5月11日，上海交大機械與動力工程學(xué)院何清波教授在Nature Communications上發(fā)表題為“Randomized resonant metamaterials for single-sensor identification of elastic vibrations”的論文，提出了隨機化共振超材料結(jié)構(gòu)，突破了單傳感器振動溯源技術(shù)難題。上海交通大學(xué)為該論文唯一署名單位，姜添曦博士為論文的第一作者，何清波為通訊作者，彭志科教授為論文合作者，李崇碩士生參與了該項工作。

圖1. 隨機化共振超材料結(jié)構(gòu)突破單傳感器振動溯源技術(shù)難題 （王國燕、陳磊繪圖）

圖2. 隨機耦合局域共振超材料結(jié)構(gòu)模型及其空間振動傳遞特性和多源振動辨識結(jié)果

在自然界，蜘蛛可以靈敏感知和定位落在蛛網(wǎng)上昆蟲的振動。像蜘蛛一樣利用傳感器對遠處的振動激勵進行感知和定位即為振動溯源，在醫(yī)療健康監(jiān)測、機器故障診斷、智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的振源辨識技術(shù)通常依賴于多個分布式傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)，測試系統(tǒng)復(fù)雜且功耗較高。為了突破傳統(tǒng)振源辨識技術(shù)受傳感器數(shù)量限制的瓶頸難題，何清波等人利用超材料結(jié)構(gòu)的原理，提出了振動傳遞特性設(shè)計和調(diào)控的思想。超材料是一種自然界不存在的人工復(fù)合材料，具有超常的動力學(xué)特性。一般超材料具有周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)，比如局域共振超材料，但是周期性超材料結(jié)構(gòu)難以對來自多個方位的振動傳遞特性進行靈活調(diào)控。研究人員提出了隨機耦合振子動力學(xué)理論，建立了一種融入等效負質(zhì)量特性的動力學(xué)分析方法，以此指導(dǎo)設(shè)計了隨機耦合局域共振超材料結(jié)構(gòu)模型，該模型包含多個具有隨機共振頻率且無序耦合的局域振子。研究發(fā)現(xiàn)，該超材料結(jié)構(gòu)模型局域振子等效質(zhì)量的隨機分布與耦合導(dǎo)致了彈性振動傳播的復(fù)雜性，產(chǎn)生了高度不相關(guān)的空間振動傳遞特性，這形成了振動傳遞特性編碼設(shè)計的物理機制。研究人員進而利用振動傳遞編碼特性構(gòu)造了壓縮感知算法的觀測矩陣，僅利用一個振動傳感器的測量信號，實現(xiàn)了對多源寬帶振動激勵的高精度辨識，并且證明了該方法具有噪聲魯棒性。該超材料結(jié)構(gòu)形式具有靈活的單元可重構(gòu)性，可以滿足不同的應(yīng)用場合需求。

圖3. 基于單傳感器振動溯源的“SJTU”振動激勵軌跡追蹤辨識

圖4. Vase圖案振動激勵軌跡追蹤的動畫演示

論文提出的超材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)呈現(xiàn)出一種新型輕量化振動溯源器件原型。該超材料系統(tǒng)具有一種時空耦合編碼能力，研究人員展示了對一系列振動激勵事件進行軌跡追蹤的實驗結(jié)果，從而創(chuàng)建了一種基于單傳感器振動溯源的可用于指令、通信、加密和觸摸傳感的新型人機交互方式。這一創(chuàng)新工作開辟了利用超材料結(jié)構(gòu)進行空間振動傳遞編碼的新途徑，提出的超材料模型有望與智能設(shè)備、平臺和結(jié)構(gòu)（如可穿戴設(shè)備、機器人、四旋翼無人機和飛機機翼等）集成，從而可應(yīng)用于人機交互、醫(yī)療保健監(jiān)測、工業(yè)振動檢測、機器人傳感、信息處理與通訊等領(lǐng)域。

研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、中組部“萬人計劃”青年拔尖人才支持計劃的資助。近年來，何清波在超材料結(jié)構(gòu)動力學(xué)方向開展了深入研究，旨在通過解決彈性波超常力學(xué)操控核心問題，突破振動噪聲感知、溯源與控制中的傳統(tǒng)技術(shù)難題，相繼在低頻域?qū)掝l振動非線性控制、噪聲源方位高精度檢測、單傳感器振動噪聲溯源等方面取得了重要進展。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15950-1

作者：

振動、沖擊、噪聲研究所

供稿單位：

機械與動力工程學(xué)院

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