5月11日，我院何清波教授在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，何清波教授為通訊作者，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，何清波教授等人利用超材料結(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，研究人員成功展示了對(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。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。近年來，何清波教授在超材料結(jié)構(gòu)動(dòng)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(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
新聞鏈接：
【科學(xué)網(wǎng)】 提出隨機(jī)化共振超材料結(jié)構(gòu)
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