上海交大研制出高灵敏度宽频微动超机械感知器

[本刊讯] 上海交通大学机械与动力工程学院何清波课题组提出机械式频分多路复用概念，研制出高灵敏度宽频微动超机械感知器，相关成果于2023年9月7日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

自然界的生物感知器如小鼠的胡须、鱼类的侧线、蜘蛛的触角和人类的皮肤等，能够在宽频范围内高灵敏地感知微动信息。基于此，在设计人工微动感知器时，灵敏度和带宽是关键的性能指标，也一直是传感器相关研究的热点。基于提高灵敏度和带宽的设计策略，人工微动感知器可以分为两大类：一类是基于电学引导的设计，它依赖于高灵敏度电子元件，而这些元件受限于高成本和复杂的纳米制造工艺；另一类是基于力学引导的设计，它以低成本和简单的机械结构来设计共振单元，以优化机电耦合系数，但由于共振效应，灵敏度和带宽之间存在权衡。

为解决这一动力学难题，受小鼠胡须微动感知系统的启发，团队研制出一种超机械感知器，由在不同频率具有零等效质量的多个压电式局域谐振器组成，实现了高灵敏和宽频带的微动感知。实验证明这些零等效质量的压电谐振器具有频率相关的等效压电转换系数，该特性在本征压电材料中无法实现，并且在零等效质量对应的频率处具有接近无限大的等效压电转换系数。将这些具有不同谐振频率的压电谐振器镶嵌成一个超材料结构，即形成超机械感知器。

团队提出一种机械式频分多路复用系统，通过机械式调制具有多个非重叠频带的微动信号，利用计算型多通道解调方法实现多频带微动信号的重构。与传统的非谐振式机械感知器相比，超機械感知器的最大灵敏度提高了2个数量级，检测极限的下限达到10-6g数量级（g为重力加速度）。通过集成具有指定压电系数的传感单元，超机械感知器的带宽可在0～12 kHz范围内向低频和高频扩展，从而实现高灵敏和宽频带微动感知。

通过对微动信息的感知，该研究成果在动态空时传感、远端振动感知、智能驾驶辅助和结构健康监测方面具有广泛应用，能够提高微动信息的识别精度。该工作提出的超机械感知器兼具高灵敏度和宽频带的微动感知特性，为宽频微动信息的增强感知开辟了新途径，在微动监测与故障诊断领域如早期微弱故障检测和远端振动信息诊断等，具有应用潜力。

（勇 兰）