DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 实验部分 2.1. 材料制备 无机钙钛矿前驱体配制：调控PbI 2 ，PbBr 2 (西安宝莱特有限公司，99.99%)，CsI (Sigma-Aldrich， 99.99%)和CsBr (上海麦克林生化科技有限公司，99.5%)之间的摩尔比例，先后加入DMSO (Sigma-Aldrich， 无水99.99%)溶剂中，隔夜常温搅拌，得到相应浓度的混合卤素CsPbI 3−x Br x 前驱体(X = 0， 1， 1.5， 2， 3)，CsPbI 3 前驱体：(CsI:PbI 2 = 1:1)，CsPbI 2 Br前驱体：(CsI:PbBr 2 :PbI 2 = 2:1:1)，CsPbI 1.5 Br 1.5 前驱体：(CsI:PbBr 2 :PbI 2 = 4:3:1)，CsPbIBr 2 前驱体：(CsI:PbBr 2 = 1:1)，CsPbBr 3 前驱体：(CsBr:PbBr 2 = 1:1)，待溶液澄清后用0.22 μm口径滤头过滤备用。 空穴传导材料配制：称取0.0723 g Spiro-OMeTAD (西安宝莱特有限公司，99.5%)粉末并滴加1 ml的氯苯(Sigma-Aldrich，无水99.99%)溶液，常温搅拌。待溶液澄清透明继续向溶液中添加28 μl TBP溶液、18 μl的锂盐(西安宝莱特有限公司，99%)溶液(浓度为520 mg/ml，溶剂为乙腈(Sigma-Aldrich， 99.8%)溶液)和30 μl的钴盐(西安宝莱特有限公司，99%)溶液(浓度为300 mg/mL，溶剂为乙腈溶液)，搅拌至澄清并使用0.22 μm口径滤头过滤备用。 2.2. 器件制备 首先将透明的导电玻璃(ITO， 2 cm ×2 cm)依次使用去离子水，丙酮，无水乙醇浸没ITO并放入超声仪中各清洗导电基底ITO 20分钟，结束后放入烘箱烘干。使用紫外光臭氧仪清洗处理20分钟，将SnO 2 浆料(Alfa-aesar， 99.9%)与去离子水之比为1:4稀释过的SnO 2 前驱体以3000转/分，30秒旋涂于ITO基底上，100℃退火30分钟制得SnO 2 电子传输层，冷却后经过紫外臭氧处理20分钟后转移到氮气氛围的手套箱里进行钙钛矿层制备。滴加40 μl钙钛矿前驱体，以1500转/分、15秒，4000转/分、45秒旋涂，退火10分钟后制备得到钙钛矿层。冷却后，设置旋涂仪参数为4000转/分、20秒，取40 μl Spiro-OMeTAD前驱体溶液均匀涂覆在钙钛矿表面进行旋涂操作，完成空穴传输层的制备。最后在高真空(<10 −4 Pa)条件下，通过真空蒸镀，将预先固定在掩膜版的样品蒸镀厚度为100 nm的Ag，完成电极制备。 2.3. 表征测试方法 样品的形貌结构通过JSM-7100F型场发射扫描电子显微镜(SEM)表征；晶相结构通过X射线仪(XRD，德国Bruker，D8)测试；样品的光吸收性能采用UV-vis分光光度计(岛津，UV-3600)测试；电池的光电性能采用太阳电池J-V曲线测试系统(美国Newport Oriel光源，吉时利2402数据源表)进行测试，测试条件为标准光源AM1.5，强度100 MW/cm 2 ；入射单色光子-电子转换效率(IPCE)通过CIMPS-2型光电化学测试系统(德国)测试。
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user: 4. 结论 在本文中，通过传统的一步旋涂法，对CsPbI 3−x Br x 薄膜的结晶性、光吸收率、形貌、表面覆盖率等进行系统的探究。通过调控钙钛矿中I、Br的原子比例，实现了对钙钛矿带隙、光吸收性能和光电性能的调控。发现CsPbIBr 2 钙钛矿薄膜在得到较好效率的同时也表现出更好的相稳定性和较低回滞。在确定CsPbIBr 2 组分后，改变CsPbIBr 2 薄膜制备过程中的退火温度，发现220℃时钙钛矿薄膜具有更好的结晶性，制备器件的光电性能最佳。在此基础上，采用分步溶解PbBr 2 和CsI的方法制备了高浓度CsPbIBr 2 前驱体，通过改变CsPbIBr 2 前驱体的浓度，调控了钙钛矿薄膜的质量，获得了结晶性好、无针孔的钙钛矿薄膜。结果表明，CsPbIBr 2 钙钛矿太阳能电池在1.2 M浓度下能达到8.14%的高效率。对CsPbI 3−x Br x 钙钛矿薄膜的组分、相变温度、前驱体浓度等相关参数优化和器件光电性能的改善对无机钙钛矿光电器件的研究和应用具有重要借鉴意义。
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user: 摘要 目的：探明种子和果肉中内源激素含量变化对三个品种的枇杷坐果和幼果发育的影响。方法：对三个品种枇杷果实发育过程中种子和果肉中的内源激素含量的变化进行分析。结果：IAA (Indole-3-Acetic-Acid，生长素)含量随着枇杷果实快速生长期的到来而逐渐上升，GA (Gibberellic acid，赤霉素)和ZR (Zeatin Riboside，玉米素核苷)含量在果实发育初期达到高峰，随果实发育而逐渐下降，二者在坐果和幼果发育中起着重要的促进作用，可以提高结实率，而且二者具有极强的相关性，三个品种中二者的相关系数分别为：“Marc”为0.965 ** 、“早钟6号”为0.831 * 、“M.C.B”为0.900 * 。ABA (Abscisic acid，脱落酸)的含量则随果实的成熟呈上升趋势；从各激素含量比值的变化规律可以得出：种子中各激素的含量变化在果实发育过程中的作用更为重大。结论：三个品种枇杷种子中内源激素的比值均远大于果肉中，以GA/ABA、ZR/ABA以及(IAA + GA + ZR)/ABA更能反应果实的生长发育规律。
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user: 1. 引言 枇杷(Eriobotrya japonica Lindl.)是著名的亚热带常绿果树，作为重要的度淡水果，果实营养丰富，深受人们喜爱。但是枇杷的产量仍较低，果实的可食率不高，优质大果型枇杷品种偏少，远远满足不了市场的需求。果实的采前发育对于最终的产量和品质起到决定性的影响，也是生产中最基本和最受关注的问题，受到多种因素的影响。丁长奎等 [ 1 ] 认为内源激素作为调节植物生长发育的微量有机物质，在组织与器官分化、细胞的分裂与伸长、开花与结果、成熟与衰老等方面，具有重要的调控作用，是影响果实采前发育的一个重要指标，关于这方面的研究在许多果树上已有报道。目前关于内源激素与枇杷果实发育的关系方面的研究尚少，本文对此进行探讨，以阐明枇杷果实发育过程中的相关生理机制，为生产栽培提供理论依据。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 材料 本试验在华南农业大学园艺学院果园枇杷资源圃内选7年生的三个枇杷品种，分别为：“Marc”、“早钟6号”、“M.C.B”，三个品种树各4棵，树势相同，于其盛花期选花期一致的花穗进行挂牌，每7 d采样一次，直到果实成熟为止。“Marc”盛花期为12月20日，果实成熟期为4月04日，平均单果重为53.25 g，果实形状为椭圆，果皮颜色为橙黄。“早钟6号”盛花期为12月06日，果实成熟期为3月21日，平均单果重为33.32 g，果实形状为椭圆，果皮颜色为橙黄。“M.C.B”盛花期为12月20日，果实成熟期为4月04日，平均单果重为20.48 g，果实形状为近圆，果皮颜色为浅黄。 2.2. 方法 采取样品后，迅速分开果肉和种子，液氮速冻2~3 min后，放入−80℃超低温冰箱保存。内源激素的测定采用ELLSA法ELLSA试剂盒由中国农业大学作物化学控制实验室提供。IAA、GA、ZR和ABA激素提取和测定等具体操作参照周碧燕等 [ 2 ] 采用的程序进行。
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user: 3. 结果与分析 3.1. 三个品种枇杷种子和果肉中IAA、GA、ZR和ABA的含量的变化比较 由图1可看出，三个品种枇杷果实发育过程中种子中IAA含量总体趋势表现为先降后升。三者在花后35 d IAA含量相对较高，在花后49 d达到最低谷，后随成熟整体上升；果肉中所不同的是在成熟前的两周开始迅速下降，三者IAA含量相比：“早钟6号” > “M.C.B” > “Marc”。 图1. 三个品种枇杷果实发育过程中和内源激素含量的变化 三个品种枇杷果实发育期间种子和果肉中GA含量的变化相似，种子中在花后35 d、果肉中在花后21 d GA含量最高，之后迅速下降。但是整个发育过程中果肉中的GA含量很低，种子中GA含量远远的高于果肉，其中“Marc”的GA含量是三者中的最高者。 三个品种枇杷果实中种子的ZR含量变化与GA含量的变化具有相同的趋势，果肉中ZR含量的变化则各不相同，“Marc”果肉中ZR的变化与种子中基本相似，花后21 d达到最大值，此时的ZR含量远远高于另外两个品种，之后迅速下降，“早钟6号”和“M.C.B”早期含量则相对较低，“早钟6号”果肉中的ZR含量出现两个较为明显的峰，分别是花后63 d和花后91 d，“M.C.B”则有一个明显的峰值，为花后91 d，二者接近成熟时均迅速下降至最低。 三个品种枇杷种子中ABA含量的变化趋势相同，果实发育前期和后期较高，中期较低。花后35 d后，ABA含量迅速下降，花后63 d达到最低值，之后又逐渐上升；三个品种枇杷果肉中ABA含量的动态变化也相同，果实发育的前期和中期均较低，到果实发育后期逐渐上升，成熟时最大。 3.2. 三个品种枇杷果实发育期间内源激素比值的变化比较 3.2.1. 三个品种枇杷果实发育期间种子中内源激素比值的变化 由图2可以看出，整个果实发育过程，IAA/ABA比值变化波动不大，三者相比，“早钟6号” > “M.C.B” > “Marc”；GA/ABA的最大值出现在花后35 d，之后迅速下降，花后49 d降至最低，之后变化很小，直到成熟；ZR/ABA的比值与(IAA + GA + ZR)/ABA的比值变化相一致，果实发育早期比值高，随果实发育天数的增加而逐渐下降，成熟时比值降至最低。 图2. 三个品种枇杷果实发育期间种子中内源激素比值的变化 3.2.2. 三个品种枇杷果实发育期间果肉中内源激素比值的变化 由图3可以看出，三个品种枇杷果实发育期间果肉中各激素含量的比值远低于种子，其中GA/ABA的变化与种子中相同，其他比值则在果实发育初期相对较低，“Marc”品种果肉中IAA/ABA出现三个高峰，分别在花后21 d、花后49 d和花后91 d；“早钟6号”分别在花后21 d和花后63 d；“M.C.B”则分别出现在花后21 d和花后77 d。“Marc”果肉中ZR/ABA总体呈不断下降的趋势，“早钟6号”和“M.C.B”果肉中ZR/ABA有2个高峰，分别为花后63 d和花后91 d；“Marc”品种果肉中(IAA + GA + ZR)/ABA在花后21 d时达到最大，之后波浪式下降，而“早钟6号”和“M.C.B”均于花后63 d出现一个高峰，之后转为下降。成熟时，三个品种果肉中各激素比值均为最低。 图3. 三个品种枇杷果实发育期间果肉中内源激素比值的变化
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user: 4. 结论与讨论 束怀瑞 [ 3 ] 认为种子是激素源，果实是一个营养库，果实的生长依赖于发育正常的种子。本试验中，除ABA外，果实发育的同一阶段种子中的各激素含量及比值均高于果肉中各激素的含量，这种变化在多种果树中有类似的表现。 GA的含量花后35 d达到最大值，说明GA在坐果和幼果发育中起着重要的促进作用，可以提高结实率，这与在刺梨方面研究的樊卫国等 [ 4 ] 和对“早蜜梨”研究的陈善波等 [ 5 ] 研究相似，而且大果型“Marc”的GA含量远远高于其他两个品种，这也说明GA与果实发育的细胞分裂有着密切的关系，可能影响果实的细胞数目，是形成枇杷大果的主要激素。幼果期(花后35 d)种子中的ZR含量最高，这说明ZR与细胞分裂密切相关。此外，方金豹等 [ 6 ] 研究认为ZR还与GA具有共同调运同化物质至果实的作用。本试验中，通过相关性分析发现，种子中ZR与GA的含量变化达到极显著或显著的相关性，三个品种中二者的相关系数分别为：“Marc”为0.965 ** 、“早钟6号”为0.831 * 、“M.C.B”为0.900 * 。 季作梁等 [ 7 ] 研究认为“淮枝”荔枝果实种子中IAA含量的高峰与两次果实迅速生长期会同时出现。丁长奎等 [ 1 ] 研究认为枇杷果实的大小与IAA含量多少及高峰期持续时间的长短有关。但是Hopping等 [ 8 ] 在酸樱桃上证明果肉和种子中的IAA水平与果实发育无关。本试验中，种子中IAA的含量的增加趋势与果实的快速生长期相吻合，三个品种IAA持续增加的时间基本相同，但IAA的含量与果实的最终大小无相关性。在果实发育初期，ABA含量保持在较高水平，这说明ABA同样促进生长，对果实细胞分裂有刺激作用。而且随着ABA含量的升高，果实也进入快速生长期，这一结果与Garcia Papi等 [ 9 ] 在葡萄和酸樱桃果实上的研究相似。同时伴随ABA的不断升高，果实开始走向成熟。这也说明ABA在果实发育的不同时期起着不同的作用，前期主要是促进同化物的积累，而后期则是刺激果实的成熟与衰老。 各激素间的平衡比单一激素对果实发育的影响更大。本试验中，种子中GA/ABA、ZR/ABA以及(IAA + GA + ZR)/ABA的比值在果实发育的初期及中期均较高，而果肉中这几种激素比值则在果实发育的前期较低，中后期有所升高，和种子中相互配合，共同促进果实的发育。 根据枇杷果实发育过程中各种内源激素含量的变化，根据生长调节剂施用的最佳时间，在果实发育前期，如应用GA、ZR类物质促进细胞分裂，从而增加细胞数量；在果实迅速膨大期使用IAA类物质，则可促进果实的快速膨大等。
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user: 摘要 破译DNA序列所代表的信息是基因组研究的基本问题之一。基因调控编码由于存在多义性关系而变得非常复杂，而以往的生物信息学方法往往无法捕捉到DNA序列的隐含信息，尤其是在数据匮乏的情况下。因而从序列信息中预测DNA序列的结构和功能是计算生物学的一个重要挑战。为了应对这一挑战，我们引入了一种新的方法，通过使用自然语言处理领域的语言模型BERT将DNA序列表示为连续词向量。通过对DNA序列进行建模，BERT有效地从未标记的大数据中捕捉到了DNA序列中的序列特性。我们将DNA序列的这种新的嵌入表示称为DNAVec (DNA-to-Vector)。此外，我们可以从模型中提取出预训练的词向量用于表示DNA序列，用于其他序列级别的分类任务。
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user: 1. 引言 最近，研究人员发现人类语言与生物语言之间存在一些相似之处。受此启发，开发生物语言处理模型可以为生物序列的研究提供一个全新的理论视角和可行的方法，然而，人们要发现与人类语言不同的生物模式的真正含义是相当困难的。研究人员开发了一个叫的BioVec [ 1 ] 模型。该模型提供了一种全新的蛋白质序列的表示和特征提取方法。Wang等人开发了一种名为生物向量(Bio2Vec)的生物语言处理模型 [ 2 ]。Bio2Vec提供了一个框架，允许研究人员考虑生物序列的上下文信息和隐含语义信息。Chen等人 [ 2 ] 利用自然语言处理(NLP)技术获得了各蛋白质序列的全局向量表示。Heinzinger等 [ 3 ] 利用深度双向语言模型ELMo [ 4 ] 从未标记的大数据中捕捉蛋白质序列的生物物理特性。MENEGAUX等人 [ 5 ] 开发了一称之为fastDNA的模型，此模型通过学习DNA序列所包含的k-mer的连续低维表示，将DNA序列嵌入到一个向量空间中。他们通过修改fastText开源库 [ 6 ] [ 7 ] 实现了这个模型，其中涉及到一个类似的自然语言的k-mer嵌入模型。Patrick Ng开发了一个名为DNAVec [ 8 ] 的方法，该方法基于NLP的一个开创性的模型Word2Vec [ 9 ] 来提取DNA序列的特征并给出适当的表示，可以更好地理解DNA序列的语义。以上实验结果表明，利用生物序列的语义信息对解决基于序列的问题有很大帮助。此外，这些工作将在各种生物分类问题上也有潜在的应用。 上面研究的表明NLP在生物语言处理领域有很大的潜力，但是自然语言处理社区技术也不断的更新和发展，以前技术的不足也不能满足当下发展的需求。比如：之前的模型Word2Vec [ 9 ]、GloVe [ 10 ] 专注于学习与语境无关的词语表征，最近的研究ELMo [ 4 ] 使用了一个双向的语言模型学习上下文表示，集中在学习依赖语境的单词表征上，ELMo使用两个独立的长短期记忆网络(LSTM) [ 11 ] 的组合，并不是真正意义上的上下文相关表示。GloVe [ 10 ] 使用机器翻译将上下文信息嵌入到单词中。这些自然语言处理技术虽然得到了广泛的应用，但它们对序列的表示都不是真正意义上的上下文相关。BERT [ 12 ] 是广泛用于NLP领域的基于上下文相关的词表示模型，同时在大多数的NLP应用中取得了最先进的性能。在大量自然语言处理领域的实践表明BERT具有很强的表示能力，而表示学习 [ 13 ] 对于深度学习模型是非常重要的。基于BERT这种对序列的表示能力，因此在这篇文章中我们基于全基因组DNA序列从头训练BERT模型，从而得到一个DNA序列的表示模型。模型的可视化结果表明，模型能够捕捉到DNA序列中特殊的语义模式。
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user: 2. 预训练模型 2.1. 数据集 我们的预训练模型是用hg38人类基因组组装chr1至chr22进行训练的。具体来说，它们是从UCSC (http://hgdownload.cse.ucsc.edu/downloads.html#human)下载的。此外，我们排除了X和Y染色体，以及线粒体和未定位的序列。 2.2. BERT：基于Transformer的双向语言模型 BERT是一个上下文相关的的词表示模型。该模型是基于遮蔽语言模型和预训练的使用双向Tranformers [ 14 ]。由于语言模型的本质是未来的词不能被看见，以前的语言模型仅限于两个单向语言模型的组合(即从左到右和从右到左)。BERT使用了一个遮蔽语言模型，可以预测序列中随机遮蔽的词，因此可以用于学习上下文相关表示。同时，它在大多数NLP任务上获得了最先进的性能，同时只需要最小的特定任务架构修改就能用于其他任务。根据BERT的作者，在自然语言模型中加入双向表征的信息，而不是单向表征的信息，对于表征自然语言中的词是至关重要的。我们假设这种双向表示对于DNA序列的表示也是至关重要的。因为复杂的DNA序列表示也不是简单的从左到右或者从右到左的关系，基因调控元件之间也是上下文相关的。 2.3. 分词 我们没有将每个碱基视为一个单一的标记，而是用k-mer表示法将一个DNA序列标记化，这种方法已被广泛用于分析DNA序列。k-mer表示法通过将每个脱氧核苷酸碱基与它的后续碱基连接起来，为其整合了更丰富的上下文信息。它们的连接称为k-mer。本文中我们使用可变长k-mer ( 3 ≤ k ≤ 8 )来组装DNA序列。具体方法如下：给定一个DNA序列S，首先通过在S上滑动长度为k的窗口将其转换为重叠的固定长度的k-mer，其中k值的选择采用离散随机采样。例如，GATCCCAC的变长k-mer (k = (4， 5， 6)可以是{GATC， ATCCC，TCCCAC}。分词示例如图1所示。在我们的实验中，模型的词汇表包括k-mer的所有排列组合以及5个特殊标记。[CLS]代表分类标记；[PAD]代表填充标记；[UNK]代表未知标记；[SEP]代表序列上下句分离标记；[MASK]代表屏蔽标记。因此模型中的词汇共有87365个。 图1. 可变长k-mer从头组装 2.4. 预训练 根据之前的模型预训练工作 [ 12 ] [ 15 ]，本实验的总体结构如图2所示，对于一段DNA序列(序列的最大输入长度为512)，我们将其标记为k-mers序列，并在其开头添加一个代表整个序列的特殊的标记[CLS]以及在结尾添加一个表示序列结束的特殊的标记[SEP]。在训练过程中，我们遮蔽序列中的某些k-mers，遮蔽的比例为占一段输入序列的15% (防止过拟合以及减少模型的计算量)。在本研究中我们使用BERT (L = 12， H = 512， A = 12)相同的模型结构进行训练，其中L代表代表模型的总的层数，即有12个Transformer结构单元，H代表隐藏层大小，A代表自注意力头部，共有12个注意力头部。我们对预训练模型进行了共80 k步的训练，批处理量为8。学习率为4e −4 。此外，我们在配备2个NVIDIA Tesla K80 (240 k) GPU的机器上进行训练。 图2. 预训练模型结构 2.5. 词频–逆文档频率 tf-idf (term frequency-inverse document frequency)表示词频–逆文档频率，tf (term frequency)是词频，idf (inverse document frequency)表示逆文档频率，tf-idf权重是信息检索和文本挖掘中常用的加权技术。该权重是一种统计度量方法，用于评估一个单词对集合或语料库中的文档的重要性。重要性随单词在文档中出现的次数成比例增加，但会被单词在包含该单词的语料库中出现的频率抵消，这有助于根据某些单词在一般情况下出现更频繁的事实进行调整。tf-idf计算方法为： 我们定义 f ( t ， d ) 为单词t在文档d中的出现频率，然后词频 f ( t ， d ) 如公式2-1所示： f ( t ， d ) = f t ， d ∑ t ′ ∈ d f t ′ ， d (2-1) 逆文档频率idf定义如公式2-2所示： i d f ( t ) = log 1 + n 1 + d f ( t ) + 1 (2-2) 其中n 在文档集中文档的总数， d f ( t ) 是包含t的文档的数量， tf-idf 定义如公式2-3所示： t f - i d f ( t ， d ) = t f ( t ， d ) × i d f ( t ) (2-3) 然后将得到的tf-idf向量用欧几里得范数进行归一化处理，如公式2-4所示： v n o r m = v ‖ v ‖ 2 = v v 1 2 + v 2 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + v n 2 (2-4)
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user: 3. 实验结果 3.1. 模型注意力机制分析 BERT以两个关键思想为基础：Transformer [ 14 ] 架构和无监督的预训练。这两个思想是BERT在很多应用上取的很好的原因。Transformer是一个序列模型，它放弃了循环神经网络(RNN) [ 16 ] 的循环结构，而采用了完全基于注意力的方法 [ 17 ]。为了探索预训练到底学到了什么。我们使用可视化工具bertviz [ 18 ] 对模型进行可视化，通过分析模型的注意力机制我们发现一些非常独特的和令人惊讶的直观的注意力模式。下面我们发现了4种比较重要的注意力机制模式，并为每一个特定的layer/head进行分析。 模式一：注意力大部分放在3-mer上。在这个模式中，在特定位置的大部分注意力指向序列中的3-mer标记。我们可以在layer 0/head 3中看到这样的一个例子。(选中的头部由顶部颜色条中突出显示的正方形表示)，图3(a)显示了对一个选定标记mer“gatccac”的注意力模式。在本例中，几乎所有的注意力都指向序列中的下一个令牌“cct”、“aaa”、“cct”。一个词注意放在3-mer，可能是因为3-mer是密码子的，在一个序列中比较重要的序列单元的原因。 图3. 预训练模型中的注意力机制可视化 模式二：在这个模式中，序列是一段管家基因序列。注意力放在了除3-mer之外的所有标记。例如，在图3(b)中layer3，head3中，“gcgc”注意放在任何不包含“gat”、“aaa”、“cct”的k-mer。一项研究用k-mer频率作为特征来预测CpG岛，结果表明人类的CpG岛序列具有独特的k-mer模式，并不是随机序列，通过他们的分析，4-mer的表现最好 [ 19 ]。表明CpG岛具有明显的4-mer分布。正如我们所知道的，CpG岛富集于管家基因，管家基因因为要维持在所有细胞中稳定表达，而3-mer是比较常见的转录密码子，在基因组属于转录比较活跃的部分。因此，模式二可能学习到序列中隐含的调控语义。 模式三：注意力放在了语料库中tf-idf值比较高的k-mer上。我们计算了全基因组DNA序列语料库中的k-mer的tf-idf值。其中tf-idf值前100的k-mer的词云图如图4所示。根据图3(c)可知，注意力机制放在了tf-idf值比较高的mers上。模式三表明该模型能捕捉到语料库中的关键k-mer。 模式四：在这一模式中。注意放在了相同或相关的词，包括源词本身。在图3(d)的例子中，“gagtgagt”的注意力主要集中在它本身和“gtgctg”、“tgctgga”上。这种模式不像其他模式那样明显，注意力分散在许多不同的单词上，但是其注意力类似于自然语言领域把注意力放在近义词上，表明模型能够捕获相似的语义。以上4种模式描述了预训练模型中比较常见的注意模式，结果表明该模型实际上得到了一些有意义的DNA序列特性。 图4. 前一百个tf-idf值比较高的kmer的词云图 3.2. DNA序列的词向量表示 长DNA序列的普遍表示之一是将其分解为较短的k-mer成分，在许多应用中，短k-mer被认为是相关的，如k = 6 [ 2 ]，k ≤ 7 [ 20 ]，k = 8 [ 21 ]。不幸的是，将k-mer作为一个one-hot向量进行直接的编码时任何一对one-hot之间的距离都是等距的，这表示k-mer之间完全没有相关性。而且这种编码常常导致数据的空间维度很大，容易受到维数诅咒的影响。当应用最新的机器学习算法来解决生物序列分析的问题时，这尤其成问题。因此，我们提出了一种基于预训练的DNA序列表示方法。考虑到BERT用于预训练的字典不能太大，我们使用长度为3~8的k-mer。训练模型将每个k-mer嵌入一个新的n维特征空间，为不同长度的k-mer生成特征向量。具体地，预训练嵌入模型可以表示为大小为 V × N 的投影矩阵，其中V为词典大小，N为嵌入特征空间的维数，词汇表V是所有k-mer的组合和用于标记的5个特殊符号的集合。在本论文中，我们提取预训练模型的最后一层隐含层，得到一个大小为 V × 512 的嵌入矩阵。每个单词都嵌入在一个512维的空间中。我们可以使用一个名为bert-as-service的工具(https://github.com/hanxiao/bert-as-service)获取上下文单词嵌入。获得的预训练的词向量形式如图5所示。 图5. 预训练词向量表示形式
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user: 4. 结论 目前预训练技术广泛应用于自然语言处理(NLP)和计算机视觉(CV)领域。但是在生物信息领域还很少应用到。DAN序列作为生物语言，其本身和自然语言有一定的相似性。因此本论文试图从语言处理的角度分析生物语言。希望为DNA序列的解读提供新的发现或为生物问题的解决提供新的视角。在本研究中，通过自监督的预训练方法来得到DNA序列的上下文相关表示，这与之前的序列one-hot方法表示或者序列上下文无关表示极为不同。论文的主要贡献是发布了一个预训练模型，我们期望我们的模型也适用于其他序列分析任务，例如，从染色质可及性测序数据 [ 22 ] 和转录因子结合位点测序数据 [ 23 ] 中确定基因组调控元件。此外，由于RNA序列与DNA序列只相差一个碱基，而语法和语义基本保持一致，我们提出的方法预计也可能应用RNA序列数据 [ 24 ]。虽然在DNA上像自然语言样直接进行机器翻译是不可能的，但DNA序列的预训练模型提供了这种可能性的启示。作为一个基于DNA序列开发的预训练语言模型，它正确地捕捉到了DNA序列中隐藏的语法和语义。同时，本论文也凸显了结合不同层次的数据对DNA序列进行解读的必要性。综上所述，我们预计此预训练模型可以为基因序列分析带来先进的语言建模视角，为生物信息学界带来新的见解。
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user: 摘要 本文比较了太空城市的具有代表性的构型，包括刘慈欣圆杆、斯坦福圆环、伯纳尔球体、刘慈欣椭球、奥尼尔圆筒，分析了各种构型的受力特点，计算了在典型材料和尺寸下的应力大小。将太空城市的发展方针归纳为：“由近及远，由易到难，市场推动，效益为先，多方协作，共同发展”，并初步建议了从低轨到高轨，从地月系到日地系的逐步实施计划。同时开展旋转式太空太阳能发电站的工程应用，不但能够获取大量清洁能源，减少温室气体排放，而且也为地球“遮阳”，具有减缓全球气候变暖的作用。
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user: 1. 引言 到太空中生活是人类的梦想，也是人类脱离摇篮时代的标志，在陆续实现将人送到太空，能够在太空中短期驻留之后，一个更加宏伟的目标就是建立太空城市，建设人类的第二个家园 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。1926年，人类航天技术的鼻祖康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就设想在将来的某一天，人类将在地球周围的宇宙空间建立居民点。他设想在太空中的失重环境下可以用自旋产生人工重力，通过人工控制的方法使室内的温度湿度适合于植物生长。他大胆预言：“选择收获量最大的农作物，在最佳的生长条件下，空间农场的每寸地方都可能充裕地养活宇宙移民”。 空间站是太空城市的先导，太空城市与空间站的主要区别在于，太空城市作为宇宙移民点，它应该是自给自足的，首先是食物的自给自足，而目前空间站上的生活品都是从地面上运去的。苏联在“礼炮”号和“和平”号空间站上，多次进行了植物栽培的长期实验，从培植小球藻等藻类实验到各种花卉、蔬菜和粮食作物，让这些植物在太空中经历了从播种到收获的全过程。太空农业的发展将成为太空城市正常运作的基本保障，也将为农业和生物科研活动开辟新的领域。 太空城市和空间站虽有不同，但从空间站发展到太空城市也是一个顺理成章的过程。太空城市的各种构型已经被科幻作家和物理学家不止一次地描述过，在很多影视作品中展现过。那么，这些太空城市是否具有现实意义？在工程建造难度上有多大？本文尝试收集整理了具有代表性的太空城市构型方案，并主要从其受力特点上进行了初步分析，讨论了每种构型在当前技术条件下的可行性，为现今蓬勃发展的太空探索和太空经济提供参考依据。
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user: 2. 空间站发展 空间站是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员在其中生活工作和巡访的载人航天器，人类目前共出现了四代空间站 [ 4 ] [ 5 ]。第一代为实验飞行器性质，仅有一个对接口，意味着一次仅能对接一艘飞船，我国的天宫一号和二号也是类似功能。第二代为长期驻留空间站，此时已经带有两个对接口，可一次对接两艘飞船。此两代空间站都是单模块或称单一式空间站，具有硬件少、技术简单、不需要航天员出舱等优点，其缺点是不能扩展，因而容积小，效率低，也很难长期载人，它包括苏联的“礼炮”1~7号和美国的“天空实验室”。第三代空间站采用积木式的多模块组合构型，由多个舱段在轨道上对接而成，俄罗斯的“和平”号空间站即是此类构型。第四代空间站采用桁架挂舱式构型，即以长达数十米或数百米的组装式或展开式桁架为基本结构，将多个舱段和设备装在桁架上。 苏联于1971年4月19日发射升空的“礼炮1号”空间实验室，是世界首个空间站，自此之后又接连发射升空了6座“礼炮”系列空间站。1986年2月20日，苏联将“和平号”太空站送入近地轨道，组装后总质量达到129.7吨，成为人类最早建立的比较成功的空间站，后因部件老化且缺乏维修经费，最终于2001年3月23日坠入地球大气层。 现今运行的国际空间站为第四代空间站，总质量达到419吨，迄今已成功运行20余年 [ 6 ]。1998年11月20日，国际空间站第一个组件——“曙光”号功能货物舱发射升空。1998年12月4日，美国“奋进”号航天飞机携带美国为国际空间站建造的第一个组件——“团结”号节点舱升空，经过两天追赶，成功捕捉到“曙光”号功能货物舱并进行对接，标志着国际空间站开始建造。2000年7月26日，俄罗斯的“星辰”号服务舱与国际空间站联合体对接，成为宇航员生活和工作的主要场所。2000年10月31日，美俄3名宇航员成为国际空间站的首批长期住户。2004年1月美国居住舱在轨装配完毕后，国际空间站建成。 中国的空间站计划虽然启动较晚，但始终在稳步推进，并于2011年9月29日发射了我国第一个空间站“天宫一号”。即将建造的“天宫”空间站相当于第三代水平，总质量在100吨级，以三舱作为基本构型，预计在2022年完成，寿命十年，亦可通过维护延期 [ 7 ]。中国空间站总体构型和建造模式区别于“和平号”空间站和国际空间站，具有显著的中国特色和较为经济的建造方式，利用舱段交会对接和平面转位方式完成积木加局部桁架混合构型大型空间站的组装建造，在货运飞船、航天员和机械臂支持下，可完成类似国际空间站的复杂舱外建造和操作活动。
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user: 3. 刘慈欣圆杆 图1. 刘慈欣圆杆空间站 在前四代空间站中生活的宇航员处于无重力状态，而长期的太空飞行会削弱骨骼和肌肉，打乱钙代谢和正常的免疫系统。可以通过旋转产生的离心力来模拟重力，实验表明，当旋转半径小于100 m，转速高于3 rpm的情况下，人类会患运动病，而当旋转半径大于500 m，转速低于1 rpm的情况下，几乎所有人都能舒适生活。因此，提供较舒适模拟重力的空间站，可称之为第五代空间站，需要在结构尺寸上大大超过前四代空间站。 空间站进一步发展就是太空城市，太空城市比空间站更大型，人员驻留时间更长，生活条件更优，通常也被设计为可旋转的。太空城市的各种方案已被科幻小说家和工程师从多种角度提出，美国国家航空航天局(NASA)已重点考察的设计方案有伯纳尔球体、斯坦福圆环、奥尼尔圆筒等。 刘慈欣在其科幻小说《三体Ⅲ》中描述了一种简单的离心力构造结构 [ 8 ]：“比如一座叫资源一号的太空城，长度达到一百二十千米，直径却只有三千米，是一根细长的杆子，它并不是绕自己的长轴旋转，而是以中点为轴心翻着筋斗。这座太空城内部是分层的，不同层域的重力差异极大，只有少数几层适合居住，其余部分都是适合不同重力的工业区”。从模拟重力的效果看，不必要如书中描述的那样规模巨大，只需要细长的圆杆绕中点旋转就可以很方便地产生离心力，在圆杆末端挂载居住舱，就可以形成第五代空间站，成为太空城市的实验构型。 如图1所示，分析每根圆杆，设转动角速度为 ω ，圆杆截面积为S，密度为 ρ ，则微元质量为 ρ ⋅ S d r ，产生离心力大小为 ρ ⋅ S d r ⋅ ω 2 r ，圆杆一端旋转半径从0到r积分，得到总的离心力为 F = ∫ 0 r ρ ⋅ S d r ⋅ ω 2 r = ρ S ω 2 ∫ 0 r r d r = 1 2 ρ S ω 2 r 2 (1) 于是轴心处的应力为 σ 0 = F / S = 1 2 ρ ω 2 r 2 (2) 可以看到，圆杆中因旋转产生的应力大小与杆的截面积无关，与材料的密度成正比，与旋转半径的平方成正比，与旋转圆频率的平方成正比。选择合适的旋转速度，可以使圆杆末端的加速度为重力加速度 g = ω 2 r = 9.8   m / s 2 ，若最大旋转半径假设为1000 m，则 ω = 9.8 / 1000 = 0.099 < 0.105 = 2 π / 60 = 1   rpm ，即低于1转/分，处于人体较舒适的范围。圆杆材料选取密度较小的铝材 ρ = 2.7 × 10 3 kg / m 3 ，带入数值，计算得到圆杆旋转中心处最大应力为 σ 0 = 1 2 ρ ω 2 r 2 = 1 2 × 2.7 × 10 3 × 9.8 × 1000 = 13.23 × 10 6   Pa = 13.23   MPa 假定在圆杆末端挂载的居住舱的质量为20 t，产生的离心力为 m ω 2 r = m g = 1.96 × 10 5     N ，圆杆直径取12 cm，则产生的附加应力为 σ e = 1.96 × 10 5 3.14 × 0.12 2 / 4 Pa = 17.34   MPa 总的应力为 σ = σ 0 + σ e = 30.57   MPa ，可以看到，铝材很容易满足强度要求。需要的铝材质量为 m = 2.7 × 10 3 × 3.14 × 0.12 2 / 4 × 1000   kg = 30.52 × 10 3     kg = 30.52   t 。挂载居住舱后，并考虑到对称布置，总的单组质量为 2 × ( 30.52 + 20 ) = 101.04   t 。即使增加太阳能电池板等其它设备，包含两个具有模拟重力居住舱的第五代空间站总质量并不大，可以在现有火箭发射能力下进行多次发射并组装完成。 圆杆组装时可通过螺纹旋接或焊接的方法，圆杆可在保持截面积相等的条件下尽量采用中空管道，以便于线缆通过。组装完毕后，在圆杆末端对称发动小型推进器，使整个结构旋转起来，速度足够就能模拟出所需重力。刘慈欣圆杆空间站还可以方便地扩大规模 [ 8 ]：“两个或几个杆状太空城可以自中部铰结在一起，形成十字形或星形的组合体”。如图1所示的空间站编组具有3组共6个舱室，入住航天员的数量很容易达到6人以上。 旋转离心力产生的模拟重力也可用于建造太空太阳能发电站，这时可以考虑采用较低的旋转速度，便于在较低的结构承载下达到更大的规模。受力的圆杆可以采用更高强的材料，比如碳纤维，这样使得旋转半径很容易达到10 km以上。在承力结构构成的旋转截面上布置太阳能电池板，利用离心力产生的张力保持结构形状，这样避免了为保持电池板展开状态所需的大量附属结构，以最少的构件达到同样的功用。从结构的尺寸来看，不管承力的圆杆采用何种材料，最后都可当作柔性的绳索，而电池板附着于上，构成一张紧密编织的网状电池板阵列，远看犹如一张圆圆的荷叶，在太空中漂浮并缓缓旋转。 假定这种旋转式的太空太阳能电站的旋转半径为1000 m，电池板的发电效率为25%，太阳常数采用1367 w/m 2 ，可得最大发电功率 P = 3.14 × 1000 2 × 1367 × 0.25   W = 1.07 × 10 9     W ，即得到百万千瓦级的太空太阳能电站。如果旋转半径为10 km，则发电站功率将达上亿千瓦，发电规模十分可观。这种太阳能电站的优点是需要的支撑结构十分简单，制造成本不高，主要的费用是火箭发射费用。如果发电组件采用太阳能薄膜电池，虽然发电效率差一些，但整体质量大大减小，发射费用将大幅下降，而整体结构如同旋转的手帕一样，仍然能够很好保持展开状态。如果将薄膜电池用反光薄膜替代，则可以将大量阳光简单反射回宇宙空间，达到为地球打伞“遮阳”的目的。
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user: 4. 斯坦福圆环 图2. 斯坦福圆环太空城。(a) 整体构造；(b) 内部景观 将刘慈欣圆杆顶端的居住舱全部连接起来就自然形成了斯坦福圆环，这种构型主要得名于最早开展太空城市设计方案研究的斯坦福大学。刘慈欣书中也描写到 [ 8 ]：“从太平洋一号出来后，曹彬还带程心看了几座特异构型的太空城，其中距太平洋一号较近的是一座轮辐状城市，就是程心六十多年前曾经到过的地球太空电梯终端站的放大版。程心对太空城未全部建造成轮辐状一直不太理解，因为从工程学角度来看，轮辐状是天空城最理想的构型，建造它的技术难度要远低于整体外壳构型的太空城，建成后具有更高的强度和抗灾能力，而且便于扩建”。如图2所示为斯坦福圆环的整体构造和内部景观，是兼具良好受力条件和宽敞活动空间的太空城市构型。 连接斯坦福圆环辐心的拉杆或其它结构(如五角星形、六边形等)若主要作连接之用，可以不考虑受力，而主要的受力构件为圆环本身。设圆环的截面积为S，则离心力为 d F = ρ ⋅ S r d φ ⋅ ω 2 r = ρ S ω 2 r ⋅ r d φ (3) 从离心力的方向看，与均匀内压力的方向一致，等效的内压力为 p 0 = ρ S ω 2 r ，从半个圆环处截断，考虑力的平衡，有 2 S ⋅ σ 0 = p 0 ⋅ 2 r 于是 σ 0 = p 0 r / S = ρ ω 2 r 2 (4) 假设旋转半径为1000 m， ω 2 r = 9.8   m / s 2 ，材料为铝材 ρ = 2.7 × 10 3 kg / m 3 ，带入数值有 σ 0 = ρ ω 2 r 2 = 2.7 × 10 3 × 9.8 × 1000 = 26.46 × 10 6     Pa = 26.46   MPa 若圆环内有效载荷线质量密度为 ，则等效内压力为 p e = m ¯ ω 2 r ，产生的附加应力为 σ e = p e r / S = m ¯ ω 2 r 2 / S (5) 可以看到，圆环的有效截面积越大，能承载的有效载荷也越大。假设线质量密度 m ¯ = 2 × 10 3 kg / m ，有效截面积S = 1 m 2 ，则 σ e = 2 × 10 3 × 9.8 × 1000 / 1 = 19.6 × 10 6     Pa = 19.6   MPa ，总的应力为 σ = σ 0 + σ e = 46.06   MPa ，在可接受的范围内。若圆环截面直径为5 m，则壁厚为 1 / 5 π = 0.064   m = 64   mm 。有效载荷达到 2 π r m ¯ = 2 × 3.14 × 1000 × 2 × 10 3     kg = 1.256 × 10 4     t ，可见承载量十分可观。斯坦福圆环在工程上的难度主要是太空中大型管道的可靠焊接，使之达到所需强度。在保持截面有效面积相同的情况下，截面可取其它形状，比如椭圆等，以便于内部空间的有效使用。 继续增加斯坦福圆环的有效截面面积，有效承载力将增大，如截面有效面积取为S = 100 m 2 ，在保持应力相同的情况下，有效荷载线质量密度为 m ¯ = 200 × 10 3 kg / m ，总承载质量超过百万吨。此时由于空间增大，必须考虑内部气压所产生的附加应力。若截面处圆的直径D = 160 m，则壁厚为 100 / 160 π = 0.199   m 。此时1个大气压0.1 MPa产生的纵向附加应力为 σ p m = p ⋅ π D 2 / 4 / S = 0.1 × 3.14 × 160 2 / 4 / 100   MPa = 20.1   MPa ，此时纵向总应力为 σ = σ 0 + σ e + σ p m = 66.16   MPa ，仍然不大。同时由于气压作用存在与纵向应力垂直的环向附加应力为 σ p θ = p ⋅ D / 2 / t = 0.1 × 160 / 2 / 0.199   MPa = 40.2   MPa 如果需要更大的空间，可以考虑将整个旋转空间都用材料包裹起来，这就形成了伯纳尔球体。
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user: 5. 伯纳尔球体 图3. 伯纳尔球体太空城 伯纳尔球体由物理学家伯纳尔在1929年首次提出，在刘慈欣所著书中也描写到 [ 8 ]：“他们首先去的是距亚洲一号最近的北美一号，那是一座纯球体形状的太空城。这种设计的最大优势在于，只需在球心有一个人造太阳即可使所有地区得到相同的光照。但球体构型的缺陷也很明显，主要是不同纬度地区的重力差异较大，赤道地区重力最大，随着纬度升高重力减小，两极地区处于失重状态。这样，在不同地区居住的人必须适应不同重力下的生活”。 如图3所示，伯纳尔球体在赤道处旋转半径最大，离心力也最大，若各纬度的应力自相平衡，可直接根据旋转半径得到离心力产生的应力： σ 0 = ρ ω 2 ( r cos φ ) 2 = ρ ω 2 r 2 cos 2 φ (6) 最小处在两极为0，在 φ = 30 ∘ 时为 0.75 ρ ω 2 r 2 。最大处在赤道为 ρ ω 2 r 2 ，带入数值有 σ 0 = 2.7 × 10 3 × 9.8 × 1000 = 26.46   MPa 球内气压假设为均匀的，切出半个圆球，根据力的平衡条件，有 2 π r ⋅ t ⋅ σ p = π r 2 ⋅ p σ p = r 2 t p (7) 假设球壁厚为1 m，球半径为1000 m，代入有 σ p = 1000 / 2 / 1 × 0.1 = 50   MPa 。可以看到，此时气压产生的附加应力已超过离心力产生的应力。再考虑有效载荷的离心力产生的附加应力，若球体内有效载荷线密度为 m ¯ ，赤道处产生的附加应力最大，等效内压力为 p e = m ¯ ω 2 r ，应力为 σ e = p e r / t = m ¯ ω 2 r 2 / t (8) 假定 m ¯ = 2 × 10 3 kg / m ，有 σ e = 2 × 10 3 × 9.8 × 1000 / 1 = 19.6 × 10 6   Pa = 19.6   MPa ，总的应力 σ = σ 0 + σ e + σ p = 26.46 + 19.6 + 50 = 96.06   MPa ，仍控制在100 MPa以内。 由于球体沿赤道向两极旋转半径变小，离心力减小，同时方向与地面并不垂直，相当于有一定斜坡，如果斜坡超过某个数值就不适宜布置居住区，则可估计实际利用面积的大小。如图3所示，对某个纬度，此时旋转半径为 r cos φ ，沿圆周的长度为 2 π r cos φ ，对应的倾斜长度为 r d φ ，于是扫过的面积为 2 π r cos φ ⋅ r d φ ，从赤道开始，积分到某个纬度有 S = ∫ 0 φ 2 π r cos φ ⋅ r d φ = 2 π r 2 ∫ 0 φ cos φ d φ = 2 π r 2 sin φ (9) 当 φ = 90 ∘ 时，就是上半球面面积 2 π r 2 ，整个球体的面积为 4 π r 2 。如果只居住到纬度30˚，则利用面积为 2 ⋅ 2 π r 2 sin 30 ∘ = 2 π r 2 ，恰好为整个球面的一半，带入数值为 2 × 3.14 × 1000 2     m 2 = 6.28   km 2 ，按人口密度8000人/km 2 计算，可居住约5万人。
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user: 7. 奥尼尔圆筒 美国科学家奥尼尔在他的《高边疆：人类的太空城》(《The High Frontier: Human Colonies in Space》)一书中，提出了一个名为“三号岛”的太空城，并设想未来人们可在这种太空城中居住生活。在刘慈欣所著书中也描述到 [ 8 ]：“亚洲一号是掩体工程最早建设的太空城之一，呈规则的圆筒形，旋转产生的离心力模拟重力”，“这是太空城的最北端，是一个直径八千米的大圆盘，在地面看不出圆形来，只能看到大地从两侧升起。圆盘顶端的高度与珠峰差不多，连接着太空城的另一面。有许多辐条从环绕圆盘的地面汇聚到四千米高的圆心，每根辐条都是一条电梯轨道，圆心就是太空城的出入口”。 图5. 奥尼尔圆筒太空城 奥尼尔圆筒构型太空城以圆筒中轴为旋转轴，通过旋转产生重力。圆筒的内壁正好是城市的地面，因此生活在太空城的人，站在此地面上，跟站在地球的地面上的感觉是大同小异的。只是在太空城里，头顶都正好对着圆筒的中轴线，因此有一个特别景致——人可以透过天空中的浮云，能隐隐约约看到头顶上的“地面”，那里的山峰、树木、房屋和行人都是头朝下倒立着的 [ 1 ]。 整个太空城是一个巨大的密闭生态循环系统，可以解决空气和水的循环供应问题。辐射防护则可由居室的金属结构外壳解决。科学家设想将圆筒壁分成六大区域：三个居住区和三个天窗区，使大圆筒内有充足的阳光。太空城有大型超市、医院、图书馆、电影院、音乐厅、体育馆等，还有设备完善的科学站和天文台。自动化农场提供新鲜的蔬菜、水果、鸡、鸭、鱼、肉、蛋和奶，农产品自给自足完全没有问题。太空城还拥有工厂，可将月球和小行星上运来的矿石进行冶炼和加工，即可生产钢材、水泥、火箭燃料和化工产品等。圆筒的中轴部分没有离心力，这里的工厂正好可以利用失重的特殊条件生产出在地球上无法生产的东西，比如提炼非常纯净的大块晶体，制造轻得能浮在水面的泡沫钢等等。 如图5所示，奥尼尔圆筒两端封闭部分可用半球封闭，受力分析类似于伯纳尔球体。圆筒其余部分的受力分析较为简单，此时内部气压、自身的离心力、有效荷载的离心力都产生相同的效果。截取单位长度圆筒，再从中部剖开，考虑半个圆筒的受力平衡条件，有 2 t ⋅ σ = 2 r ⋅ ( p 0 + ρ t ω 2 r + m ¯ ω 2 r ) 于是 σ = r t p 0 + ρ ω 2 r 2 + r t m ¯ ω 2 r (20) 假设圆筒半径为1000 m，圆筒壁厚1 m，代入得到内部气压导致的应力 σ p = 0.1 × 1000 / 1 = 100.0   MPa 。材料取为铝材 ρ = 2.7 × 10 3 kg / m 3 ，自身离心力产生的应力为 σ 0 = 2.7 × 10 3 × 9.8 × 1000   Pa = 26.46 × 10 6     Pa = 26.46   MPa 。假定有效荷载密度为 m ¯ = 2 × 10 3 kg / m ，有效荷载离心力产生的应力为 σ e = 2 × 10 3 × 9.8 × 1000 / 1   Pa = 19.6 × 10 6     Pa = 19.6   MPa 。总的应力 σ = σ 0 + σ e + σ p = 26.46 + 19.6 + 100.0 = 146.06   MPa ，应力较大，其中气压导致的应力占很大比例。如同地球上大气压力随高程增加会逐渐减小，太空城内空气也有相同效应，考虑此效应后总的应力会有所减小。如果外壳采用铝材安全性不够，也可采用铝锂合金等更好的材料，还可用碳纤维进行加强，使整体结构满足要求。 奥尼尔圆筒太空城市的居住区是平坦的，在长度上可以延伸很长，比如有10 km，则可利用的居住面积为 S = 2 π r l = 2 × 3.14 × 1000 × 10000   m 2 = 62.8   km 2 ，按人口密度8000人/km 2 计算，可居住 62.8 × 8000 = 502400 人，即约50万人。
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user: 8. 太空城市建造 从以上对各种太空城市构型的初步计算分析可以看出，随着空间站发展到第五代，将具备模拟重力的功能，能够提供人体长期健康生活的基本条件。刘慈欣圆杆构型通过在旋转圆杆的末端挂载居住舱，可达到第五代空间站的要求，是空间站和太空城市之间的过渡形式。旋转圆杆构型的空间站总质量不大，还可通过多个圆杆组合扩大规模，因此较易实现。斯坦福圆环是一种居住空间较大的太空城市构型，在工程材料受力上也容易满足要求，但建造所需的材料多于刘慈欣圆杆，在运载火箭发射费用大量下降的情况下可逐步实施，以满足太空旅游的需要。伯纳尔球体太空城市则有更广阔的空间，可在内部形成完整的生态系统，但这对大型封闭金属外壳的太空建造提出了挑战，同时由于离心力的斜坡影响，使得适宜居住的区域利用率不高，这时可以考虑采用刘慈欣椭球构型，能较为完美地解决这一问题。奥尼尔圆筒构型太空城市的居住区域完全平坦，宜居区域的利用率最大，但在结构受力条件上比不上其它构型，需要更高强度的材料才能满足要求。综合来看，太空城市宜由小到大逐步发展，其中斯坦福圆环在工程难度和生活质量上处于适中程度，但如果期望更舒适的太空生活，还需考虑空间更大的太空城市构型。 太空城市本身封闭的生态系统和积极的生态循环可以明显降低对地球的依赖性，以便尽量维持自给自足的状态。运作太空城市需要解决的核心技术除了人工重力技术外，还必须建立可靠的生命支持系统，发展太空农业，此外，太空城市处在真空之中，既要处理好来自太阳的热量，也要处理好城市内部所产生的热量，即需要热量平衡系统。它还需要有足够的保护层，以防止太空陨石及尘埃等意外袭击，即防灾修复系统。种种问题的存在都需要逐一克服，才能较为安全有效地实际运作太空城市。 图6. 太空城组合构型 太空城市的各个构型还可组合在一起，增大居住规模，提高安全性和可靠性。如刘慈欣书中描述 [ 8 ]：“每座太空城都带有一个或多个标准接口，可以相互对接组合，组合后的城市居民的流动空间成倍扩大，有着更好的世界感，对社会经济的发展具有重大意义。连通后的大气和生态系统成为一个整体，运行状态更为稳定。目前的城市对接方式一般为同轴对接，这样对接后可以同轴旋转，保持对接前的重力环境不变”。如图6所示为椭球体和圆环体的组合，其中椭球体可用作主要的生活区，空间开阔，生活质量高，而圆环体用作太空港口和工作区，也可在生活区出现危险时作为临时避难所。 太空城市建造时，首先要解决的是选址问题，拉格朗日计算发现，在太空中有一些特殊的点，在该点处物体受到各个天体的引力处于相互平衡状态，因此不会轻易离开自己的位置，具有永久性。太空城市应该优先选择建在太空中的这些特殊点上，这样无需进行轨道维持或只需很少的维持能量 [ 9 ] [ 10 ]。如图7所示，太阳和地球之间的拉格朗日L1点(距地球约150万千米)，地月系统的L1、L4、L5点等都是较为理想的地点，其中L4和L5点稳定性最好，基本不用考虑轨道维持的问题。 图7. 拉格朗日点示意图 由于日地和地月系统中特殊的拉格朗日点并不多，而且距离地球较远，为建造和运行方便考虑，初期的太空城市还是需要尽量靠近地球。但近地轨道上运行的飞行器，即便大气非常稀薄也会使它慢慢减速而坠落，因此需要经常启动推进器加速来维持轨道 [ 11 ]。为降低发射质量，减少燃料消耗，较为理想的加速方法是采用霍尔推进器等电推装置，另外还可考虑基于太阳光压的轨道维持方案，即对太空城市的旋转状态进行调整，使之除绕自身主轴旋转外，相对于太阳也可进行缓慢旋转，从而面向太阳逆光运动时，减少光照垂直截面，光压减少，而背向太阳顺光运动时，增大光照垂直截面，光压增大，两相抵消后可获取一定的加速动能。此方案的优点是减少燃料消耗，即使加速效果微弱，但在大气特别稀薄的高轨道还是有一定作用，缺点是不能充分利用太阳能电池板的发电能力，可考虑在发电能力充裕的情况下优先采用。 远离地球的大型太空城市所需材料如果都从地球运送代价较大，从月球上取材更加合算。科学家发现月球岩石中含有丰富的铝、铁、钛、硅、氧等元素，修建太空城市的建筑材料大部分可以从月球找到。月球的引力只有地球的六分之一，在月球上发射火箭比从地球上发射能够增加百倍以上的有效载荷，效费比很高。因此如果先开发月球，利用月球上的资源冶炼、加工成铝材、玻璃等各种建筑材料构件，然后将构件用电磁发射装置抛射到太空城市所在轨道上，经过太空建造作业逐渐装配形成完整构型，最后通过小型推进器使太空城旋转起来产生离心力，并在内部空间填充可供人类呼吸的混合气体，就可使太空城市满足基本的入住条件。 由于太空技术的提高和成熟需要较长的时间，不能急于求成，在发展过程中还需要十分重视经济性，使产生的效益能够覆盖技术开发费用，这样步伐虽慢但更为坚实。探索和利用外层空间的外空活动本身即具有鲜明的跨越国界的国际性，中国应当在“人类命运共同体”视角下的外层空间国际合作理念的指引下，除了在空间站建设领域的国际合作中积极作为，在太空城市建设中也必须通过开展国际合作方才能够充分地实现自身和彼此之间基于对外层空间的探索和利用所应取得的利益 [ 12 ]。综合考虑，可将人类建造太空城市的较为可行的发展方针归纳为：“由近及远，由易到难，市场推动，效益为先，多方协作，共同发展”。考虑技术难度，尝试将太空城市的建造过程分为以下步骤： 1) 在低轨道建设第五代空间站，测试模拟重力的实际效果并不断完善，探索空间站旋转启停技术和与之配套的停靠补给技术，积累人类在其中较长期生活的健康保持技术。 2) 在中轨道建设小型斯坦福圆环太空城市，完善太空焊接组装施工技术，开发太空旅游观光等商业价值。可在中高轨道建造多个旋转展开的中小型太阳能薄膜发电站，并将清洁能源输送回地球。 3) 在高轨道建设大型斯坦福圆环太空城市，探索基于太阳光压的轨道维持技术，拓展人类生存空间，并将之作为火箭燃料补给的停靠点，打造为深空探测前哨，不断发展太空农业和太空医疗等功能。 4) 建设月球生产和生活基地，开发月球各类资源，冶炼生产构筑太空城市的建筑材料，建立高效电磁推进装置以节省运送费用，不断积累人类长期驻留地外空间的各项技术。 5) 利用月球基地，在地月拉格朗日L4、L5点建设大型太空城市，可作为重要的天文观测基地和太空生产基地。采用积极的生态循环方法，不断完善太空城市封闭的生态系统维持技术。 6) 在日地拉格朗日L1点建设可容纳上百万人口的太空城市群，可作为探测金星的优良基地。建造巨型太阳能薄膜发电站，可在获取清洁能源的同时为地球打伞“遮阳”，以减缓地球气候变暖。
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user: 9. 结语 建设太空城市具有两个明显的价值，一是发展太空技术，二是拓展人类空间。在建造太空城市的同时，开展太空太阳能发电站的工程应用，可获取大量清洁能源，为太空城市供能，多余的电能也可转换为微波形式发送回地球，以替代大量燃烧化石能源的火电厂，减少二氧化碳和污染气体排放，为减缓地球气候变暖发挥作用。利用此种方法还可以尝试改变金星气候，即围绕金星布置众多太阳能薄膜电池或反光板，施行另类“戴森球”计划，阻挡太阳辐射，为金星降温，希有朝一日将金星改造为宜居星球。 外层空间于世界各国均具有显著的经济价值和战略意义，关系到全人类的共同命运。从空间站发展到太空城市，将不断提高人类在太空生活的长久性、舒适性，并逐渐做到自给自足的状态。从模拟重力的第五代空间站，到工程难度适中的斯坦福圆环，再到生活空间更加广阔的伯纳尔球体、刘慈欣椭球、奥尼尔圆筒，这些太空城市构型在现今技术条件下并没有不可逾越的困难，可逐步加以实施。同时随着太空城市工程建设规模的扩大，更加迫切需要廉价高效的太空运输手段来提高建造计划的可行性和经济性。可以预见，随着太空城市的逐步建设，太空技术必将飞速发展，人类也必将走出地球“摇篮”，实现在太空中惬意生活的梦想，并不断向更广阔的宇宙空间迈进。