5月11日，上海交大機(jī)械與動(dòng)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(jī)化共振超材料結(jié)構(gòu)，突破了單傳感器振動(dòng)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(xiàng)工作。

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

圖2. 隨機(jī)耦合局域共振超材料結(jié)構(gòu)模型及其空間振動(dòng)傳遞特性和多源振動(dòng)辨識(shí)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(chóng)的振動(dòng)。像蜘蛛一樣利用傳感器對(duì)遠(yuǎn)處的振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行感知和定位即為振動(dòng)溯源，在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、機(jī)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(jià)值。傳統(tǒng)的振源辨識(shí)技術(shù)通常依賴于多個(gè)分布式傳感器或傳感器網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜且功耗較高。為了突破傳統(tǒng)振源辨識(shí)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(dòng)傳遞特性設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)來(lái)自多個(gè)方位的振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行靈活調(diào)控。研究人員提出了隨機(jī)耦合振子動(dòng)力學(xué)理論，建立了一種融入等效負(fù)質(zhì)量特性的動(dòng)力學(xué)分析方法，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)了隨機(jī)耦合局域共振超材料結(jié)構(gòu)模型，該模型包含多個(gè)具有隨機(jī)共振頻率且無(wú)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(jī)分布與耦合導(dǎo)致了彈性振動(dòng)傳播的復(fù)雜性，產(chǎn)生了高度不相關(guān)的空間振動(dòng)傳遞特性，這形成了振動(dòng)傳遞特性編碼設(shè)計(jì)的物理機(jī)制。研究人員進(jìn)而利用振動(dòng)傳遞編碼特性構(gòu)造了壓縮感知算法的觀測(cè)矩陣，僅利用一個(gè)振動(dòng)傳感器的測(cè)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源寬帶振動(dòng)激勵(lì)的高精度辨識(shí)，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(chǎng)合需求。

圖3. 基于單傳感器振動(dòng)溯源的“SJTU”振動(dòng)激勵(lì)軌跡追蹤辨識(shí)

圖4. Vase圖案振動(dòng)激勵(lì)軌跡追蹤的動(dòng)畫(huà)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(dòng)溯源器件原型。該超材料系統(tǒng)具有一種時(shí)空耦合編碼能力，研究人員展示了對(duì)一系列振動(dòng)激勵(lì)事件進(jìn)行軌跡追蹤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而創(chuàng)建了一種基于單傳感器振動(dòng)溯源的可用于指令、通信、加密和觸摸傳感的新型人機(jī)交互方式。這一創(chuàng)新工作開(kāi)辟了利用超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間振動(dòng)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(tái)和結(jié)構(gòu)（如可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、四旋翼無(wú)人機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼等）集成，從而可應(yīng)用于人機(jī)交互、醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)、工業(yè)振動(dòng)檢測(cè)、機(jī)器人傳感、信息處理與通訊等領(lǐng)域。

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中組部“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才支持計(jì)劃的資助。近年來(lái)，何清波在超材料結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方向開(kāi)展了深入研究，旨在通過(guò)解決彈性波超常力學(xué)操控核心問(wèn)題，突破振動(dòng)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(dòng)非線性控制、噪聲源方位高精度檢測(cè)、單傳感器振動(dòng)噪聲溯源等方面取得了重要進(jìn)展。

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

作者：

振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所

供稿單位：

機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

相關(guān)知識(shí)

無(wú)線供能研究成果發(fā)表于 Nature Communications 期刊
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖院士團(tuán)隊(duì)博士后以第一作者身份在Nature Communications上發(fā)表研究成果
康復(fù)大學(xué)劉健康團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表成果
我院賈鵬教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表健康地理學(xué)領(lǐng)域的研究成果
Nature Communications
Nature子刊發(fā)表附屬一院有關(guān)腫瘤饑餓療法新途徑的研究成果
首次開(kāi)辟無(wú)需催化劑的雙黃酮和三黃酮合成路徑！新國(guó)大蘇研院黃德建團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表科研成果
《Nature》子刊發(fā)布中國(guó)科學(xué)家普洱茶研究成果 揭示其降脂機(jī)制
畢艷教授、沈蕾教授團(tuán)隊(duì)最新研究成果——發(fā)現(xiàn)代謝不健康型肥胖的新病因
LG 生活健康膚色基因研發(fā)成果 榮登國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》

網(wǎng)址: 上海交大何清波教授在Nature Communications上發(fā)表單傳感器振動(dòng)溯源研究成果 http://www.gysdgmq.cn/newsview1671130.html