近日，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院何清波教授課題組在Nature Communications上在線發(fā)表了題為“Highly sensitive and broadband meta-mechanoreceptor via mechanical frequency-division multiplexing”的研究論文，提出了一種機械式頻分多路復(fù)用概念，研制出高靈敏度寬頻微動超機械感知器。機械與動力工程學(xué)院博士研究生李崇為論文第一作者，何清波教授為通訊作者，孟光教授、彭志科教授、廖昕昕博士為合作者。
微動信息在自然界是無處不在的，自然界通過進化出生物感知器，如小鼠的胡須、魚類的側(cè)線、蜘蛛的觸角和人類的皮膚等，能夠在寬頻范圍內(nèi)高靈敏地感知微動信息。基于此，在設(shè)計人工微動感知器時，靈敏度和帶寬是兩個關(guān)鍵的性能指標(biāo)，且一直是傳感器相關(guān)研究的熱點。基于提高靈敏度和帶寬的設(shè)計策略，人工微動感知器可以分為兩大類。一類是電學(xué)引導(dǎo)的設(shè)計，它依賴于高靈敏度電子元件，這些元件受限于高成本和復(fù)雜的納米制造工藝，如納米纖維；另一類是力學(xué)引導(dǎo)的設(shè)計，以低成本和簡單的機械結(jié)構(gòu)來設(shè)計共振單元，以優(yōu)化機電耦合系數(shù)。然而，由于共振效應(yīng)，在力學(xué)引導(dǎo)的設(shè)計中靈敏度和帶寬兩者之間存在權(quán)衡。
具有高靈敏度和寬頻帶的超機械感知器
為了解決這一動力學(xué)難題，受小鼠胡須微動感知系統(tǒng)的啟發(fā)，研究人員研制了一種超機械感知器(MMR)，由在不同頻率具有零等效質(zhì)量的多個壓電式局域諧振器組成，實現(xiàn)了高靈敏和寬頻帶的微動感知。研究人員證明了這些零等效質(zhì)量的壓電諧振器具有頻率相關(guān)的等效壓電轉(zhuǎn)換系數(shù)，該特性在本征壓電材料中是無法實現(xiàn)的，并且在零等效質(zhì)量對應(yīng)的頻率處具有接近無限大的等效壓電轉(zhuǎn)換系數(shù)。研究人員將這些具有不同諧振頻率的壓電諧振器鑲嵌成一個超材料結(jié)構(gòu)，即形成“超機械感知器”。
研究人員提出了一種機械式頻分多路復(fù)用系統(tǒng)，通過機械式調(diào)制具有多個非重疊頻帶的微動信號，利用計算型多通道解調(diào)方法實現(xiàn)了多頻帶微動信號的重構(gòu)。與傳統(tǒng)的靈敏度為0.812 mv m−1s2的非諧振式機械感知器（壓電加速度計）相比，超機械感知器的最大靈敏度提高了2個數(shù)量級，達到36.540 mv m−1s2，檢測極限的下限達到10−6 g數(shù)量級（g為重力加速度）。通過集成具有指定壓電系數(shù)的傳感單元，超機械感知器的帶寬可以在0-12 kHz范圍內(nèi)向低頻和高頻擴展，從而實現(xiàn)了高靈敏和寬頻帶微動感知。
研究人員通過對微動信息的感知，展示了在動態(tài)空時傳感、遠(yuǎn)端振動感知、智能駕駛輔助和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面具有廣泛的應(yīng)用，提高了微動信息的識別精度。該工作提出的超機械感知器顯示出兼具高靈敏度和寬頻帶的微動感知特性，為寬頻微動信息的增強感知開辟了新的途徑，在微動監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，如早期微弱故障檢測和遠(yuǎn)端振動信息診斷等。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和面上項目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃項目的資助。近年來，何清波教授課題組在機械裝備動態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域，通過融合動力學(xué)設(shè)計與計算感知開展了智能振動感知的創(chuàng)新研究，為裝備服役狀態(tài)的高性能診斷提供了新方法。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41222-9
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