背景提升之加州理工科研项目

Category: STEM国际竞赛 Date: 2020年3月25日下午6:49

加州理工学院，简称“加州理工”，是世界顶尖私立研究型大学、公认的最为典型的精英学府之一。加州理工在全球科技界久负盛名，其优势学科包括基础理科中的物理学、化学、天文学和空间科学等，还协助美国航空航天局（NASA）负责管理著名的喷气推进实验室。今天小编要为大家介绍两个加州理工的科研项目。

加州理工学院探究项目：用于相位调制的金属-介质混合超构表面

课题简介

超构材料（Metamaterial）指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。超构材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程，凝聚态物理，微波，光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等。超构材料拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。

超构材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。超构材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，到雷达反射罩甚至是地震预警。

该项目中，我们将学习超构表面的工作原理，运用布洛赫原理将模型简化并计算一种用于相位调制的金属-介质混合超构表面，深入理解幅度和相位调制等电磁特性。

科研方法

计算机仿真模拟

计算机仿真模拟是一种运用计算机软件建立抽象模型、模拟真实条件并进行分析的技术。与传统的实验相比，计算机模拟技术通过数学建模，解放了普通实验对于器材的苛刻要求，具有可多次进行、反复试错的优点。同时，由于计算机模拟技术黑箱化了复杂的理论推导与数据计算，能够以直观的方式呈现研究的成果，对于初次涉猎科学研究的高中生而言，也更为简单易学、容易上手。

例如：在设计外太空的卫星轨道时，受制于客观条件，科研工作者无法在地球上重现外太空的环境，因此，只能借助计算机强大的运算能力，对外太空的情况和卫星的轨道进行模拟、反复实验，并基于模拟实验的结果，完成科学的轨道设计。

授课导师

加州理工学院博士

多次以第一作者身份在optics express等重要期刊上发表学术论文

研究方向：电子工程、光学

课题要求

本课题适合： 9-12 年级学生，有较强的逻辑思维和抽象思维能力

英文：

具备基本的学术英语阅读能力；

接触过英文写作，有论文写作经验者更佳；

数学：

统计基础；

微积分和线性代数基础；

计算机：

Python 基础（基础数据结构、条件、循环、方法）；

Numpy, Pandas, Seaborn, Scikit-Learn （了解这些工具的用途、如何利用技术文档即可，具体使用可以在课程中逐渐掌握）

加州理工学院科研课题：大型礼堂中的声学效应

课题简介

建筑声学主要研究如何在室内获得良好的声学效果（音质）,如何在建筑环境中避免噪音的干扰和危害（环境噪声控制）以及如何提高声学效果、控制噪声过程中所需要考虑的各种建筑材料、构造、空间特性。中国建成著名的北京天坛皇穹宇，正殿和配殿都被一堵圆形回音壁环绕，墙高3.72米，直径61.5米，周长193.2米。可使微弱的声音沿壁传播一二百米。站立于皇穹宇第一块石板上击掌，可听到回音一声；于第二块石板上击掌，可听到回音两声；于第三块石板上击掌，可听到回音三声。

建筑声学是研究建筑环境中声音的传播，声音的评价和控制的学科，是建筑物理的组成部分。建筑声学作为建筑技术学科的一个分支，一方面要研究在室内如何保证一个很好的声响效果，另一方面要求降低和控制噪音，在当下越来越收到人们的重视。

本课题将通过计算机模拟来研究大型礼堂中的声学效应，将声学的研究置入到一个实体建筑中，用激励响应和快速傅里叶变化的方法评价礼堂结构对声场的影响。

科研方法

AI+X数据驱动型科研

AI＋X数据驱动型科研是指使用人工智能（AI）算法，收集、处理、分析具体学科（X）的海量数据，并基于此进行预测，从而获得科学发现的研究方法。与传统的、基于实验或逻辑推理的研究方式相比，AI＋X数据驱动型科研可以借助AI算法强大的运算能力，高效地进行大数据分析，具有投入产出比高、适用范围广的优点。

AI＋X数据驱动型科研已被广泛地应用于各个领域，利用AI算法研究基因数据，从而进行早期的癌症筛查便是其中一例。基因组与癌症病患的数据千千万万，使用传统的科研方式对其进行分析，工程量大、过程繁琐，在客观上难以实现。但借助AI算法这一便捷的工具，生命科学家便能够以海量的患者的遗传信息为基础，建立数据库，与过往的研究成果进行对照，快速、准确地在两者中发现规律、建立联系，从而使癌症诊断的“标准化”成为可能。