导读
近日，上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室研究团队提出了振动传输编码超材料概念，设计了随机化共振超材料结构，突破了单传感器振动溯源技术难题。相关工作以“Randomized resonant metamaterials for single-sensor identification of elastic vibrations”为题，于2020年5月11日在线发表在《Nature Communications》（《自然·通讯》）。
在自然界，蜘蛛可以灵敏感知和定位落在蛛网上昆虫的振动。像蜘蛛一样利用传感器对远处的振动激励进行感知和定位即为振动溯源，在医疗健康监测、机器故障诊断、智能设备和物联网等领域具有重要的应用价值。传统的振源辨识技术通常依赖于多个分布式传感器或传感器网络，测试系统复杂且功耗较高。为了突破传统振源辨识技术受传感器数量限制的瓶颈难题，上海交通大学何清波教授等人利用超材料结构的原理，提出了振动传递特性设计和调控的思想。超材料是一种自然界不存在的人工复合材料，具有超常的动力学特性。一般超材料具有周期性复合结构，但是周期性超材料结构难以对来自多个方位的振动传递特性进行灵活调控。
随机化共振超材料结构突破单传感器振动溯源技术难题 （王国燕、陈磊绘图）
研究人员提出了随机耦合振子动力学理论，建立了一种融入等效负质量特性的动力学分析方法，发展了一种随机耦合局域振子系统模型，该模型包含多个具有随机共振频率且无序耦合的局域振子（图1）。研究发现，该超材料结构模型局域振子等效质量的无序分布与耦合导致了弹性振动传播的复杂性，产生了高度不相关的空间振动传递特性，这形成了振动传输编码设计的物理机制。
研究人员以此指导设计了随机化局域共振超材料结构模型（图2），并对超材料系统振动传输编码进行了实验验证（图3）。实验结果表明，所提出的超材料系统具有高度不相关的振动传输编码能力，可以作为满足压缩感知理论的观测矩阵的物理实现。通过将超材料系统与压缩感知理论结合，研究人员仅利用一个振动传感器的测量信号，实现了对多源宽带振动激励的高精度辨识，并且证明了该方法具有噪声鲁棒性。该超材料结构形式具有灵活的单元可重构性，可以满足不同的应用场合需求（图4）。
论文提出的超材料结构系统呈现出一种新型轻量化振动溯源器件原型（图5）。该超材料系统具有一种时空耦合编码能力，研究人员成功展示了对一系列振动激励事件进行轨迹追踪的实验结果，从而创建了一种基于单传感器振动溯源的可用于指令、通信、加密和触摸传感的新型人机交互方式。这一创新工作开辟了利用超材料结构进行空间振动传输编码的新途径，提出的超材料模型有望与智能设备、平台和结构（如可穿戴设备、机器人、四旋翼无人机和飞机机翼等）集成，从而可应用于人机交互、医疗保健监测、工业振动检测、机器人传感、信息处理与通讯等领域。
图1. 用于空间振动传输编码的随机耦合局域振子系统。(a)耦合振子网络结构。(b)具有相同振子和随机振子的耦合网络传递特性。(c)随机耦合局域振子系统示意图。(d)耦合系统在不同位置激励下的振动传递特性。(e)耦合系统在不同位置激励下的振动模态。
图2. 随机化共振超材料系统。(a)超材料系统结构示意图。(b)超材料系统超胞模块与元胞结构示意图。(c)超材料能带分析。(d)超材料元胞局域共振频率与结构参数的关系。(e)超材料系统局域共振频率分布。
图3. 超材料系统空间振动传输编码实验验证。(a)实验装置示意图。(b)超材料系统在不同位置激励下的振动传递特性。(c)传递特性相关系数矩阵。(d)超材料系统在不同位置激励下的振动模态，反映了振动在随机化超材料结构中传播的复杂性。
图4. 超材料系统对多源振动激励与冲击载荷的单传感器辨识。(a)-(c)三种不同构型的超材料系统及振源辨识结果。(d)超材料系统噪声鲁棒性测试。(e)冲击载荷辨识实验装置。(f),(g)对两种连续激励的冲击载荷的辨识结果。
图5. 超材料系统单传感器冲击序列轨迹追踪。(a)实验装置及冲击序列轨迹示意图。(b)对冲击载荷的重构结果。(c)“SJTU”冲击轨迹追踪结果。(d) “Vase”图案冲击轨迹追踪结果。
这项工作的重要意义在于：（1）提出了随机耦合振子动力学分析方法，对分析弹性振动在复杂随机结构中的传播特性、设计新型超材料系统方面具有普适性与指导意义；（2）设计了随机化共振超材料结构模型，实现了空间振动的高度不相关传输编码，为单传感器振动辨识打下基础；（3）实现了多源振动激励与冲击序列轨迹的单传感器辨识与追踪，克服了传统振动辨识方法传感器数量多、系统复杂、功耗高的缺点，在人机交互、智能硬件、物联网等领域具有广阔应用前景。
上海交通大学为该论文唯一署名单位，姜添曦博士为论文的第一作者，何清波教授为通讯作者，彭志科教授为论文合作者，李崇硕士生参与了该项工作。该论文得到了国家自然科学基金项目、中组部“万人计划”青年拔尖人才支持计划的资助。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15950-1
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