5月11日，我院何清波教授在Nature Communications上发表题为“Randomized resonant metamaterials for single-sensor identification of elastic vibrations”的论文，提出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。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。

图1. 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）

图2. 随机耦合局域共振超材料结构模型及其空间振动传递特性和多源振动辨识结果

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，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，比如局域共振超材料，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。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，以此指导设计了随机耦合局域共振超材料结构模型，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。研究发现，该超材料结构模型局域振子等效质量的随机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，这形成了振动传递特性编码设计的物理机制。研究人员进而利用振动传递编码特性构造了压缩感知算法的观测矩阵，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3. 基于单传感器振动溯源的“SJTU”振动激励轨迹追踪辨识

图4. Vase图案振动激励轨迹追踪的动画演示

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。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递编码的新途径，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。

研究工作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。近年来，何清波教授在超材料结构动力学方向开展了深入研究，旨在通过解决弹性波超常力学操控核心问题，突破振动噪声感知、溯源与控制中的传统技术难题，相继在低频域宽频振动非线性控制、噪声源方位高精度检测、单传感器振动噪声溯源等方面取得了重要进展。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15950-1

新闻链接：

【科学网】 提出随机化共振超材料结构