[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(fù)用概念，研制出高靈敏度寬頻微動超機械感知器，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)高靈敏地感知微動信息?；诖?，在設(shè)計人工微動感知器時，靈敏度和帶寬是關(guān)鍵的性能指標，也一直是傳感器相關(guān)研究的熱點?；谔岣哽`敏度和帶寬的設(shè)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(dǎo)的設(shè)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(fù)雜的納米制造工藝；另一類是基于力學引導(dǎo)的設(shè)計，它以低成本和簡單的機械結(jié)構(gòu)來設(shè)計共振單元，以優(yōu)化機電耦合系數(shù)，但由于共振效應(yīng)，靈敏度和帶寬之間存在權(quán)衡。

為解決這一動力學難題，受小鼠胡須微動感知系統(tǒng)的啟發(fā)，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(zhì)量的多個壓電式局域諧振器組成，實現(xiàn)了高靈敏和寬頻帶的微動感知。實驗證明這些零等效質(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現(xiàn)，并且在零等效質(zhì)量對應(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超材料結(jié)構(gòu)，即形成超機械感知器。

團隊提出一種機械式頻分多路復(fù)用系統(tǒng)，通過機械式調(diào)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(diào)方法實現(xiàn)多頻帶微動信號的重構(gòu)。與傳統(tǒng)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(shù)量級，檢測極限的下限達到10-6g數(shù)量級（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，超機械感知器的帶寬可在0～12 kHz范圍內(nèi)向低頻和高頻擴展，從而實現(xiàn)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(tài)空時傳感、遠端振動感知、智能駕駛輔助和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面具有廣泛應(yīng)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(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域如早期微弱故障檢測和遠端振動信息診斷等，具有應(yīng)用潛力。

（勇 蘭）