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什么叫仿生固氮

为你刺伤宿敌 2009-03-20 12:38:53 946 浏览

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ss467778464 2009-03-21 00:00:00

生物固氮（1）生物固氮的概念生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程。固氮微生物主要是指具有固氮功能的细菌，还包括有固氮功能的蓝藻和放线菌。（2）固氮微生物的类型固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）。共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。（3）生物固氮的过程(见图) （4）氮循环简介氮素在自然界中有多种存在形式，其中，数量Z多的是大气中的氮气，总量约3.9×1015 t。除了少数原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮气。目前，陆地上生物体内储存的有机氮的总量达1.1×1010～1.4×1010 t。这部分氮素的数量尽管不算多，但是能够迅速地再循环，从而可以反复地供植物吸收利用。存在于土壤中的有机氮总量约为3.0×1011 t，这部分氮素可以逐年分解成无机态氮供植物吸收利用。海洋中的有机氮约为5.0×1011 t，这部分氮素可以被海洋生物循环利用。构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下Z终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。生物固氮的意义大气中的氮，必须通过以生物固氮为主的固氮作用，才能被植物吸收利用。动物直接或间接地以植物为食物。动物体内的一部分蛋白质在分解过程中产生的尿素等含氮废物，以及动植物遗体中的含氮物质，被土壤中的微生物分解后形成氨，氨经过土壤中的消化细菌的作用，Z终转化成硝酸盐，硝酸盐可以被植物吸收利用。在氧气不足的情况下，土壤中的另一些细菌可以将硝酸盐转化成亚硝酸盐并Z终转化成氮气，氮气则返回到大气中。除了生物固氮以外，生产氮素化肥的工厂以及闪电等也可以固氮，但是，同生物固氮相比，它们所固定的氮素数量很少。可见，生物固氮在自然界氮循环中具有十分重要的作用。生物固氮在农业生产中的应用生物固氮在农业生产中具有十分重要的作用。氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。如果土壤每年得不到足够的氮素以弥补损失，土壤的含氮量就会下降。土壤可以通过两条途径获得氮素：一条是含氮肥料（包括氮素化肥和各种农家肥料）的施用；另一条是生物固氮。科学家在20世纪80年代推算过，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大约有8*10^7t，而自然界每年通过生物固氮所提供的氮素，则高达4*10^8t。对豆科作物进行根瘤菌拌种，是提高豆科作物产量的一项有效措施。播种前，将豆科作物的种子沾上与该种豆科作物相适应的根瘤菌，这显然有利于该种豆科作物结瘤固氮。特别是新开垦的农田和未种植过豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物结瘤固氮，更需要进行根瘤菌拌种。对比实验表明，在其他条件相同的情况下，经过根瘤菌拌种的豆科作物，可以增产10%～20%。用豆科值物做绿肥，例如将田箐、苜蓿或紫云英等的新鲜植物直接耕埋或堆沤后施用到农田中，可以明显增加土壤中氮的含量。科学家统计过，一般地说，1hm^2农田使用7500kg绿肥，可以增产粮食750kg。如果用新鲜的豆科植物饲养家畜，再将家畜的粪便还田，则既可以使土壤肥沃，又可以获得更多的粮食和畜产品。以上是生物固氮，仿生固氮就是模拟这种方式进行的人工固氮

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lxy121929 2016-03-18 00:00:00

　　仿生固氮是模仿生物将大气中的氮固定，如豆科植物的根瘤菌可以将大气中的氮固定，它含有氮酶，能使空气里的氮气转化为氨，再进一步转化为氮的化合物。　　固氮作用（nitrogen fixation）是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。

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【仿生机器人】| 北理工仿生机器鼠SQuRo研发

关键词：四足机器人；模仿学习；运动性能评估

技术方案：智能体位姿追踪系统

研究背景

从公元前3500年人类发明了轮子开始，轮式工具极大地提高了交通和运输效率。但在不断的使用过程中，轮式运动方式的局限性逐渐暴露：即对山地、丘陵、台阶等复杂地形的适应性差。四足哺乳动物可以在崎岖复杂的地形自如行走，因为四足运动方式落足点是离散的，可以跨过障碍，而且没有横向约束，可以全方位移动，而且足端运动和躯干质心解耦可以起到隔振作用，保证质心稳定。

四足机器人以四足动物为仿生对象，在具有比双足机器人更具稳定性的同时，又比六足机器人机械结构简单。

从20世纪60年代开始，针对四足机器人的研究已经陆续开展，目前四足机器人已经广泛应用于工厂巡检、地震救灾、未知环境探索甚至地外行星探索，具有广阔的沿用前景。

ANYbotics四足机器人（图片来源：ANYbotics）

BigDog、ANYmal等大型四足机器人对于复杂环境适应能力强，具有较强的运载能力，但是对于管道或者废墟缝隙等狭窄空间，考虑到其体积，大型四足机器人很难进行探索和作业；而sub-2g等微型四足机器人，虽然体积小可以在狭窄空间穿越，但是由于绝对负载能力低，无法满足探索和运输任务。开发一个具有一定移动能力和负载能力的小型机器人至关重要。

02 北理工SQuRo仿生机器鼠研制

老鼠因其细长身形和敏捷运动能力，可以在狭窄环境快速运动，吸引了研究人员的广泛关注。北京理工大学福田敏男教授团队骨干成员石青教授及其带领的仿生机器人团队设计研发了一款机器大鼠SQuRo。

机器鼠SQuRo

研究人员先利用X光获取并研究大鼠的运动骨骼关节结构。通过分析发现，大鼠能在狭窄环境灵活运动，主要依赖来于：三自由度颈椎运动、脊柱屈伸和侧屈、四肢运动。经过简化和参照设计，为机器鼠模型配置12自由度（颈部2自由度，腰部2自由度，四肢各2自由度）。机器鼠尺寸为188×55×90mm，重220g，与8周大的大鼠相当。

机器鼠自由度配置

团队提出一种多模态运动规划控制框架，根据环境不同切换运动策略，可以实现更快速稳定的响应。

为了验证机器鼠基础运动性能，石青教授团队进行了一系列实验，包括蹲起、行走、爬行、转向等，实验结果证明SQuRo机器鼠可以高效且灵活的进行运动，而且其转弯半径只有66mm（0.48个身体长度）。针对实际应用场景，研究人员还进行了通过不规则通道、爬坡、携带负载及跨越障碍等特殊场景实验，以上测试SQuRo均可顺利完成，其负载可以达到200g（自重的91%），并且能穿越30mm高的障碍物。

03 机器鼠稳定性优化

在研制仿生机器鼠的过程中，需要对机器鼠的俯仰角、弯曲角、弯曲距离等动作姿态数据进行分析，以量化指标评估机器鼠性能。

凌云光·元客视界方案工程师搭建了2mx2m的紧凑空间，采用9台光学动作捕捉相机，精确地对机器鼠的头部、背部、腿部、尾部等重要测试部位进行追踪。由于机器鼠关键部位尺寸都极其细小，而且自重很轻，为了在轻量化负重前提下精准获取关键部位的位置信息，凌云光·元客视界提供了定制的3mm标记点，针对细小的结构精准获取机器鼠的运动姿态信息。

04 机器鼠运动生成策略研究

此外，石青教授团队还进行了仿生机器鼠-真实大鼠交互的研究。将机器鼠放入真实大鼠社会，获取动物行为反馈，有助于了解大鼠的决策制定过程，比如运动方式、伴侣选择、捕食者-猎物相互作用等。在此过程中，机器鼠运动越接近真实大鼠运动，得到动物行为反应越好。但是不同时间大鼠同一行为的运动特征是不同的，因此合适的运动生成策略至关重要。

在之前的研究中，研究人员尝试过单次编程或人工操作等方式来控制大鼠运动，但效果都不理想。为了生成接近真实大鼠的自然运动，石青教授团队提出一种利用模仿学习(IL)的运动生成策略。模仿学习方法不需要传统编程语言控制机器人运动，只需要提供一组专家的行为演示数据。利用这些演示数据，机器人可以自动生成运动控制程序。

动物演示、策略优化及仿真系统架构

首先，将两只大鼠（分为demo rat和valid rat）放置于捕捉空间内，大鼠关节关键节点粘贴小型标记点，利用动作捕捉系统采集两鼠交互运动数据。大鼠间交互运动典型动作包括理毛(AG)、接近(AP)、跟随(FO)、远离(MA)、后颈攻击(NA)、钳制(PI)、社交性鼻子触碰(SNC)。首先用Optitrack采集200000帧大鼠交互数据作为训练集(training set)，对预测块进行训练。另外采集200000帧数据作为验证集(validation set)，用于在交互仿真系统中评估算法。

在仿真系统中，两只机器鼠分为demo robot和policy robot，demo robot直接根据验证集数据复制demo rat的运动行为，policy robot根据模仿学习生成的行为指令进行运动。实验关注指标包括行为相似度、有效交互时间以及专注时段。通过结果可以看出policy robot可以生成接近动物的行为，而且机器人间交互持续时间比大鼠间的增加了16%，专注时段也更长。

实验验证虽然是将真实交互数据输入仿真系统进行的，但是由于验证集和训练集数据不同，而且是利用同一套动作捕捉系统采集的大鼠数据，可以认为仿真系统中demo robot的行为与现实大鼠行为一致。后续研究人员也会进行大鼠-机器鼠真实场景下交互实验。

05 国产动作捕捉系统助力高校科研

元客视界是凌云光设立的全资子公司，主要面向元宇宙虚拟现实、Web3.0时代数字人、沉浸媒体、全息通信、计算光学成像等应用，已形成光场建模、运动捕捉、全景成像、XR拍摄在内的产品布局。

FZMotion光学运动捕捉系统是凌云光·元客视界自主开发的运动捕捉采集与分析系统，可以实时跟踪测量并记录三维空间内点的轨迹、刚体的运动姿态以及人体动作，空间定位精度可以达到亚毫米级。

FZMotion动捕系统在无人机室内定位、仿生机器人运动规划、机械臂示教学习、气浮台位姿验证、水下运动捕捉等领域得到广泛应用，目前已经与清华大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校开展合作。凌云光·元客视界致力于为高校提供完备的解决方案，助力科研发展。

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什么叫粒度什么叫粉体什么叫粒度分布

颗粒的大小叫做颗粒的粒度。度量颗粒大小的单位一般用微米或纳米，个别领域也用毫米。在粒度测试中通常用颗粒的直径（粒径）来描述颗粒的粒度。

由固体颗粒堆积而成的集合体叫粉体。固体颗粒是组成粉体的基本单元。

用特定方法测定的不同粒径区间内的颗粒占总量的百分数称为粒度分布。粒度分布有多种基准，如数量分布、长度分布、面积分布、体积分布、重量分布等。激光法的基准是体积分布，沉降法的基准是重量分布，电阻法的基准是数量分布。不同基准的粒度分布数值不同，理论上不同基准的粒度分布可以通过数学方法转换，但由于粉体形状千差万别，有时这种转换的误差较大

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