隨機(jī)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(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院教授何清波研究組提出了隨機(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(yuǎn)處的振動激勵進(jìn)行感知和定位即為振動溯源，在醫(yī)療健康監(jiān)測、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，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(fù)合材料，具有超常的動力學(xué)特性。研究人員提出了隨機(jī)耦合振子動力學(xué)理論，建立了一種融入等效負(fù)質(zhì)量特性的動力學(xué)分析方法，并以此指導(dǎo)設(shè)計了隨機(jī)耦合局域共振超材料結(jié)構(gòu)模型，該模型包含多個具有隨機(jī)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(jī)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(jī)制。研究人員進(jìn)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(jī)交互方式。（記者黃辛）