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图 小鼠胡须微动感知仿生启发的具有高灵敏度和宽频带的超机械感知器
在国家自然科学基金项目（批准号：51005221、51475441、52275116）等资助下，上海交通大学装备智能运维与大数据研究中心何清波教授团队提出了一种机械式频分多路复用概念，研制出高灵敏度和宽频带超机械感知器。相关研究成果以“通过机械式频分复用的高灵敏度和宽频带超机械感知器（Highly sensitive and broadband meta-mechanoreceptor via mechanical frequency-division multiplexing）”为题，于2023年9月7日发表在《自然•通讯》（Nature Communications）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41222-9。
微动信息在自然界是无处不在的，自然界通过进化出生物感知器，如小鼠胡须、鱼类侧线、蜘蛛触角和人类皮肤等，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，灵敏度和带宽是两个关键的性能指标，且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。一类是电学引导的设计，它依赖于高灵敏度电子元件，这些元件受限于高成本和复杂的纳米制造工艺，如纳米纤维；另一类是力学引导的设计，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。然而，由于共振效应，在力学引导的设计中灵敏度和带宽两者之间存在权衡。
为了解决这一动力学难题，受小鼠胡须微动感知系统的启发，该研究团队研制了一种超机械感知器(MMR)。设计的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。研究人员证明了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是无法实现的，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。研究人员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”。
研究人员进而提出了一种机械式频分复用系统，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了多频带微动信号的重构。与传统的灵敏度为0.812 mv m−1s2的非谐振式机械感知器（压电加速度计）相比，超机械感知器的最大灵敏度提高了2个数量级，达到36.540 mv m−1s2，检测极限的下限达到10−6 g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以在0-12 kHz范围内向低频和高频扩展，从而实现了高灵敏和宽频带微动感知。
研究人员通过对微动信息的感知，展示了在动态空时传感、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的应用，提高了微动信息的识别精度。该工作提出的超机械感知器显示出兼具高灵敏度和宽频带的微动感知特性，在微动监测、智能感知与故障诊断领域具有应用潜力，如早期微弱故障检测和远端振动信息诊断等，为机器/设施状态的高性能诊断提供了新方法。