近日，上海交大機械與動力工◥程學院振動、沖擊、噪聲研究◥所何清波教授、彭誌科教授課≡題組在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science上發表題↘為“Scattering-coded architectured boundary for computational sensing of elastic waves”的論文，提出了基於散射編碼結構化邊界的彈性波》計算感知方法，突破了單換能器目標定位技術難題。博士後姜添曦、廖昕昕為論文共同第一作者，何清波教授為通訊作者。
圖1. 基於散射編碼結構化邊界的單換能器目標定位♂示意圖
基於主動聲波與彈性波的目標定位技術在結構健康監測、醫療診斷、人機交互等領域具有重要的應用價值。當前技↘術通常依賴於數量龐大的換能器，硬件系統復雜，成本與功耗較高，而蝙蝠、海豚等生物具有結構化的聽覺系統，可以調制空間聲波實現聲源定位，這一特點啟發人們設計為信號提供空間結構化特征的人工結構，結合計算感知算法求解反問題以重構波源信息，從而突破空間龙城西郊采樣定理、降低傳感成本。目前，基於計算感知的振動噪聲溯源研究取得了一定進展，然而在主動彈性波目標定位方面依然存铁拳在研究空白。
論文︾提出了對空間彈性波散射場編碼的結構化邊界概念。結構化邊界由空間隨機分布的散射體構成。單個換能器激勵具有多個中死人心頻率的脈沖信號，並接收目標反射的回波信號；每一次脈沖的發射與接收被視為對目標的一次觀測；利用結構化邊界對彈性波的多重散射效應，將復雜擾動引入空間散射場，可以產生高度不相關的空間散射編碼，從而消除目標位置信息的歧義性，僅喇叭用單個換能器實現對彈性波的計算感知。
圖2. 基於結構化邊界的單換能器觸摸屏（視頻）
論文對結構化邊界進行了理論分析與試驗〖驗證。理論分析表明，由於結構化邊界的多品牌重散射效應，隨著時間∑ 的演化，彈性波場的空間分布具有顯著的隨機性，呈現出高度不相關的空間散射編恩恩碼，從而為目標至尊宝卡位置的計算感知創造了必要條件。試驗結果表明，論文提出的結構化邊界消除了目標在其空間對稱位置出現的可能性，結合計算感知重構算法，只需單個換能器就可以唯一地識別目標位置。而且與單次觀測相比，采用多個激勵頻率進行多次觀測可以顯著提高目標定位效果。論文¤進一步設計了一種具有結構化邊界的單換能器超聲波觸摸屏原型，展示了對字符信息的交互式輸入。與沒有結構化邊界的對照■組相比，具有結構化邊界的超聲波觸摸屏可以準確識別手指觸摸位置。論文提出的觸摸屏裝置原型除了單換能器外，無需任何電子元件，有望與加班家電、終端機、機器人、移動設備、工業設備等平臺進行集成，在人機交互領域具有廣泛的應用前景。
該研究是何清波教授課題組在繼Nature Communications、Matter等工作之後，在基於超構材料的彈性波編碼感知技術方面的又一創新成果，為設計具有信息編碼和識別能力的人工邊界結構提供▓了新的思路，在結構健康監測、人機交互、波源定位等領域具有潛在應用前景。研究工作得到了國家自然科學基金創新研也行究群體、面上項目、青年項目，中組部青年拔尖人才計劃和中國博士後科學基金的資助。