感测数据，再将数据传输至信宿是无线传感网络(WSNs)中节点的首要任务。传感节点由电池供电，它们的多数能量用于传输数据，越靠近信宿的节点，传输的数据量越大。因此，这些节点的能耗速度快，容易形成能量-空洞问题。而通过移动信宿收集数据能够缓解能量-空洞问题。为此，提出基于粒子群优化的信宿移动路径规划(PSO-RPS)算法。PSO-RPS算法结合数据传递时延和信息速率两项信息选择驻留点，并利用粒子群优化算法选择最优的驻留点，进而构建时延有效的信宿收集数据的路径。仿真结果表明，提出的PSO-RPS算法有效地控制路径长度，缩短了收集数据的时延。

自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1~100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。

针对无线传感器网络节点资源受限及通信链路易出错的问题，给出一种安全高效的无线传感器网络远程身份验证协议。该协议采用集中式基于簇的分层无线传感器网络选出最优百分比的簇头，并对其与相邻节点的通信进行授权，再最小化节点能耗实现网络负载平衡，然后每个簇头作为服务器在每个传递消息的有效负载内保证数据认证与交换，对相邻节点进行身份验证后即可构成簇。由仿真分析结果可知：该协议的安全性、抗攻击鲁棒性、握手持续时间、平均能耗和网络平均吞吐量指标都优于已有改进的低功耗自适应集簇分层协议 (imp-LEACH)与安全 LEACH协议(sec-LEACH)。

本文针对超疏水表面的防除冰性能,采用超快激光结合化学氧化的复合制备方法,开发了一类新的三级微纳超疏水表面结构,这类结构由微米锥阵列支撑结构以及在其上密集生长的金属氧化物纳米草结构和弥散分布的微米或亚微米花结构组合而成。经过表面改性后,这类三级微纳结构具有优异的超疏水性,其接触角可超过160°,滚动角在1°以内。对这类三级微纳超疏水表面的防结冰性能进行研究后发现,在冷凝和低温环境下,该类超疏水表面存在合并诱导自跳跃以及分级冷凝的现象,分级冷凝不仅可使表面上的一级冷凝液滴在高湿度环境下依然保持Cassie状态,还能使液滴在结冰前脱离表面,因此具有较好的防结冰性能;此外,由于表面三级微纳粗糙结构中捕获的空气囊具有较好的隔热作用,因此该超疏水表面具有良好的延迟结冰性能,其延迟异质形核的时间达到了52 min 39 s。最后,本文对三级微纳超疏水表面的疏冰性能进行了研究,结果表明:三级微纳超疏水表面的冰粘附强度仅为6 kPa,约为未经处理的铝合金表面的1/40;经过10次推冰测试后,该超疏水表面的冰粘附强度依然不超过20 kPa,说明该表面具有良好的机械耐久性,应用潜力巨大。

减阻对于船舶运输有重要意义。采用超快激光在6061铝合金表面制备多种形状的微纳沟槽结构,研究了飞秒激光制备微纳结构工艺以及微U形沟槽结构表面的减阻性和耐蚀性。研究结果表明:调控超快激光加工参数与扫描路径可以快速制备出各种形状的微沟槽结构,其表面布满烧蚀产生的纳米颗粒,呈超亲水表面;与未经处理的表面相比,周期宽度分别为28 μm和50 μm、深度分别为20 μm和25 μm的两种微U形沟槽结构表面在水槽移动对比实验中的运动时间分别缩短了4.3%和11.6%,表明其水面阻力明显降低;将两种微U形结构表面进行低自由能修饰后形成超疏水表面,将这两种表面在3.5%NaCl溶液中进行耐蚀性测试,其表面腐蚀速率较超疏水处理前分别降低了87%和73%。超快激光制备的微纳结构具有较好的减阻性和耐蚀性,应用前景良好。

基于接收信号强度指示 (RSSI)的移动目标定位和跟踪常采用三边或角度测量定位技术。尽管该技术简单，易实施，但由于 RSSI值与距离间的非线性关系，它们容易导致较大的定位误差。通用回归神经网络 (GRNN) 能够快速训练稀疏数据集。提出基于 GRNN的移动目标跟踪 (GMTT)算法，该算法依据 GRNN处理 RSSI与目标位置间的非线性关系，利用卡尔曼滤波 (KF)修正目标位置。仿真实验结果表明，相比于 RSSI+KF，GMTT算法可以有 效地降低目标定位的根均方误差。

基于电磁感应透明原理理论研究了金刚石锡空位色心系统的光学双稳特性。研究表明,通过改变系统的参数,即探测场失谐量、耦合场失谐量和强度、合作参数等,可以显著改变系统的量子相干特性,从而可以有效调控该固态系统的光学双稳的阈值。另外,适当地调节耦合激光场的强度,可以实现光学双稳态和多稳态的相互转化。

具有特殊浸润性的仿生表面包括超亲水表面以及各种类型的超疏水表面，这些表面具有自清洁、抗结冰、减阻等性能，近年来受到国际学术界的广泛关注。随着超快激光的快速发展，各种类型的特殊浸润性表面可通过超快激光制备得到。与其他方法相比，超快激光表面处理技术具有简单、灵活、可控的特点。结合本课题组在该领域的研究工作，综述了这一研究领域的研究成果。

材料表面抗反射特性在太阳能利用、传感、隐身、航天、**等领域均具有重要应用价值。基于超快皮秒激光与材料的相互作用，在Cu、Al、Ti、H13钢4种金属材料表面制备出独特的微纳米复合结构，实现从紫外-远红外超宽谱带的高抗反射特性。在Al、Ti、H13钢表面制备出的微纳复合结构使该三种金属在紫外-可见-近红外波段的全反射率分别下降到10%、5%、5%。在Cu表面制备出的覆盖发达纳米颗粒的无序多孔嵌套结构在紫外-可见、紫外-近红外、紫外-中红外、以及紫外-远红外的波谱范围内的平均反射率分别下降到3%、6%、9%和10%左右，具有优异的超宽谱带抗反射特性。探讨了超宽谱带抗反射特性的形成机理及与表面微纳米结构之间的关系。

超疏水表面的制备及其抗结冰性能受到广泛关注，但超疏水表面的微观结构及浸润性能对其抗结冰性能的影响规律仍无定论。利用飞秒激光在金属铜表面制备了一系列具有不同微观特征的微纳米结构，这些表面经过化学修饰后都具有超疏水性，同时对水具有不同的粘附性。系统研究了这些超疏水表面的抗结冰性能，结果表明，这些超疏水表面在低温(-5 ℃，-10 ℃)下都能延缓表面水滴的结冰过程。超疏水表面对水的粘附性对其抗结冰性能有显著影响，粘附性较小的超疏水表面比高粘附的超疏水表面具有更为优异的抗结冰性能。