足球现场比分 多尺度传感器和系统

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：330,504 美元
• 赞助商：国家科学基金会

摘要：

电生理测量（例如心电图、脑电图、肌电图）是一种广为接受的工具， 健康监测和管理标准。电生理学种类繁多 测量设备广泛使用，包括临床设备、研究产品、 和消费电子产品。然而，到目前为止，要获得长期的利益仍然具有挑战性。 稳定准确的信号采集，尤其是在可穿戴条件下，不仅 用于动态心电图等医疗监测以及日常健康管理。运动引起的 电生理记录过程中广泛存在伪影，无论 电极（湿式、干式或非接触式）。这些文物是主要障碍之一 反对在临床诊断中接受可穿戴设备和电容电极。 此外，用于疾病诊断和健康监测的可穿戴设备的开发 是国家的焦点之一。该项目旨在提供新的策略 减轻可穿戴电子产品中运动引起的伪影，以设计精确的可穿戴设备 用于日常监测和疾病诊断的电子设备。 PI 将传播 向学生和研究界提供研究产品。新课程材料 将针对本科生和研究生教育而开发。本科生和研究生 参与研究项目的学生将获得硬件方面的各种知识 设计和数据分析。对于 K-12 学生，PI 将提供综合研究 足球比赛结果独特的课程和教育经验 包括女孩工程探索日和夏季青年计划 (SYP)。 纺织材料摩擦生电的研究演示和实践经验 将开发并提供给 K-12 学生。

该提案的研究目标是了解运动的基本机制 可穿戴设备中的伪影，并提供协同解决方案来减轻 文物。提出了三种方法来实现该目标：1）理解生成 穿戴条件下摩擦电荷产生机制； 2) 指导下 了解、开发基于摩擦材料的传感器来操纵摩擦电 去除摩擦电伪影的费用； 3）利用基于新摩擦材料的 传感器数据统计数据分析，用于真实的电生理信号估计。 如果成功，将产生准确信号采集的协同知识 项目不仅将增强医学社会的传统生物仪器， 同时也有利于消费类可穿戴电子产品的产业界。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：403,000 美元
• 赞助商：美国心脏协会

具体目标：

血管内导管插入术是微创诊断的常用方法 和治疗程序。这些手术的第一步是使用血管内注射器 导丝，一种灵活且可扭转的线，用于导航到目标血管 用于血管造影或干预。将微丝引导至四阶或五阶分支 在肠系膜血管系统或神经血管系统中用于治疗急性 出血、血管畸形、瘘管或肿瘤需要丰富的经验 和高级技能。这些微丝的尖端是经过仔细手工塑造的 审查目标解剖结构，评估这些分支的大小、角度和形状 其直径可能＜1mm。距离 >120 cm 时，可追踪性或扭矩性 这些电线受到显着影响，导致使用时进行大量试验和错误 尖端具有不同形状的多种类型的导线可进入动脉分支 可能是锐角。这种具有挑战性的血管解剖结构可能会导致长时间 手术时间、对患者和医疗人员的过度辐射暴露 人员、操作员疲劳、程序失败率高和成本极高。的 下一代导管的设计应为操作者提供能力 以可控的方式弯曲导管尖端，以进行体内实时引导。 这种驱动系统可以取代当前的导丝，只要它具有 最佳刚度，以保持微执行器的可跟踪性及其变形 具有弹性，因此该案例仅使用一根导管。

该提案的目标是开发一种具有可调谐功能的高精度有源导管 和可逆驱动能力。这项技术进步将在临床上 通过减少手术程序，革新微创血管内介入治疗 时间，提高手术成功率，降低成本，减少辐射暴露 和医生疲劳。我们使用碳纳米管复合材料获得的令人兴奋的初步数据 （碳纳米管）和聚合物作为电化学致动器产生强大的电化学电容 和施加低电位的轴向应变。我们将根据这些初步数据 通过首次制造和表征 30 个具有更高性能的印刷纳米生物致动器 电化学电容和更好的机械性能（目标 1）及其组装 进入弯曲执行器（目标 2）。然后，我们将把弯曲执行器纳入临床 微导管并对血液中的主动导管系统进行体外测试 船舶模型（目标 3）。

创新：

本研究的创新点在于设计、原型制作和体外 能够测试安全且易于控制的纳米技术支持的有源导管 弯曲90度。该系统将取代目前使用的导丝导管 系统。没有加热、封装、强电解质或复杂的控制 此设计所需的系统。我们将制造和测试电气、机械、 和纤维的电化学性能。然后，我们将合并执行器 使用临床使用的导管，例如 0.018 英寸 Terumo 滑行线，随后， 评估驱动性能。我们将制作人造血管模型 并对导管和执行器系统进行体外测试。我们相信，纳米技术的支持 微丝将降低手术失败率、缩短手术时间、减少辐射暴露 并降低成本。该平台技术具有广泛传播的潜力 其他装置，如导管、支架、活检针和肿瘤消融针。

• 联合研究员：朱莉娅·金
• 联合研究员：拉文德拉·潘迪
• 联合调查员：Trisha Sain
• 联合研究员：苏珊塔·戈什
• 学院/学校：工程学院
• 部门：物理
• 奖励金额：14,999,995 美元
• 赞助商：美国国家航空航天局

摘要：

计算设计超强复合材料研究所 (US-COMP) 的重点 新型超高强度轻质 (UHSL) 的建模驱动设计 未来载人火星任务的材料。这些材料将满足要求 NASA 制定的机械性能目标超过了当前的机械性能目标 最先进的碳纤维复合材料。 US-COMP 的愿景是成为焦点 NASA、其他机构、工业界和学术界之间的合作要点：(1) 实现基于碳纳米管 (CNT) 的 UHSL 结构的计算驱动开发 (2) 扩大高技能工程师、科学家和技术人员的资源 这一新兴领域的技术专家将增强美国在关键轻量级领域的领导地位 结构材料。这一愿景将通过四个主要目标来实现：

• 为快速材料建立新的计算驱动材料设计范式 开发和部署
• 开发一种用于深空探索的新型 UHSL 结构材料。面板级 将进行新材料的测试和示范，以推动开发的 技术成熟度 (TRL) 为 4。
• 开发基于 CNT 的复合材料的新型建模、加工和测试工具和方法 材料
• 建立一批高技能的工程师和科学家，为材料做出贡献 发展劳动力。

由来自学术界、工业界和学术界的研究人员组成的跨学科、多元化的团队 国家实验室参与该项目。材料的计算设计 由集成拓扑优化、原子论的建模工作驱动 建模、分子建模、介观建模和基于连续介质的计算 机械师。材料合成和制造技术的创新确保 航空航天质量测试样品和面板的性能和放大制造。 建立并集成多尺度测试和表征能力 验证建模和制造工作并完成概念验证 循环。行业合作伙伴的参与提供并确保了可扩展性 所开发复合材料的航空级质量。

所开发的材料和材料开发方法将产生重大影响 关于航空航天界。首先，UHSL材料将按照严格的标准进行开发 载人火星任务所需的强度、模量和断裂韧性特性。 其次，将建立新的计算驱动的材料设计范式 开发感兴趣的 UHSL 材料并用于未来的快速材料设计和 发展努力。三、对载荷传递和多尺度的基本理解 将建立CNT基复合材料的失效机制以实现 他们的理论表现。四、可重复的工程性能数据 来自航空航天质量和基于航空航天级的放大面板测试结果 树脂系统和高质量商用碳纳米管材料，确保可扩展性 进行 ASTM 标准测试。

该研究所的另一个重要重点是劳动力发展。学生 接受过开发和利用先进计算和实验方法的培训 用于轻质材料。预留资金供学生长期访问 夏季前往 NASA 设施，接受 NASA 研究人员的直接指导。 这些活动加强了研究所成员与 NASA 之间的伙伴关系。 在 HBCU 参与者（佛罗里达农工大学）的帮助下，该研究所 将建立一个由研究人员和研究生组成的多元化团队。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：163,648 美元
• 赞助商：密歇根大学

概述：

假体周围感染是一种具有挑战性的并发症，可能会导致多种骨科并发症 翻修手术、医疗保健支出增加、长期残疾以及增加 死亡率。治疗全关节（髋部和膝部）感染的估计费用为 预计到 2020 年将增至 16.2 亿。拟议的工作旨在加快 植入技术商业化，减少感染的慢性影响 并增强骨整合和骨结合。

体外研究表明纳米纹理钛植入材料 (TiNT) 可促进成骨细胞 分化和上调代谢标志物。体内研究证实增加 骨植入接触和从头骨形成，拔出力更高，强度更高 骨粘合。体外证据表明，单独的纳米结构表面具有一些 抗菌性能，添加纳米银表现出非常强的抗菌作用 财产。技术部分由之前 MTRAC 向密歇根理工学院提供的资金支持， 与危险的氢氟酸相比，采用无害的氟化铵工艺 用于其他地方。

将进行体外研究以证明 TiNT 表面能够 杀死细菌并抑制粘附。耐甲氧西林葡萄球菌的临床分离株 来自全关节感染的骨科患者关节抽吸的金黄色葡萄球菌（MRSA） 将使用在威廉博蒙特医院（密歇根州罗亚尔奥克）就诊的替代人员。 将测试 TiNT 表面，包括直径为 60 nm、80 nm 的纳米管。并且 150纳米。一组由嵌入纳米银的 TiNT 组成的组将被研究 体外，所有时间点长达 48 小时，并为体内研究提供信息。

兔子将作为胫骨髓内钉植入的模型 有四组。植入后，在一根胫骨中，人类临床分离出 MRSA 将被引入植入物中。接种培养基+/- MRSA后，封闭 将被执行。骨整合将通过纵向、临床分辨率进行评估 6周和12周时进行CT扫描。收获的胫骨将进行高分辨率 微型计算机断层扫描。

纳米管表面可以改善脊柱市场的设备功能，这总共 现在的规模相当于联合市场。许多设备可以受益于 纳米管处理，包括融合设计，例如使用棒、板和螺钉 用于胸椎、腰椎和颈椎、椎间融合装置和人工 磁盘。

• 联合调查员：田尻和也
• 联合研究员：埃泽奎尔·美第奇
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：650,998 美元
• 赞助商：3M

离聚物开发和表征：

这项任务的目标集中在新型离聚物的表征上 薄膜、块体和电极。足球比赛结果的活动将包括异位薄膜 水传输和膨胀的表征，异位本体表征 离聚物和电极的水渗透性和氧传输、吸水性、 电极的渗透性和润湿性，以及提取的细胞内表征 电极传输限制取决于离聚物类型和含量。

NSTF 电极开发：

此任务的目标集中于分散 NSTF 电极的表征 由3M公司开发。足球比赛结果的活动将包括异地表征 吸水性、渗透性和润湿性的测定以及电极传输的评估 使用细胞内和异位技术的局限性。

电极集成：

此任务的目标是将一流的离聚物与分散的 NSTF 集成 催化剂。任务重点是离聚物表征，范围相似，包括 分散 NSTF 电极的吸水性、渗透性和润湿性 以及电极传输限制的电池内表征，并且类似 在离聚物开发和表征的范围内。

模型开发：

这项任务的目标是开发阴极的孔隙网络结构 催化剂层，以了解和预测氧传输限制和 使用新型离聚物在电极内传输液态水。这个任务是 重点关注当前 GDL 孔隙网络模型对阴极的适应 通过纳入必要的框架来考虑离聚物和电化学 反应，将新的电极孔隙网络模型与连续体模型联系起来 膜和阳极，并将毛细管压力和传输模型集成到 孔隙网络结构。这项任务将持续不断地使数据和知识相一致 通过异位和单元内表征测试获得。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：110,000 美元
• 赞助商：保密工业赞助商

目标：

本研究的总体目标是获得原位燃料电池性能 和压降数据来了解瞬态现象的机制，提供 用于建模验证的数据，并为设计更好的性能提供指导 燃料电池堆。

为了实现这一总体目标：定义了两个单独的目标。第一个目标是 对电池性能和压降之间关系的基本了解 使用单通道燃料电池，第二个目标是进行更实际的研究 多平行通道分段燃料电池。在这两种情况下，操作均处于低位 低化学计量比的电流密度将受到关注，因为排水 在这种操作条件下显着降低。

• 联合研究员：杰弗里·艾伦
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：176,724 美元
• 赞助商：中央大学

项目描述：

淬火、快速冷却，已用于提高硬度和降低结晶度 通过防止相变的低温过程。所以冷却合金 钢以极快的方式在其内部产生马氏体微观结构 表面。传统的淬火方法使用油、聚合物、空气和水。在这个 建议，建议使用高速水流进行强化淬火以改善 通过将受热表面的热通量提高 3-5 倍来提高排热率 金属。这种方法高效且环保，因为它使用水和 提供更大的热提取率，从而导致更大的温度梯度 样品。这种温度梯度在表面形成压应力 主要是消除裂纹。因此强化淬火保留了残余表面 应力是压缩的，而传统的淬火通常会产生拉伸或 中性残余表面应力。该项目的主要目标是建立基础 强化淬火热处理实用技术。

足球比赛结果将对现有的强化热处理技术进行调查和/或 在国际上具有实用性，并且对第一年也做了相应的分析研究。 第二年，密歇根理工学院将继续进行市场调查并分析最近的情况 强化淬火和传统热处理技术的研究动态。 第三年，密歇根理工学院将提供未来市场趋势和综合技术 热处理分析。

• 联合研究员：朱莉娅·金
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：101,143 美元
• 赞助商：科罗拉多神学院（德夫纳大学）

该项目包含三个独立的项目，它们是 NSF I/UCRC 的一部分 以丹佛大学为中心。这三个项目是：

• B3：碳/环氧复合材料的物理和化学老化
• Cl：开发高导电率、高温的先进铝合金 强度和低伽朗尼腐蚀
• C2：碳纤维/纳米粒子/环氧树脂复合材料的热机电性能

B3 的项目目标：

该项目有三个目标：

1. 开发简单、精确的结构­与风险相关的财产关系 条件和纳米颗粒含量对预期热机械性能的影响；
2. 制造、表征和测试暴露的聚合物和聚合物复合材料 长时间的亚玻璃化转变温度和高温、潮湿、紫外线辐射以及 氧化环境；和
3. 使用分子建模技术提供对观察到的行为的物理洞察。

C1 的项目目标：

潜在的铝合金将通过以下方式识别和检查其导电性 维也纳从头算仿真软件包 (VASP) 密度泛函理论 (DFT)。降水量 将使用 MOBA13 数据库通过 Prisma 进行动力学模拟。使用VASP DFT计算 和 ThermoCalc，将利用计算调查来选择有前途的合金 成分和热处理。一旦进行了这项计算调查， 将制造选定的合金并通过实验评估其导电性和 硬度等特性。

C2 的项目目标：

该项目有两个目标：

1. 开发分子模型以有效确定纳米颗粒/环氧树脂组合 增加压力和传热和
2. 制造和测试热石墨纤维/纳米颗粒/环氧树脂混合复合材料板 电导率、冲击力和压缩强度、导电性和屏蔽

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：266,818 美元
• 赞助商：美国宇航局兰利研究中心

简介/概要：

聚合物基纳米复合材料有潜力成为主要结构之一 未来飞机和航天器使用的材料。高比刚度和比强度 这些材料的特性可以通过使用正确的组合来确定 聚合物基体、纳米结构增强材料、基体/增强材料界面条件、 钢筋重量分数和钢筋方向。

纳米结构/微观结构材料参数的这种大组合呈现 这些材料的实验开发既昂贵又耗时 如果使用试错法。幸运的是，多尺度计算建模 可用于通过预测结构特性来促进材料开发 高效且准确的关系。

尽管众多研究人员付出了巨大努力来预测批量水平 晶体材料（例如金属、陶瓷）和其他高度有序的机械性能 基于分子结构的系统（例如碳纳米管），很少受到关注 已支付给非晶态聚合物系统。然而，等效连续介质模型 建立了预测聚合物宏观杨氏模量的方法 以及基于聚合物类型、增强材料几何形状和聚合物/增强材料的聚合物纳米复合材料 条件使用简单、高效、准确的建模方法。最近，这个 通过将其置于热力学框架内，对该方法进行了改进。结果， 等效连续介质建模方法现在可以预测整体力学性能， 聚合物纳米复合材料的强度和杨氏模量作为分子的函数 以热力学一致且准确的方式进行结构。

目标：

研究的总体目标是使用多尺度建模来建立结构-性质 聚酰亚胺纳米复合材料的关系分子和微观结构特征 这些材料的性能将与 tl1e 预测的机械性能相关。具体来说， 将研究以下纳米复合材料系统：

• 聚合物基体材料
  • ULTEM
  • LaRC-8515
• 加固材料
  • 单壁碳纳米管
  • 氧化石墨烯片

结构-性能关系将涉及以下结构和机械 属性：

• •分子和微观结构参数
  • 聚合物基体材料类型
  • 增强材料类型
  • 矩阵/钢筋界面条件
  • 钢筋重量分数
  • 强化方向
  • 钢筋尺寸
• 整体机械性能
  • 杨氏模量
  • 强度（微孔形成的开始）

建立结构-属性关系的总体目标是 通过以下一系列任务实现：

• 任务 1：为不同的组合建立一系列平衡的分子结构 使用基于 MD 的基质和聚合物材料以及一系列界面条件 技巧
• 任务 2：预测分子级杨氏模量和机械故障的发生 对于使用基于MD的技术的这些材料系统
• 任务 3：构建一系列包含结果的微机械模型 任务 2 并预测一系列加固的整体刚度和强度 重量分数、方向（随机分散、对齐）和尺寸（长度、直径）

• 联合调查员：Yoke Khin Yap
• 联合研究员：斯蒂芬·哈克尼
• 联合研究员：克劳迪奥·马佐莱尼
• 学院/学校：工程学院
• 部门：物理
• 奖励金额：1,736,592 美元
• 赞助商：国家科学基金会

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：109,378 美元
• 赞助商：西北太平洋国家实验室

工作范围：

环境分子科学实验室 (EMSL)，美国国家科学部 能源 (DOE) 用户设施位于太平洋西北国家实验室 (PNNL)， 要求服务部门与 EMSL 工作人员合作进行现场部署 支持 BER 中尺度的生物系统 TEM 和相关显微镜 试点项目。

这项研究的第二年将于 2015 年 10 月 1 日至 2016 年 9 月 30 日进行 有可能延续到 2017 财年。 MTU 将提供专业知识和劳动力来运营 EMSL 基于电子和光学的成像平台，收集和分析数据， 维护科学记录并展示和出版研究结果。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：445,658 美元
• 赞助商：国家科学基金会

概述：

纳米过渡金属氧化物（TMO）是锂离子电池的有前途的材料。 这些材料通过转化反应起作用，并与许多相关 比插层反应具有更高的能量密度。广泛的研究正在进行中 TMO基电极的电化学表征；然而，许多基本 问题仍有待解决。例如，TMO 表现出一种神秘的额外特征 通过仍然很差的机制，他们的能力超出了他们的理论能力 明白了。此外，纳米级 TMO 极易出现结构缺陷 在合成过程中产生的，可以通过扰乱局部来改变锂离子路径 电子和晶格应变。尚未有实验工作报道揭示 可以将结构缺陷与电化学相关联的潜在机制 由于难以表征纳米尺度的结构，TMO 中的锂化， 特别是在埋地接口处。这项研究旨在填补这一空白。

目标是了解结构的基本原子机制 异质界面、杂原子、位错、孪晶和晶界等缺陷 影响TMO的锂化行为。为了实现这一目标，单一 TMO 纳米线（NW）将在高分辨率内进行原位电化学锂化 透射电子显微镜 (HRTEM) 和像差校正扫描透射 电子显微镜（CsSTEM）。将进行原位电化学锂化 使用最先进的扫描隧道显微镜 (STM-TEM) 和导电原子 力显微镜 (cAFM-TEM) 支架。这种独特的组合使得研究 局部晶格应变的演变和附近的电子扰动 缺陷具有优于 0.7 A 的前所未有的空间分辨率和化学敏感性 低至 0.35eV。

智力优点：

现场研究将使三个鲜为人知的领域的研究成为可能：(I) 结构缺陷（孪晶、位错、晶界和异质界面）的影响 关于Li的成核₂0 和由于 TMO 中的转化反应而产生的 TM 颗粒； （二）固定/解除固定 与晶界运动相关的杂质或掺杂剂的影响 Li的成核₂0和TM相； (III) 局部应变和电子结构的演化 结构缺陷附近及其对锂离子通道的影响 了解可以促进锂离子电池结构定制的 TMO 的设计 应用程序。此外，分析实验方法和协议 原位数据可以扩展到其他纳米材料，以实现高性能电池。

• 联合调查员：Yoke Khin Yap
• 学院/学校：工程学院
• 部门：物理
• 奖励金额：327,763 美元
• 赞助商：国家科学基金会

摘要：

该研究旨在了解 (1) 掺杂元素和化学的机制 缺陷； (2) 纳米线的结构特性（长度、直径、形状和 方向）影响半导体纳米线中压电驱动的电输出 用于能量收集系统。这种理解将阐明并提供坚实的基础 正在进行的最重要的研究辩论之一的实验证据 能够从半导体压电纳米线获得电输出。 目前，掺杂元素、缺陷、 影响纳米线压电驱动电输出的结构和结构尚不清楚。 将通过应变来研究 ZnO 纳米管的机电耦合 使用同类首个原位力和电测量的纳米管样本 透射电子显微镜（TEM）内部的系统（AFM/STM），其中微观结构 ZnO 纳米线可以同时以高分辨率成像。拟议的研究 提供了一个独特的机会来推进有关机制的科学知识 纳米线中的机械能收集以及消除现有不确定性的能力 在现场。

智力优点：

TEM 内 ZnO 纳米线的原位机电探测将使 两个未探索领域的研究：(i) 掺杂元素和缺陷化学的作用； (ii) 纳米线结构特性的作用（直径、长度、形状、 方向）在压电驱动的电输出上，其数据不是 尚未在文献中找到。对耦合现象的新认识 不仅限于氧化锌纳米管，将为实验研究铺平路线图 其他半导体压电纳米线（例如 ZnS、GaN、BaTiQ、AIN）。 PI在电子显微镜领域拥有多年的研究经验 材料领域的专家，Co-PI 是纳米材料领域的知名研究人员 合成，特别是氧化锌纳米线。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：252,555 美元
• 主办方：美国国防部、空军科学研究办公室

• 联合研究员：朱莉娅·金
• 联合研究员：沃伦·佩格
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：354,693 美元
• 赞助商：美国国家航空航天局

聚合物复合材料已成为设计、开发和制造的主要材料 商用、军用和研究飞机。由于其机械性能相对较高 属性（每单位质量）它们被用作机身的主要结构部件 许多亚音速固定翼飞机的控制面。为了继续 提高飞机的安全性、效率和舒适度；复合材料增加了 必须开发功能。传统上，这是一种耗时的试错方法 已被采用“随着聚合物复合材料的发展，直到可接受的 已找到符合设计要求的材料。发展历程 随着纳米颗粒纳入传统复合材料中，情况变得更加复杂 材料（作为基体掺杂剂或作为主要增强剂）。因为 小尺寸纳米增强材料是观察到的材料的物理基础 行为并不总是可以通过实验手段来确定。多尺度建模 可以使用在过去十年中引起相当大兴趣的方法 通过消除这些障碍来促进传统研究。因此，耦合多尺度 建模和实验可以提高材料开发速度并提供 对观察到的材料行为的物理洞察。

这项研究的目标是开发一种多尺度建模方法来预测 纳米复合材料的机械和吸声性能 材料结构的作用。该模型将通过实验测试进行验证 在建模材料上。建模材料将是一种混合复合材料 石墨烯纳米片、传统碳纤维和聚醚酰亚胺聚合物 （超透射电镜）。石墨烯纳米片将分散到 ULTEM 聚合物中形成 一种纳米复合材料。这种纳米复合材料将用作基体成分 传统的“机织织物复合材料与纤维限制”。因为石墨烯具有 已被证明具有吸音能力和改进的机械性能 当用于复合材料时，预计混合复合材料将 具有良好的整体机械和声学阻尼性能。这种材料可以 可能用于飞机结构，包括机身，用于机械 耐用性并降低机舱噪音。

该研究分为三个具体任务。对于第一个任务，多尺度 将建立建模技术来预测体级1机械和声学 碳纤维/石墨烯/ULTEM复合材料的吸收性能这种建模策略 将结合分子动力学模拟、微观力学分析和纤维 波动模型将分子结构与复合材料的整体性能联系起来。 对于第二项任务，将制造并测试复合测试样本以确定 材料的弹性和吸声性能。该数据将是 用于验证建模策略。第三项工作重点是发展 使用经过验证的建模方法建立简单的结构-性能关系。 由此产生的结构-性能图将作为材料研究人员的设计指南 以及参与材料选择的工程师。

这项研究的结果是一种高效、准确的多尺度建模方法 将开发“可以很容易地被其他研究人员采用以继续 开发用于航空航天结构的材料。另外，模型\VIII 可以通过实验 经验证并用于建立混合碳的结构-性能关系 纤维/石墨烯/UL TEM 复合材料具有提高机械性能的潜力 以及航空航天结构的降噪能力。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：637,495 美元
• 赞助商：国家科学基金会

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：305,781 美元
• 赞助商：国家科学基金会

摘要：

对于剪切驱动流，传统锅炉和冷凝器操作的比较 以及拟议的创新锅炉和冷凝器操作。创新的 引入了用于剪切主导的功能性和高热能力的设备 毫米级操作中出现的情况，某些重力不敏感 （在飞机上）操作和零重力操作。因此，这些设备有利于 使用锅炉和冷凝器的热管理应用的开发 在这些条件下。利用显着方法的操作方法 在提议的操作范围内增强热通量（例如> 1 kW/cm2） 也提出了。这些优点是在可接受的低质量通量、压力下实现的 下降，入口温度接近饱和温度（即没有过冷 要求）。

报告了创新设备的实验实现 水平通道。 FC-72 蒸气在水平矩形中流动的结果 长度为 1 m 的横截面管道（间隙为 2 或 6 mm，宽度为 15 mm）。实验 展示将沸腾和冷凝流限制为环形流的能力 其中薄膜在设备的整个热交换表面上流动（< 0.5 毫米）。

质量中受控脉动（5-20 Hz 范围内）的引入和利用 流速显示出维持薄膜流动的能力，并具有显着的附加作用 与没有使用时相比，传热率提高 (>300%) 受控脉动。报告的增强与不对称减少有关 在平均膜厚度（与高热通量值相关）出现时 与较大的“停留”时间相关（相对于特征时间段 当瞬时膜厚度（在 波谷）变得小于几十微米。这种“居住/坚持”的要求 人们相信润湿热交换表面上的微尺度流动的性质 通过与相邻的类固体吸附的相互作用（和不稳定）来满足 热交换表面上的一层（其厚度可以<200 nm）。存在感 在这些条件下的吸附层（三相彼此接近） 允许控制薄膜动力学的现象的存在——例如一系列积极的 负分离压力和承受剪切应力的能力。成核的 池沸腾，类似条件下的类似现象（非常高的热通量值） 已知存在于生长和离开气泡的接触线上。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：356,601 美元
• 赞助商：国家科学基金会

摘要：

电子冷却、航空电子冷却和太空操作的进步 带来了低散热率、高压降的巨大工程挑战， 以及设备和系统级别的不稳定性。应对这些挑战的需要是 针对急需的剪切主导锅炉和冷凝器操作的创新。 这是为了有效地去除大量的热量。即使是大型工业规模 重力驱动锅炉的操作需要针对下一代组合进行创新 循环（或相关）发电厂技术——朝着发电的方向 以更有效和可持续的方式。这些创新需要综合突破 锅炉和空气侧流技术 - 应对全球能源挑战。

为了应对挑战，持续进行研究以实现突破。这些都是基于 基于基础流体物理学的锅炉和冷凝器实验发现 操作。为了开发科学知识和工程设计工具，这些 相关建模和模拟方面的突破也支持了这些发现 研究。

一项关键的创新操作程序引入了被动再循环蒸汽流 设备内。这可以控制流量并确保非常稳定的沸腾和 冷凝流以薄液膜流动的方式发生，通常在 0.5毫米厚度，覆盖整个换热面。第二个创新是 通过受控共振脉动引入大幅度波 液膜 - 导致散热率提高 200-1000%。分析 暗示了基本的物理原理。当液膜上的波谷接近时 将换热面润湿至30-50μm以内，具体位置开始 表现出类似于高热通量的固-液-汽相互作用现象 与核沸腾或滴状冷凝相关的接触线位置。 保留这种物理特性并将工作流体改为水，正在进行的研究计划 展示整个长度上非常高的散热（> 1 kW/cm2）值 创新设备。

• 联合研究员：Gregory Odegard
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：371,802 美元
• 赞助商：国家科学基金会

摘要：

纤维素纳米晶体 (CNC) 是高度结晶的有机聚合物，可 从天然材料中提取。它们比铝更硬，理论计算 其拉伸强度为 7500 MPa，高于玻璃纤维或钢。考虑到 这些晶体具有生物相容性、重量轻、成本低且可持续 为生物医学材料、能源技术、 电子和微机电系统 (MEMS) 设备。然而，这种潜力 尚未完全实现，主要是因为对参数知之甚少 影响 CNC 机械性能的因素包括： (i) 不同产品之间的差异 纤维素的自然资源（例如细菌、植物和农产品）， (ii) 尺寸尺度效应，以及 (iii) 晶体各向异性。迄今为止，还没有实验 测试已用于测量 CNC 的强度特性。为了评估 这些特性是负责纳米级力学的基本机制 被确定。小尺度变形的原位实验和多尺度模型 组件可以为改进 CNC 的设计和应用提供可能性。 这项研究旨在填补这一空白。

这项研究的目标是 (i) 探索个体的纳米级力学 CNC 作为纤维素资源的函数； (ii) 确定依赖性 CNC 的机械性能与纤维素尺寸的关系； (iii) 充分表征 CNC 的弹性模量作为其晶体取向的函数。至 为了满足这些目标，纳米力学性能将通过 使用新型原位表征技术实现原子力显微镜 （AFM）透射电子显微镜室内的实验。就地 然后数据将用于开发和验证连续介质力学和分子 CNC 的动力学模型。

这些现场研究将使两个相对未经探索的领域的研究成为可能：(i) 纤维素资源对单个 CNC 强度性能的影响将 直接测量，以及 (ii) 单个 CNC 的强度特性作为函数 长度尺度、负载模式和晶体取向。这些地区有 文献中未提及，但显然对机械性能有很大影响 属性。 AFM 的使用可以实现前所未有的材料表征 与只能表征总体特征的其他方法相比，单个 CNC 的 属性。

基于 CNC 的材料预计将对生物医学领域产生巨大影响（例如 如骨支架、髋关节和软骨替代品）、汽车零部件（例如内饰 以及可能的外部组件）以及高性能纺织品和非织造布。

• 联合研究员：克雷格·弗里德里希
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：252,216 美元
• 赞助商：国家科学基金会

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：640,412 美元
• 赞助商：国家科学基金会

概述：

流动性是幸福感的关键因素，无论是在情感上（通过增强独立性） 并减少抑郁和焦虑）和身体上（通过降低疾病风险， 骨骼维护、肌肉力量和体重控制）。超过一百万美国公民 是四肢截肢者，主要是小腿截肢者。该计划将 1) 致力于改进 通过研究设计和控制下肢截肢者的活动能力 动力踝足假肢，模仿人类步态的转向机制 具有两个可控自由度 (DOF) 和 2) 将研究与教育相结合 并进行外展活动，以激励和装备多元化的下一代工程师。去上班 为了实现这些长期目标，该计划将制定 –并在教育中使用 和外展 - 一种轻型、电缆驱动、动力踝足假肢 通过学习人体踝关节矢状阻抗来控制转向和穿越斜坡 和步态期间的额面。

这项研究基于这样的假设：踝足假肢能够 在矢状面和额状面应用扭矩和阻抗调制， 类似于人类的脚踝，将通过以下方式提高机动性和灵活性 降低步态的代谢成本——无论是直走还是转弯。进展 动力假肢已显示出能够降低代谢成本并增加 单侧小腿截肢者直线行走时的首选步态速度 通过在推离期间提供足够的动力。动力假肢还可以减少 不对称的步态模式，因此可以降低继发并发症的风险。然而， 研究表明，转身步数占步数的 8-50%，具体取决于活动情况， 因此可能占每日步数的 25%。脚踝阻抗的调制 矢状面和额状面在控制横向和推进力方面起着重要作用 地面反作用力。而非截肢者则依靠冠状部的髋部运动 使用被动假肢的截肢者的平面和踝关节中产生的力矩 使用矢状面中的髋部伸展作为步态策略。假设是 初步结果支持了该结果，显示在 迈步转身的站立周期，表明脚踝旋转存在明显偏差 从直步模式。

了解脚踝在运动中的作用并开发设计平台 新踝足假肢的控制和控制将允许探索性研究和教育。 研究包括： 推力 1：估计矢状面和额叶的踝关节阻抗 步态站立期间的平面；主旨 2：开发动力踝足假肢 具有两个可控自由度；主旨 3：评估假肢的设计和控制 通过与膝下截肢者合作，使用评估平台 梅奥诊所；重点 4：教育/推广：利用可操纵的踝足假肢 获得影响多元化 K-12、社区的教育、外展和研究经验 大学生、本科生和研究生。

这项工作意义重大，因为它将贡献 1) 关于多变量的新知识 步态站立期间人体踝关节的阻抗调制，一个区域 尚未充分探索，2）用于开发和评估动力的独特框架 踝足假肢。可操纵踝足假肢之所以具有创新性，是因为它 将使截肢者能够通过使用踝关节以更自然的步态行走，而不是 不仅仅是臀部和膝盖。这个新颖平台的开发将是一个重大的 朝着改善下肢设计和可操作性的长期目标迈进 辅助假肢和机器人。

机器人是吸引未来工程师注意力的一种具有高影响力的方式。外展 其中包括激发和维持大学预科学生对 STEM 兴趣的活动， 尤其是代表性不足的少数群体。开发一种廉价的动力踝足 假肢将改善受伤战士和平民截肢者的福祉，同时 同时激励和培训未来的 STEM 劳动力。此外，还有一个 新开发的低成本肌电图控制机械手将作为教育工具包括在内 将用于外展计划的平台，以教授机电一体化基础知识， 机器人学和生物力学到 K-12、社区学院、本科生和研究生 学生。

• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：554,593 美元
• 赞助商：国家科学基金会

摘要：

概述：脱铁铁蛋白是一种有机笼，可捕获有毒的游离亚铁离子 并将它们转化为水铁矿和氧化铁晶体纳米颗粒 复杂的生物矿化过程（产生的结构蛋白称为铁蛋白）。 铁蛋白的任何功能障碍都可能导致铁中毒、严重疾病、 慢性疾病，尤其是神经系统疾病。铁蛋白功能障碍结果 铁蛋白核心生物矿化的改变，因此， 了解铁蛋白内生物矿化的过程非常重要 从事神经退行性疾病和其他慢性疾病的研究。虽然这些独特的蛋白质 因其独特的优势而成为生物学和化学领域深入研究的课题 在许多慢性疾病中的重要性，但很少有人努力揭示其动态 液体条件下的这种生物矿化过程。据PL所知，有 目前还没有原子水平上的直接证据表明生物矿化或脱矿质是如何发生的。 铁蛋白内部随着时间的推移而进展。这项研究旨在填补这一空白。

该项目的目的是研究亚铁的原位结晶 离子转化为结晶水铁矿和氧化铁纳米颗粒以及脱矿质 以前所未有的分辨率研究健康和功能障碍铁蛋白中的结晶核心 液体内。在原子分辨率像差校正内进行的原位研究 扫描透射电子显微镜 (STEM) 能够以更好的分辨率成像 大于1A。一种兼容微型石墨烯的电子透明生物/纳米反应器 与显微镜室一起用于保存内部的液体环境 电子显微镜。在这个石墨烯生物/纳米反应器中，亚铁离子被传递 通过作为铁储存库的脂质体的分解来触发去铁铁蛋白 脱铁铁蛋白核心内的生物矿化。

该研究是蛋白质介导的生物矿化的第一个原子分辨率研究 以及液体介质内和透射电子显微镜内的脱矿质。 这项职业研究展开：（I）矿物的成核和生长机制 核心（水铁矿和氧化铁晶体），（二）原子的存在和演化 缺陷（空位、孪晶、取向错误边界、非晶区等） 结晶，（III）从表面到核心的化学梯度的演变 生物矿化过程中晶体的形成，（IV）脱矿机制 由于铁释放，以及（V）原子尺度的形态和结构差异 健康和功能失调的铁蛋白之间。

这项研究探讨了铁蛋白生物矿化的基本规则，其目标是 揭示与功能失调的铁蛋白的根本区别 神经系统疾病。此外，生物/纳米材料的利用也是一个新的研究领域。 将开发以原子分辨率对复杂生化反应进行成像的反应堆。 职业计划将通过整合多学科研究影响社会 开展各级教育，同时促进多样性。研究生和本科生 参与该项目的学生将接受交叉领域的培训。

• 联合研究员：Chang Choi
• 学院/学校：工程学院
• 系：机械与航空航天工程
• 奖励金额：526,784 美元
• 赞助商：美国国家航空航天局

这项研究的重点是三个关键的微重力挑战中的两个；

(i) 蒸发和冷凝过程以及 (ii) 详细模型的有效使用 模拟低温推进剂行为。

研究目标是：

1. 开发测量蒸发调节系数的标准方法 使用中子成像氢化低温推进剂。实验解决 该物镜将利用 NIST 中子成像设施（马里兰州盖瑟斯堡）。 将获得液氢和液甲烷的调节系数 在纯蒸气环境和双组分（蒸气和气态氦）环境中。
2. 使用改进的方法开发氢气和甲烷液膜的数值模拟 演化方程的版本，通过以下方式将气相与液膜耦合起来 蒸发和冷凝的动力学模型。

该研究的征集目标是支持未来的空间科学和 通过提供蒸发和冷凝的基础知识来满足 NASA 的探索需求 低温推进剂。低温的长期微重力储存和转移 推进剂是关键任务技术。多种无源和有源技术 已被用于控制沸腾，但目前对低温的理解状态 微重力和 TRL-1 下的蒸发/冷凝不足。拟议的 努力将通过开发增加对 TRL-3 的理解 利用位于 NIST 的中子成像设施进行的一项新颖实验。

实验和随附的建模将能够确定适应性 开发零蒸发技术和方法所需的系数。 目前尚无确定调节系数的实验方法 用于低温推进剂。所提出的实验将能够确定这些 系数，并可能成为测量调节系数的标准方法 氢化低温推进剂。

此外，液膜蒸发和冷凝的模拟将提供 用于解决相变动力学表达方式的不确定性的数据 在罐内存在双组分混合物的情况下进行修改。薄的 薄膜模拟直接解决了对预测瞬时的简化模型的需求 推进剂罐缺损中低温液膜的热力学条件。

结果将成为获取氢化物基础数据的新标准方法 低温推进剂，更透彻地了解低温的基础物理 蒸发和冷凝，以及确定最小尺寸的基础 系统级技术演示。