組織模型的案例
無人機集群自組織搜索仿真模型設計與實現
摘要：城市威脅背景下無人機集群自組織搜索移動目標問題，是無人機集群作戰應用的一個重要發展方向。采用基于Agent的復雜系統建模仿真工具，構建了無人機集群搜索仿真模型框架，設計實現了無人機集群自組織搜索模型。在考慮無人機集群作戰可能受到威脅的背景下，展示了無人機集群自組織搜索概念，探索了使用基于概率的有限狀態機模型實現集群自主決策的解決方案，并通過案例進行了分析驗證。該仿真模型為無人機集群作戰應用研究提供了參考案例、模型支撐和實驗平臺。
關鍵詞：無人機集群 ; 自組織 ; 搜索 ; 威脅環境 ; 仿真 ; 有限狀態機
隨著戰爭形態的不斷演化，未來的作戰對手可能將戰爭引向城市，依靠高大的建筑物和密集的人群，來躲避搜索跟蹤，進而抵消我方偵察和火力打擊的優勢。無人機集群具有靈活性、自主性、魯棒性和可擴展性等特點，同時可以降低作戰成本、減少作戰人員傷亡，并且依賴無人機個體的自主能力實現無人機集群的自組織作戰，降低了對人員操控和操作系統的依賴，對破解敵方利用建筑物和地形優勢躲避搜索跟蹤，提高作戰效果具有重要的作戰應用價值。
當前，關于無人機和無人機集群的研究較多[1]，無人機集群也以其獨特的優勢日益受到各國軍方的廣泛關注。在集群搜索問題上[2-3]，已有很多搜索算法。本文聚焦無人機集群自組織搜索城市威脅環境中移動的目標進行研究。無人機集群自組織搜索，是指將多架成本低廉、小型輕便、功能相對簡單和具有一定自主能力的低成本無人機以集群的方式大量部署，基于一定的間隔分布，形成一定的覆蓋范圍，按照上一層次的指揮要求，在操控人員監控下，在任務區域上空按照選定的策略飛行，實現對目標的搜索、發現、識別和跟蹤鎖定。
展開 Design》：圓柱形和球形模型在骨組織工程支架設計中的對比研究
骨組織工程支架是治療骨缺損的策略之一，可光交聯的聚富馬酸丙二醇酯（PPF）被證實具有生物相容性和生物降解性，并作為樹脂材料用多種三維成型方法制備支架結構，在骨組織工程使用上具有良好前景。理想的骨支架應具備適當的孔徑，高度多孔以及仿生化的結構。王山峰教授團隊根據孔徑與實體部分長度的比例（L/D）在Abaqus軟件中設計了具有圓柱形和球形孔結構的兩種模型，采用有限元分析對模型進行了單軸壓縮模擬、剪切模擬和扭轉模擬等結構分析，并對使用PμSL打印的PPF實物支架進行了壓縮實驗和DIC分析。此外，還對模型進行了流體模擬來探究支架的流體滲透性。結果表明，球形單胞總的來說比圓柱形單胞具有更大的孔隙率和比表面積，然而從力學性能和流體性質兩方面來看，當L/D相同或孔隙率相同（55%-67%）時，圓柱形單胞比球形單胞具有更高的壓縮/剪切模量和更好的應力分布，并且具有更高的扭轉剛度和液體滲透性。實驗與模擬所得的應力-應變曲線之間在彈性形變范圍內具有較好的一致性，證實數值計算的準確性和有效性。該研究提示支架的孔隙率、比表面積、力學性能以及流體滲透性等性質可以通過不同的孔結構和不同的L/D值來調節，對于組織工程支架的設計、性能預測和實驗提供了指導。
展開 含晶界多晶幾何模型的建立及其在abaqus中的實現
一、介紹
在進行晶體塑性模擬時候，大多數研究中所使用的幾何模型中的晶界并不包含一個單獨的Set，僅僅是一條線（2D）或者一個面（3D），而如果要考慮晶界處不同的變形、損傷或者元素擴散特征，通常建立單獨的晶界Set，能夠改善計算結果的準確性。本文在現有研究基礎上，實現了更加靈活的含晶界多晶幾何模型的建立。
二、建模思路
Neper是目前非常流行的晶體塑性模型前處理軟件，可以實現多種類型組織模型的建立，操作較為簡單，且生成文件格式豐富，是本文的基礎模型來源。而建立晶界模型則采用的思路來源于現有開源python代碼Homtools（http://homtools.lma.cnrs-mrs.fr/spip/）。
借助于Neper所生成的.geo文件包含的點、線、面集合信息，將點、線、面等信息分別存儲于對應的數組內，隨后可以通過python控制ABAQUS的Partition Face功能，繪制初始的Voronoi圖，如圖1（a）所示。隨后借助Homtools的思路，可以生成如圖1（b）（c）所示的含晶界的多晶組織模型。
展開 中科院蘭州化物所王曉龍研究員、周峰研究員等AFM：在仿真濕滑水凝膠器官模型取得進展
在現代生物醫學中，組織器官模型是用于模擬人體結構形態和生理環境的體外生物醫用器械，目前已經廣泛應用于術前訓練、醫療教學、輔助診斷以及新型醫療器械的開發測試。毫無疑問地，相比于活體器官、動物試驗和人體臨床試驗以及先進的虛擬現實（VR）等醫療輔助測試手段，組織器官模型能夠真實地反映生物體的組織器官結構形態和生理環境，同時具有低成本、合乎倫理道德以及易于操作實施的特點，使其在發育生物學、疾病研究、手術治療、新藥研發和再生醫學領域表現出顯著的優勢。盡管目前硅膠和塑料的組織器官模型能夠重現組織器官的形態結構并投入實際的醫療應用中，但該類材料很難模擬構建生理環境和組織器官的理化特性。然而，水凝膠作為一種濕滑的軟材料，和生物體具有良好的理化性能匹配度以及生物相容性，在生物醫學中廣泛研究和應用。因此，發展具有生物幾何形狀的下一代水凝膠基的人體器官模型以真實地模擬組織器官的生理環境和界面物質交換在未來生物醫學中意義重大。
中科院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員、周峰研究員等人提出了3D打印熱可逆水凝膠模板結合金屬離子誘導超分子組裝策略，實現了具有內部通道、合適力學性能、梯度結構以及物質交換界面的仿真濕滑水凝膠組織器官模型。該策略能夠容易地制備水凝膠組織器官模型，其具有良好的結構完整性、仿真形狀和尺寸、大跨度中空腔室和通道、可調控的力學性能以及物質交換界面?；诖?，研究者設計制備了一系列人體器官模型，包括分支血管、消化系統、末梢肺泡以及腎小球等，在體外生物醫學培訓、藥理學評價以及醫療器械測試等方面具有潛在的應用前景。
展開 
組織數字孿生構建方法
模型可以通過端口接受外部信息，這些端口的設計為數據導入提供基礎。
需要注意的是并非所有組織資產或其所有特征都可以進行模型化，資產性質決定了哪些特征可以提供數字化模型化的表示。而組織業務、資產的信息化或數字化，可以幫助 DTO 應用領域擴展。
2）運營數據導入：創建 DTO 的第二步是將企業中的相關運營數據添加到組織模型中。模型創建后，就可以對其導入數據進行分析，以了解更多關于組織信息，同時為預測問題和需重點關注的領域提供輸入。在本步驟中需要注意，模型與數據必須對齊，即接收到的數據需轉換為模型匹配的格式。運營數據導入到組織模型中，將會呈現出組織是如何真實運行的。
3）業務挖掘：業務挖掘主要是針對現有業務進行問題的洞察。在引入運營數據后，組織可以通過對業務執行情況進行分析與挖掘，對比設計與實際之間的差距，發現現有的問題，從而自動發掘真實的業務執行情況以及相關的 KPIs，并分析出相關影響要素。
4）模型改進與仿真：針對挖掘出的問題，給出相應的模型化的改進方案，并對方案進行仿真。通過仿真模擬技術，DTO 將協助組織能夠更靈活地應對變化，這可以轉化為更持久的客戶關系和盈利能力。
5）組織改進：組織數字孿生的改進階段創造了持續改進的良性循環，即組織數字孿生過程不應被視為線性過程，而應被視為一個循環。通過本推進路線，在傳統企業架構（EA）模型和組織運營數據以及組織改進之間提供了一個持續的反饋回路。在推進過程中需要考慮的不僅是原有模型的維護，還包括在 DTO 動態進化過程中不斷的增加模型數量，從而積極、漸進地構建組織的數字模型表示，并協助推進組織數字化轉型。
展開 精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
為了研究精沖鋼不同微觀組織對精密沖裁工藝的適應性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分數以及碳化物帶分布特征對拉伸、剪切力學性能和精沖性能的影響。
精密沖裁工藝是在很小的凸凹模間隙下，利用精沖凸凹模、反頂凸模及V形齒圈的共同作用使沖裁變形區處于較高的三向壓應力狀態，材料延遲斷裂的時間顯著延長，進而獲得高質量沖裁斷面。與傳統板料沖裁方法相比，精沖工藝條件更為嚴苛，對所用板材的要求也更高。目前，最常用的精沖材料是精沖用低碳鋼板，通常經歷熱軋、冷軋、退火處理等工序得到。
代表性體積單元（RVE)常被用于模擬研究具有多相微觀組織的材料性能，如材料的流動應力曲線、損傷和斷裂特性等力學性能。將RVE模型作為子模型，并結合宏觀有限元模擬得到的某單元位移場變化，構建宏觀—微觀模型，可實現對復雜成形工藝關鍵位置處不同微觀組織變形行為的模擬。
本文通過數值模擬研究了精沖鋼不同的微觀組織對其力學性能和精沖性能的影響。首先，針對球化退火后的滲碳體顆粒直徑、體積分數、分布狀態以及未退火的珠光體組織，分別建立了不同的RVE模型；其次，對不同微觀組織模型施加拉伸、剪切邊界條件進行數值模擬研究；再次，基于子模型法，在精沖試驗宏觀有限元模型中提取剪切變形區中心位置單元的位移歷史作為RVE模型的邊界條件，構建宏觀—微觀模型以探究不同微觀組織對精沖性能的影響；最后，通過對比分析模擬所得的子模型單元失效情況與實際精沖試樣的掃描電鏡（SEM)觀察結果，驗證模擬的準確性。
精沖鋼的微觀組織
精沖工藝相同時，精沖材料的性能很大程度上決定了精沖質量。如前所述，精沖用低碳鋼板因原材料、軋制工藝、退火工藝等的差異，導致材料的微觀組織及性能也會存在差異。
展開 基于開源軟件Neper建立梯度晶粒尺寸多晶模型
圖2 擾動對模型的影響
調整python代碼中x方向坐標分布梯度，即可建立具有不同梯度大小的多晶模型，如圖3所示。
圖3 不同分布梯度模型
三、結論
結合開源軟件neper，通過用戶自定義梯度分布函數，可以很方便地實現梯度組織模型的建立，除本文介紹的x方向單向梯度模型的建立之外，采用該方法，可以進一步實現多方向復雜梯度多晶組織模型的建立。
Ansys Speos | 智能手環心率傳感器仿真
Motion可以輸出變形的模型，這里Speos選擇導出每個變形組織層*.stl文件。
第五步，將變形后的組織結構導入Speos，啟動仿真
將變形的組織模型導入Speos，然后將光學特性應用于相應的組織層。通過該仿真，可以分析組織變形對反向散射信號的影響，分析和比較在接收到的信號。
仿真流程
第一步，機械運動中的智能手環動態運動模擬(本文不涉及)
本例中只分析智能帶移動對光信號的影響。詳細的模擬內部運動過程將不包括在這個例子中。Ansys Motion是基于柔性多體動力學的先進工程解決方案。它可以在單個求解器內快速準確地分析剛體和柔體。本例模擬了一個人類手臂朝東方擺動的場景。在手臂運動的過程中，智能手環會隨之滑動。智能手環與人類手腕之間的相對位移將被輸出到Speos。為了簡化問題，在智能手環位移仿真中，將人的手腕建模為剛體。在此步驟中忽略組織的變形。通過Motion仿真，可以導出智能手環的相對位移。在“**\Ansys SmartBand 23R1\Motion_displacement”中，可以找到“disx .csv”“DispY.csv”和“disz .csv”。這三個表分別包含了X、Y、Z三個方向的智能帶位移數據隨時間的變化。這些數據將作為Workbench DOE的設計點。
第二步，在Speos中建立組織模型并進行模擬。
1.打開Ansys SmartBand 23R1.scdocx
2.直接運行direct.1模擬。
3.打開Direct.1.Irradiance.xmp
4.打開測量工具，然后最大化測量區域。
5.單擊文件，然后選擇導出模板以導出度量模板，Direct.1.Irradiance.xml。
展開 Simufact中材料模型的建立
、Oyan、Johnson-Cook、Forming Limit Diagram，選擇材料對應的斷裂磨損準則，并設置模型影響系數；
9、微觀組織，支持IFE WELDSIM和YADA微觀組織模型，基于fortran子程序二次開發，可參考marc等一些仿真軟件的微觀組織模型開發的子程序；
10、相變，基于CCT/TTT相變分析，不能在這里直接輸入，可以通過其它方式設置相變相關參數，更多二次開發和相變分析請**西模發特信息（上海）simufact技術支持
11、date sheet，可以生成材料報告數據，包含所有材料數據；
展開 基于項目區域和流的MBSE模型管理與共享技術研究
圖3基于產品研制階段的模型分類
3.2基于項目區域的MBSE模型組織方法
圖4中MBSE模型可以按照資源編號、所屬領域、所屬項目、研制階段、所屬系統等模型標簽自由組合組織，如根據資源編號以產品需求模型庫、功能模型庫、邏輯模型庫等方式組織模型實例，根據所屬領域以航空、航天、兵器等方式組織模型實例，根據所屬項目以歸屬不同項目來組織模型實例，以此類推；同時支持多個屬性自由組合，如根據所屬項目、研制階段來展示不同項目下不同研制階段對應的模型實例，根據所屬項目、所屬系統來展示不同項目下不同系統對應的模型實例等。
軍用航空器研制以項目為牽引，項目研制過程中產生的模型主要以項目視圖形式展示，故按照項目、研制階段或者項目、系統形式組織，提高同一項目區域間模型管理與共享效率，同時能夠實現不同項目區域間模型的“有償性”、“可控性”共享，充分發揮模型價值。
圖4 MBSE模型組織方式
3.3基于流的模型版本管理方法
圖5為基于數據流的模型版本管理原理，為模型的多版本管理帶來了極大的靈活性。一個流可以代表某個產品模型設計過程，到了產品某個階段，可以基于當前的基線版本同時派生出若干條子流，子流可以代表著產品模型不同的版本，所屬不同的團隊或者不同的系統工程師，根據統一的模型基線，進行不同的模型設計，最后項目交付最優的模型。流之間可以進行比較，在某個流中發現的問題，可以在子流中完成問題歸零，或者通過子流合并到父流中。
圖5基于流的模型版本管理
圖6為同一產品不同多狀態之間模型版本演進過程，產品1（A狀態）為產品1模型主流，在產品1（A狀態）模型的基礎上衍生出產品1（B狀態）和產品1（C狀態）模型。
展開 Mater.》綜述：基于生物材料的腫瘤組織工程平臺
圖1 腫瘤組織工程的概念
整合多種細胞類型來概括TME的細胞異質性對于構建腫瘤工程模型至關重要，腫瘤組織工程的最新技術使科學家能夠重建TME，以模擬發生在原發腫瘤和轉移灶內的特定事件，并支持開發更有效的治療方法（圖2）。
使用組織模型重建原發腫瘤生態位需要重建腫瘤組織的細胞和細胞外元素。組織工程方法通過結合水凝膠基質和支持原發腫瘤部位細胞-細胞和細胞-基質相互作用的多細胞3D培養物，幫助模擬這些生物力學、生物化學和生理學財產。作者討論了當代腫瘤工程模型，并總結了原發腫瘤和轉移灶模型的進展。
圖2 應用腫瘤工程模型研究原發性腫瘤、轉移和抗癌治療
轉移是一個多步驟的過程，其中細胞從原發腫瘤遷移，侵入鄰近組織，侵入血管，存活直到到達遠處的器官并定植新的器官。細胞啟動二次腫瘤的小生境提供了基質信號，這些信號對這種擴張過程至關重要。由于90%以上的患者死于轉移性病變，目前已經做出了巨大的努力來模擬轉移前和轉移灶。為了模擬這一過程，使用了結合微流體平臺和高通量技術的生物材料（圖3）。
圖3 生物工程轉移前和轉移灶
腫瘤工程模型使癌癥細胞能夠生長、遷移和侵襲，以及研究藥物反應。在癌癥組織工程中，還采取措施整合腫瘤-基質相互作用和TME的其他元素。為了有效地代表由特定組織TME4包圍的特定癌癥類型，利用了一些策略，如設計具有可修改的機械財產的生物材料基質（圖4）。此外，使用其他學科的當代組學方法可以改善癌癥患者的治療和臨床結果。
圖4 組織工程與腫瘤生物學的融合
最后，作者介紹了使用這些組織模型方法測試新治療方法的挑戰和機遇，以及對基于生物材料的平臺未來應用的展望。
展開 
哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組AHM綜述：工程化可收縮和可膨脹的（生物）材料
可膨脹材料應用于組織和組織模型工程
作者團隊最近的一項研究利用膨脹的方式將微通道嵌入紙裝置中。研究首先使用基質輔助 3D打印制造了一個可灌注的微通道結構，其周圍環繞著密實的細菌纖維素納米纖維。利用精確控制不同濃度和浸泡時間的NaBH4的氣體發泡策略達到精確控制氣體發泡的目的，使得周圍多孔結構可以調節，同時保持了微通道的完整性。細胞實驗結果表明該方法能夠為細胞浸潤和相互作用提供更大的空間。這項研究建立了一個有效的制備血管化組織模型的策略，并在臨床前藥物篩選中展示了巨大的應用潛力。
圖6. 犧牲打印紙裝置的制作和膨脹過程
2. 可膨脹材料在藥物遞送中的應用
Wu及其同事開發了一種固定有量子點的混合水凝膠，由殼聚糖-聚甲基丙烯酸組成。該水凝膠在不同的 pH 值下表現出特異性的膨脹性能。這種膨脹現象歸因于內部滲透壓引起的靜電排斥的重新分布。這種混合納米凝膠的相體積轉變行為能夠影響帶電負載劑以不同的 pH值釋放到周圍環境中。同時替莫唑胺作為一種優良的抗腫瘤藥物，在腫瘤部位的酸性條件下比在自然環境中釋放得更快。因此，該遞送系統表現出顯著的抗腫瘤功效，孵育24小時后黑色素瘤細胞的存活率降低了70%以上。此外，錨定在水凝膠鏈上的負載量子點提供了對腫瘤細胞進行生物成像的可能，能夠作為細胞診斷的成功的標志。
圖7. 可膨脹材料在藥物遞送中的應用
3. 基于可膨脹材料的成像技術
與 ImpFab過程相反，Boydon課題組利用可膨脹聚合物從物理上擴展細胞和組織結構，利于細胞和組織的成像，該過程被稱為膨脹顯微鏡 (ExM)。
展開 3D生物打印平臺治療結腸癌，CTIBIOTECH新技術
據了解，該平臺是由普羅夫迪夫醫科大學和保加利亞的UMHAT-歐洲醫院合作開發的，能夠生產出具有成本效益和可重復的人類結腸癌疾病模型，也可用于化療篩選。
CTIBIOTECH公司總裁兼CSOColin McGuckin教授說："癌癥療法的進步需要新的人體模型來完成藥物測試，而我們的3D模型開創性地提供了準確的長期測試策略，用以幫助患者。“
△CTIBIOTECH的生物打印平臺開發出了具有成本效益的、強大的、可重復的結腸癌模型。圖片來自CTIBIOTECH。
CTIBIOTECH的生物打印技術
CTIBIOTECH公司的核心目標之一是通過開發3D生物打印人類癌癥模型來減少藥物開發的成本和時間，這些模型可用于為個別患者確定最有效的治療方法。在過去的七年里，該公司內部一直在開發3D生物打印技術，以擴大其用于皮膚研究的3D組織工程能力。
CTIBIOTECH之前與化學公司BASF的Care Creations部門合作，對人類皮膚腺體的3D組織模型進行研究，并在此基礎上開始開發一種能夠將皮脂腺（皮膚）微腺排列成皮膚病模型的3D生物打印機。
該公司過去還曾與瑞典3D生物打印機供應商CELLINK合作，研究癌癥患者的新療法。他們使用CELLINK公司的機器在實驗室中創建腫瘤組織模型，并樂觀地認為這可以減少臨床前藥物篩選中進40%的昂貴損耗率。
最近，作為NOVOPLASM項目聯盟的一部分，CTIBIOTECH成為世界上第一個3D生物打印完整免疫人類皮膚的公司。該公司表示正在為研究項目提供數百個皮膚模型，用以幫助NOVOPLASM聯盟能夠驗證其用于治療感染性燒傷和皮膚移植的冷等離子體傷口愈合技術。
展開 哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組Nat. Protoc.：器官芯片的電化學生物傳感器集成
Shrike Zhang教授課題組：3D生物打印組織內的共生光合給氧及血管化
南林黃超伯教授和哈佛醫學院 Y. Shrike Zhang教授：一種利用氣體輔助策略制備的具有復雜運動能力的雙驅動微球馬達
南京林業大學黃超伯教授和哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授團隊《Small》: 一種新型顏色可調控編碼微球的制備
華僑大學陳愛政教授和哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授 AS：體外構建三維血管化肝癌組織模型用于藥物篩選的研究
哈佛醫學院Yu Shrike Zhang教授團隊AFM：具有等級孔結構的3D生物打印可注射負載細胞水凝膠體系
哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組：3D犧牲打印和發泡技術結合制備低成本多孔紙基血管化組織模型
中山大學周建華和哈佛大學Yu Shrike Zhang團隊AM：一種可用于高敏感顯示及精確定位隱蔽牙齒病變的透明、可穿戴熒光牙墊
哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授團隊《Nat.Commun.》：提高水凝膠3D打印分辨率：不行就縮
華僑大學陳愛政教授和哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授：體外構建可注射型內皮細胞化微纖維用于微創原位再生新生血管新進展
華僑大學陳愛政教授課題組和哈佛醫學院張宇教授課題組：在高度貫通多孔微載體用于骨骼肌細胞微創原位遞送方面取得新進展
哈佛醫學院《Adv. Funct. Mater.》
展開 UMAT初學者材料匯總 ￥98
包括：經典黃UMAT文檔及相關翻譯；晶體塑性有限元微觀組織模型建立，取向信息導入全套代碼等。
