隨機化共振超材料結(jié)構(gòu)破解單傳感器振動溯源技術(shù)難題

上海交通大學機械與動力工程學院教授何清波研究組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。該成果論文近日發(fā)表于《自然—通訊》。

在自然界，蜘蛛可以靈敏感知和定位落在蛛網(wǎng)上的昆蟲的振動。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，何清波等人利用超材料結(jié)構(gòu)原理，提出了振動傳遞特性設(shè)計和調(diào)控的思路。超材料是一種自然界不存在的人工復合材料，具有超常的動力學特性。研究人員提出了隨機耦合振子動力學理論，建立了一種融入等效負質(zhì)量特性的動力學分析方法，并以此指導設(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。

研究人員發(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，可以滿足不同應(yīng)用場合的需求。研究人員還創(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。（記者黃辛）