上海交大研制出高靈敏度寬頻微動超機械感知器

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

自然界的生物感知器如小鼠的胡須、魚類的側線、蜘蛛的觸角和人類的皮膚等，能夠在寬頻范圍內高靈敏地感知微動信息。基于此，在設計人工微動感知器時，靈敏度和帶寬是關鍵的性能指標，也一直是傳感器相關研究的熱點。基于提高靈敏度和帶寬的設計策略，人工微動感知器可以分為兩大類：一類是基于電學引導的設計，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雜的納米制造工藝；另一類是基于力學引導的設計，它以低成本和簡單的機械結構來設計共振單元，以優化機電耦合系數，但由于共振效應，靈敏度和帶寬之間存在權衡。

為解決這一動力學難題，受小鼠胡須微動感知系統的啟發，團隊研制出一種超機械感知器，由在不同頻率具有零等效質量的多個壓電式局域諧振器組成，實現了高靈敏和寬頻帶的微動感知。實驗證明這些零等效質量的壓電諧振器具有頻率相關的等效壓電轉換系數，該特性在本征壓電材料中無法實現，并且在零等效質量對應的頻率處具有接近無限大的等效壓電轉換系數。將這些具有不同諧振頻率的壓電諧振器鑲嵌成一個超材料結構，即形成超機械感知器。

團隊提出一種機械式頻分多路復用系統，通過機械式調制具有多個非重疊頻帶的微動信號，利用計算型多通道解調方法實現多頻帶微動信號的重構。與傳統的非諧振式機械感知器相比，超機械感知器的最大靈敏度提高了2個數量級，檢測極限的下限達到10-6g數量級（g為重力加速度）。通過集成具有指定壓電系數的傳感單元，超機械感知器的帶寬可在0～12 kHz范圍內向低頻和高頻擴展，從而實現高靈敏和寬頻帶微動感知。

通過對微動信息的感知，該研究成果在動態空時傳感、遠端振動感知、智能駕駛輔助和結構健康監測方面具有廣泛應用，能夠提高微動信息的識別精度。該工作提出的超機械感知器兼具高靈敏度和寬頻帶的微動感知特性，為寬頻微動信息的增強感知開辟了新途徑，在微動監測與故障診斷領域如早期微弱故障檢測和遠端振動信息診斷等，具有應用潛力。

（勇 蘭）