化剂材料。在这种异质结构催化剂材料中,由于外层MoS2(002)晶面与相邻内层Cu2-xS(002)晶面高度匹配,因而外层MoS2层可以垂直生长在内层Cu2-xS表面;此外,由于Cu+具有高的离子迁移率以及Cu+离子所在的Cu2-xS层与邻近的MoS2层之间形成紧密的异质界面,因此,Cu+离子能够迁移并插入到表面MoS2层晶体结构中形成Cu+@MoS2催化保护层。这种垂直生长在一维核-壳CdS-Cu2-xS纳米棒表面的Cu+@MoS2纳米片阵列作为催化和保护层不仅能够提高光催化剂材料的稳定性(连续光催化产氢20小时,其稳定性基本保持不变),而且能够促进其光催化裂解水产氢性能(三元CdS-Cu2-xS/MoS2光催化产氢速率达到14184.8 μmol g−1 h−1,与CdS-Cu2-xS和CdS相比,其光催化产氢速率提高了12.7和97.2倍)。这得益于所设计的独特分层状异质结构、有效的杂化Cu+@MoS2催化和保护层以及催化剂材料在可见光范围内强的激子共振吸收。

  此外,通过飞秒时间分辨的瞬态吸收光谱动力学测试和扫描离子电导显微镜直接表面电荷成像进一步证实了光催化反应过程中的电荷转移机理。这种新的设计策略表明利用高的离子迁移率设计的杂化表面层可以作为一种有效的催化和保护异质界面用于提高催化剂材料的稳定性和光催化产氢性能。

  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 ace layer.

  本文第一作者为东南大学化学化工学院娄永兵教授课题组的博士生刘国宁,东南大学为第一通讯单位。

  缺血性脑卒中(Ischemic Stroke)是一种因血管阻塞导致局部或全脑功能障碍的脑血管疾病,是我国成年人致死和致残的重要原因。随着医疗条件的进步,缺血性脑卒中患者死亡率逐年降低,但是大部分患者存在肢体感觉运动、情感认知等障碍。目前,仍然缺乏促进缺血性脑损伤后神经功能修复的药物,且卒中后神经功能修复的机制也尚未阐明。

  姚红红课题组应用circRNA芯片筛选技术,首先从急性缺血性脑卒中病人血浆样本进行环状RNA(Circular RNA,circRNA)表达谱筛选,发现circSCMH1表达显著降低。进一步扩大样本检测并进行相关性分析发现,血浆中circSCMH1水平具有缺血性脑损伤预后评估的潜力。通过构建靶向中枢并且包裹circSCMH1的细胞外囊泡(Extracellular Vesicle,EV),发现circSCMH1-EVs显著促进不同脑卒中小动物模型(tMCAO,dMCAO和PT)脑损伤修复,并在非人灵长类动物脑卒中模型上证实circSCMH1-EVs可显著改善脑卒中恒河猕猴的神经功能损伤程度并促进运动功能恢复。进一步机制研究表明,circSCMH1可以通过与MeCP2结合,抑制MeCP2入核,进而促进MeCP2下游靶基因Mobp、Igfbp3、Fxyd1和Prodh等基因的表达。

  该研究从环状RNA层面揭示了缺血性脑损伤后神经功能修复的新机制,并且为环状RNA的中枢靶向递送策略研究提供了新思路,为治疗缺血性脑卒中的新药研发提供了新靶点。此项研究工作由姚红红教授和王建红副教授联合指导,研究生杨莉和青年教师韩冰为共同第一作者。相关工作得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金和江苏省双创团队等项目的资助。

  日前,东南大学能源与环境学院肖睿教授领衔的清洁能源团队利用废弃生物质秸秆实现了在空气中高效的净水和产电,实现了废弃生物质的新型高效利用。通过对废弃玉米秸秆进行简单的预处理,实现了玉米秸秆在全湿度环境下从空气中回收净水、并源源不断的产生直流电压,所产生的电压可以驱动电子计算器等电子器件,AG集团,为生物质利用和微能源回收等交叉学科提供了新的研究方向(图1).

  相关成果以Agricultural waste-derived Moisture-absorber for All-weather Atmospheric Water Collection and Electricity Generation为题发表在微能源领域顶级期刊Nano Energy上,论文得到了审稿人的一致好评。东南大学为该论文第一作者和第一通讯单位,肖睿教授为通讯作者,青年教师巩峰和本科生李昊为论文的共同第一作者。

  随着人类社会发展和人口快速增长,能源危机与饮用水短缺已经成为人类面临的共同挑战。大气中每时每刻都蕴含大量的水蒸气(~1021升水当量),如果能实现从空气中回收水蒸气并产生纯净的水,有望解决贫困缺水地区的饮用水短缺问题。鉴于此,清洁能源团队创新性的从废弃生物质材料出发,利用废弃秸秆丰富的孔道结构和大比表面积等固有特征,开发了高性能的空气产水材料,实现了全湿度环境的高效产水。在20%-80%的广湿度和5-65 ℃广温度区间内,废弃秸秆可以实现0.5-2.0 kg kg-1的产水速率,验证了该生物质秸秆在不同外在环境下的产水性能(从寒带到热带、从沙漠到热带雨林等)。通过对冷凝装置的巧妙设计,实现了废弃秸秆夜晚吸水-白天产水的高效全天候产水,如图2所示。

  此外,清洁能源团队巧妙的利用廉价的商业墨水实现了对废弃秸秆的表面性质调控,进而实现了在废弃秸秆吸收空气湿度的同时源源不断的产生高达600 mV的电压,设计并制备了利用空气湿度净水和产电的集成器件,该器件在净水的同时产生的电能可以驱动电子计算器等电子设备,验证了该装置作为微能源发电装置的潜在应用,如图3所示。

  该研究为固废高值化利用和微能源回收提供了新的研究方向,有望为万物互联的物联网低功耗器件提供可靠的供电系统,有望解决偏远地区和极端环境下的可靠供电问题。该研究受到科技部重点研发计划和东南大学至善学者计划支持。近年来,肖睿教授和巩峰老师已经指导本科生取得了一系列的研究成果,相关研究成果发表在Nano Energy (2篇),Journal of Materials Chemistry A,Chemical Engineering Journal等国际知名学术期刊。

  前期,东南大学化学化工学院国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室科研人员首次发现了杂化铅碘钙钛矿分子铁电薄膜中的“涡旋-反涡旋”(vortex-antivortex)畴结构。此次,游雨蒙教授团队再次在分子铁电材料领域传来喜讯,发现了由限域效应驱动的二维有机-无机杂化铅碘钙钛矿铁电体。相关研究成果以“Confinement-Driven Ferroelectricity in a Two-Dimensional HybridLead Iodide Perovskite”为题发表在化学领域顶级刊物Journal of the American Chemical Society《美国化学会会志》上。

  在MOF材料中,孔洞中的客体分子常常会受到来自MOF刚性骨架的环境限制而发生结构/构型的转变,从而带来某些在传统固体或者溶液状态下无法获得的物理或化学响应。类似地,团队首次将这种结构上的限域效应引入到有机-无机杂化钙钛矿领域来设计性能优越的分子钙钛矿铁电体。如图1所示,纯的无机碘化铅是一种具有六角密堆积结构的二维层状材料,不具备铁电特性。我们将同样是非铁电体的有机氮杂环胺碘盐与碘化铅进行组装,再结合“氟代效应” 改性策略,成功合成了二维有机-无机杂化铅碘钙钛矿分子铁电体[4,4-difluorohexahydroazepine]2PbI4([4,4-DFHHA]2PbI4)。

  对比一维和二维杂化钙钛矿中的分子间作用力,双氟取代后的有机胺阳离子之间通过C-F…H-C弱相互作用形成二维有机阳离子层。这种柔性的有机层有利于构筑和稳定二维 (PbI4)n2- 无机层骨架。更加重要的是,相比于由面共享的PbI6八面体组成的一维堆积空间,这种由顶点共享的PbI6八面体组成的二维钙钛矿无机层(PbI4)n2-对夹层中的有机胺阳离子的限制作用更强,从而使得4,4-DFHHA阳离子在室温中处于冻结的有序状态。

  图2.(a-d)[4,4-DFHHA]2PbI4在不同温度下的晶体堆积图对比;(e-h)4,4-DFHHA阳离子在(PbI4)n2-无机层骨架中的简化分布示意图

  如图2所示,在293 K时,4,4-DFHHA阳离子受二维 (PbI4)n2-无机层限域环境的影响,在晶体堆积过程中呈现出不对称分布导致沿b轴方向的自发极化产生。随着温度的升高,晶格热膨胀以及扭曲PbI6八面体的正常化使得(PbI4)n2-无机层骨架对阳离子的束缚作用减弱,导致了阳离子从室温铁电相的有序状态逐渐转变为高温顺电相的高度无序状态并伴随着强烈的重新取向运动,最终使得极化为零。

  随后,通过压电力显微镜(PFM),我们直接观测到了[4,4-DFHHA]2PbI4薄膜的铁电畴结构及其在外加电场作用下的翻转,这是该材料铁电性的直接证明(图3)。紫外可见吸收光谱测试表明[4,4-DFHHA]2PbI4是一个带隙为2.32 eV 的直接带隙半导体(图4)。室温下明显的铁电特性和低带隙的半导体特征使其有望成为新一代基于铁电光伏效应的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。

  据悉,该工作由陈晓刚、宋贤江、张志旭等博士生共同完成,东南大学为唯一完成单位,游雨蒙教授等为通讯作者。该成果得到“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助。

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