上海交大研制出高靈敏度寬頻微動(dòng)超機(jī)械感知器

[本刊訊] 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院何清波課題組提出機(jī)械式頻分多路復(fù)用概念，研制出高靈敏度寬頻微動(dòng)超機(jī)械感知器，相關(guān)成果于2023年9月7日在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

自然界的生物感知器如小鼠的胡須、魚類的側(cè)線、蜘蛛的觸角和人類的皮膚等，能夠在寬頻范圍內(nèi)高靈敏地感知微動(dòng)信息。基于此，在設(shè)計(jì)人工微動(dòng)感知器時(shí)，靈敏度和帶寬是關(guān)鍵的性能指標(biāo)，也一直是傳感器相關(guān)研究的熱點(diǎn)。基于提高靈敏度和帶寬的設(shè)計(jì)策略，人工微動(dòng)感知器可以分為兩大類：一類是基于電學(xué)引導(dǎo)的設(shè)計(jì)，它依賴于高靈敏度電子元件，而這些元件受限于高成本和復(fù)雜的納米制造工藝；另一類是基于力學(xué)引導(dǎo)的設(shè)計(jì)，它以低成本和簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)共振單元，以優(yōu)化機(jī)電耦合系數(shù)，但由于共振效應(yīng)，靈敏度和帶寬之間存在權(quán)衡。

為解決這一動(dòng)力學(xué)難題，受小鼠胡須微動(dòng)感知系統(tǒng)的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)研制出一種超機(jī)械感知器，由在不同頻率具有零等效質(zhì)量的多個(gè)壓電式局域諧振器組成，實(shí)現(xiàn)了高靈敏和寬頻帶的微動(dòng)感知。實(shí)驗(yàn)證明這些零等效質(zhì)量的壓電諧振器具有頻率相關(guān)的等效壓電轉(zhuǎn)換系數(shù)，該特性在本征壓電材料中無法實(shí)現(xiàn)，并且在零等效質(zhì)量對(duì)應(yīng)的頻率處具有接近無限大的等效壓電轉(zhuǎn)換系數(shù)。將這些具有不同諧振頻率的壓電諧振器鑲嵌成一個(gè)超材料結(jié)構(gòu)，即形成超機(jī)械感知器。

團(tuán)隊(duì)提出一種機(jī)械式頻分多路復(fù)用系統(tǒng)，通過機(jī)械式調(diào)制具有多個(gè)非重疊頻帶的微動(dòng)信號(hào)，利用計(jì)算型多通道解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)多頻帶微動(dòng)信號(hào)的重構(gòu)。與傳統(tǒng)的非諧振式機(jī)械感知器相比，超機(jī)械感知器的最大靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)，檢測(cè)極限的下限達(dá)到10-6g數(shù)量級(jí)（g為重力加速度）。通過集成具有指定壓電系數(shù)的傳感單元，超機(jī)械感知器的帶寬可在0～12 kHz范圍內(nèi)向低頻和高頻擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏和寬頻帶微動(dòng)感知。

通過對(duì)微動(dòng)信息的感知，該研究成果在動(dòng)態(tài)空時(shí)傳感、遠(yuǎn)端振動(dòng)感知、智能駕駛輔助和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面具有廣泛應(yīng)用，能夠提高微動(dòng)信息的識(shí)別精度。該工作提出的超機(jī)械感知器兼具高靈敏度和寬頻帶的微動(dòng)感知特性，為寬頻微動(dòng)信息的增強(qiáng)感知開辟了新途徑，在微動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷領(lǐng)域如早期微弱故障檢測(cè)和遠(yuǎn)端振動(dòng)信息診斷等，具有應(yīng)用潛力。

（勇 蘭）