文|玉惜品诗

编辑|玉惜品诗

前言：

一直以来，生物界的机械感受器都具备微动作感知的能力，也由此启发了在各个领域中微动作传感器的机械引导设计。

但是自然界素来有共振效应的固有特性，因此要在机械引导设计中同时实现高灵敏度和宽带感知一直以来都是一项巨大的挑战。

为了解决这个问题，科学家发明了新的感受器，由此来彻底解决共振效应带来的难题。

那到底是如何克服共振效应对高灵敏度和宽带微动感知器设计的挑战的呢？

突破高灵敏度与宽带感知的平衡

这个感受器主要是以大鼠的触须为灵感，报告了一种新型的超材料机械感受器，它由分布式零有效质量的压电谐振器构成，具备广泛的局部谐振。

从而让人类实现在广泛频带内的微动感知，呈现出近乎无限的灵敏度，不仅如此，科学家们还开发了一种机械频分复用机制。

这意味着可以通过该机制，将测得的微动信号在不重叠的频带内进行机械调制，然后再通过计算多通道解调方法进行重构。

这种感受器与传统的机械引导机械感受器相比，MMR的最大灵敏度提高了两个数量级。

并且可以通过调节每个感知单元的局部谐振将高灵敏度的带宽延伸到低频和高频范围。

这一突破性的技术开启了微动感知的新篇章，为实现时空感知、远程振动监测和智能驾驶辅助等应用提供了全新的可能性。

在生物学世界里一直存在一些机械感受器，例如老鼠的触须、鱼的侧线、蜘蛛的裂缝、蜘蛛的蛛丝、蝎子的裂缝以及人类的皮肤。

它们虽然是不同的种类，但是都具备高灵敏度，它们都能够检测到从几赫兹到数千赫兹的微小运动。

也是因为这些自然存在的机械感受器启发了人工机械感受器的设计，并因此广泛应用于生物工程、医疗诊断、军事防御、海洋探索、物联网、机器人技术和电子领域。

这些仿生设计的人工机械感受器为改善工程传感器的性能提供了一种高效途径，这可以加速下一代智能传感系统的发展，旨在实现高精度、低成本和低复杂性。

但是在设计具备微动感知能力的人工机械感受器时，人类发现灵敏度和带宽是关键性能指标，也一直是传感器相关研究的关注点。

因为人工机械感受器通常根据设计策略分为两大类，一种是电引导设计，而另一种是机械引导设计。

电引导设计主要依赖于高灵敏度的电子元件，虽然它十分简单，但是这种方法的成本较高，需要复杂的纳米制备工艺，如纳米纤维和纳米线。

而另一种机械引导设计则是通过低成本和简单的机械结构来实现目的，例如混沌振荡器和屈曲结构，进行优化，以提高电机耦合因子，并在合理设计的谐振系统中实现高性能。

虽然机械引导设计的成本十分低，操作也十分简单，但是由于共振效应的特性，机械引导设计往往需要在灵敏度和带宽之间进行权衡。

并且机械引导设计必须要借助外界力量，超材料就是一种具有先进机械引导设计的人工结构，它还具有超越自然结构的独特物理特性。

由于超材料的有效性质和功能可预先设定，因此它们已被广泛应用于声波、光信号和热传输等领域的传感器。

尽管超材料在其他领域取得了显著的成就，但在微动感知领域的研究仍然相对有限，目前仅限于在狭窄带宽内进行应变测量。

因此，实现具备高灵敏度和宽带微动感知能力的机械引导超材料设计仍然是一个具有挑战性的任务，这种能力对于高性能微动感应器的发展具有迫切需求。

新机械感受器的创新之路

于是为了满足高性能微动感应器的发展需求，科研人员积极进行各种研究和实验，力图获取新的信息和技术进步。

在这些研究中，大鼠的感知能力备受科学家们的瞩目和重视，特别是受到大鼠触须在微动感知方面的卓越表现所启发，研究人员着手开发一种被称为"超材料机械感受器"的全新传感器，以迎接这一挑战。

这款超材料机械感受器采用了独特的设计，其中包括分布式零有效质量的压电谐振器。

这些谐振器具备不同频率的局部谐振，从而实现了高灵敏度和宽带微动感知的突破。

研究人员并在经过大量的数据分析、数值模拟和实验验证后，他们发现这些压电谐振器的确具有频率依赖的有效压电系数，而且这一特性在传统的固有压电材料中是不可能实现的。

也是因为这个频率依赖的特性使得MMR能够在广泛的频带内实现几乎无限的灵敏度，研究人员将这些压电谐振器作为单位单元组装成一个"超级机械感受器"的超材料结构，用于微动感知。

除了这一个传感器外，科学家们还开发了一种机械频分复用系统，可以在不重叠的频带内机械调制微动信号，然后通过计算多通道解调方法对信号进行重构。

这个系统的建立使得新型感受器与传统的压电机械感受器相比，MMR的灵敏度最大可提高两个数量级，最高可达36.540 mV/m/s²，而最低检测限估计在10^-6 g数量级。

不仅如此，他们还通过集成感知单元，MMR的带宽可以延伸至0-12 kHz的低频和高频范围。

因此，这项技术具有广泛的应用前景，可用于时空感知、远程振动监测、以及智能驾驶辅助等领域，这一创新的超材料机械感受器为微动感知领域带来了全新的可能性，为未来的高性能传感器发展开辟了新的道路。

打那个时候开始，MMR就已经代表了一种高灵敏度和宽带微动感知能力的前景传感器。

这个巨大的突破标志着传统机械引导微动感知器领域中灵敏度和带宽之间权衡问题的重大进展，因为MMR采用了一种独特的超材料结构，其中包括多个压电元件。

除了MMR这一传感器外，科学家们还专注于设计仿生超材料机械感受器，旨在克服传统机械感受器的限制。

与新机械感受器创造的理念相同，这些仿生超材料机械感受器的设计灵感都来自于大鼠的触须系统，因为大鼠的触须系统以其高灵敏度和广泛带宽的微动感知能力而著称，使其能够在嘈杂的环境中感知微小的运动。

这种特殊的感知能力是通过将不同长度的触须阵列组合而实现的，而且这些触须在共振效应的作用下机械地增强了微动作，然后将其转化为神经电位，并通过传入神经系统进行传输。

而仿生超材料机械感受器的设计采用了仿生的压电谐振器作为基本单位单元，每个单位单元由螺旋底座、压电叠片和铜柱构成，这些元素的设计使得单位单元在其局部谐振频率周围能够产生高灵敏度的压电电荷输出。

然后再通过调整螺旋底座的角度，可以调节每个感知单元的局部谐振频率，将不同角度的单位单元镶嵌在一起，构成了MMR，它具备广泛的局部谐振频率范围，表现出不同频率下的电荷输出，从而实现了频率依赖的有效压电系数。

这些感受器的特性都类似于大鼠触须系统中的神经电位处理方式，因此科学家们开发了一个人工深度神经网络来处理MMR的信号输出。

这种感受器也与传统的压电机械感受器完全不同，因为传统感受器通常在远离谐振频率的非共振范围内工作，因此难以检测宽带微动作。

但是由于MMR的单位单元具有局部谐振频率，因此具备了频率依赖的有效压电系数，可以实现灵敏度增强的宽带微动感知，覆盖了传统压电机械感受器无法达到的非共振频段。

这一设计也让社会获得了巨大进步，不仅具有广泛的应用前景，还有望推动微动感知领域高性能传感器的发展，它能够捕捉自然界中微弱的物理信息，如时空模式、节奏音符或车辆健康状态，特别是在极端环境中。

于是自那之后，这项创新技术为微动感知领域带来了全新的可能性，为未来的高性能传感器开辟了新的道路。

总结：

现在将以上技术总结来说，就是MMR通过采用机械引导的压电谐振器设计，成功规避了传统固有压电材料的限制，实现了卓越的高灵敏度。

然而在传统的压电材料中，电机械转换是通过已有的在准静态条件下定义的压电张量来描述的。

举个很典型的例子，d33是用于描述笛卡尔坐标系中沿z轴方向的固有压电材料中应力和电位移之间的关系。

这种在准静态条件下定义的d33并不能充分描述零有效质量单元单元在动态频率变化条件下的压电特性。

因此我们基于弹性动力学理论，引入了频率依赖的有效压电系数d33eff(ω)来描述不同频率下单元单元的电机械转换。

这一创新性的方法为MMR提供了卓越的性能，并为未来微动作感知领域的发展提供了全新的机遇。