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空间编码超结构在单传感器冲击区域识别中的应用研究

一、作者及发表信息
本研究由Tianxi Jiang（中国科学技术大学精密机械与精密仪器系仿生机器人研究所）、Tianyue Zhou、Xihao Wang、Tianqi Li（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室）、Hu Jin、Shiwu Zhang（通讯作者）、Zhi-ke Peng（宁夏大学机械工程学院）及Qingbo He（通讯作者）合作完成，发表于期刊 Smart Materials and Structures 2024年第33卷，文章标题为“Spatial coding metastructure for single-sensor impact region recognition”。

二、学术背景
科学领域与动机
该研究属于结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）与智能材料交叉领域。飞机等航空器在复杂气动载荷和恶劣环境中易受冲击损伤，传统方法依赖多传感器阵列（如压电换能器阵列）进行信号融合定位，但存在布线复杂、功耗高、抗干扰能力差等问题。因此，研究团队提出通过空间编码超结构（spatial coding metastructure）结合单传感器策略，降低硬件复杂度并提升识别精度。

理论基础
研究基于以下关键科学问题：
1. 超结构（metastructure）的局部共振效应可对振动产生频率依赖的空间调制，形成可区分的“空间编码”特性。
2. 计算感知（computational sensing）框架中，超结构的物理响应可作为传感矩阵的天然实现载体，替代传统多传感器网络。

研究目标
开发一种新型超结构皮肤，通过单加速度传感器实现飞机蒙皮冲击区域的精确识别，同时抑制冲击引起的振动传播。

三、研究流程与方法
1. 超结构设计与仿真验证
- 设计参数：超结构由9种不同的超级单元（supercell）组成，每个单元含9个局部谐振单元，采用阿基米德螺旋梁（Archimedean spiral beam）设计，材料为聚乳酸（PLA）。通过调整螺旋角度θ₂（3.47π–4.85π）实现多阶局部共振。
- 仿真工具：使用COMSOL Multiphysics计算能带结构（band structure）和传输曲线，验证超结构在宽频带内（286–371 Hz）的多重振动调制效应（如弯曲、剪切、扭转模式）。

2. 实验系统搭建
- 样本制备：模拟飞机蒙皮由铝合金板（316×316 mm²）和碳纤维骨架组成，超结构通过3D打印（熔融沉积成型）制作，总重量增加39.8%。
- 实验设置：
- 冲击测试：使用力锤（LC02）在3×3测试区域（每区域92×92 mm²）施加60次随机冲击（中心与周边各30次），共540组数据。
- 信号采集：单加速度传感器（1A116E）记录振动响应，数据通过NI 9234采集卡传输。

3. 空间编码性能分析
- 频响函数（FRF）分析：计算|aₒᵤₜ(ω)/fᵢₙ(ω)|，对比超结构组（meta-group）与无超结构对照组（ctrl-group）的振动抑制效果。
- 统计方法：
- 相关性度量（ψⁿᵐ）：量化同一区域与不同区域FRF的相关系数，超结构组ψⁿᵐ在同区域内更高（>0.9），不同区域间更低（<0.3）。
- 距离相似性度量（sⁿᵐ）：基于欧氏距离评估FRF区分度，超结构组sⁿᵐ在同区域内显著高于对照组。
- t-SNE可视化：超结构组数据在特征空间中呈现明显聚类，对照组分布无序。

4. 冲击区域识别算法
- k近邻算法（k-NN）：以FRF频谱为输入，通过十折交叉验证评估识别准确率。
- 超结构组准确率达96.8%（对照组88.7%），且传感器位置变化（左/右/顶部）对结果无显著影响（Δ<0.5%）。

四、主要结果
1. 超结构的振动调制特性：
- 仿真显示超结构在286–371 Hz频带内产生多个带隙（bandgap）和共振峰，对应弯曲（A₀模式）、剪切（SH₀模式）和扭转（C模式）振动。
- 实验证实超结构可抑制90%以上的冲击振动能量传输（图5）。

1. 空间编码的区分性：

   • 相关性分析表明，超结构对不同区域的冲击响应具有独特“指纹”（图6-7）。
     
   • t-SNE特征分布显示超结构组数据聚类明显（图8），支持单传感器识别的可行性。
     

2. 识别性能提升：

   • k-NN算法在超结构组中实现96.8%的准确率，较对照组提升8.1%（图9）。
     
   • 轻量化设计潜力：通过优化螺旋梁参数或结合晶格结构可进一步降低重量。
     

五、结论与价值
科学价值：
1. 首次提出“空间编码超结构”概念，通过多阶局部共振实现冲击区域的物理编码，突破了传统计算感知需预先校准固定位置的限制。
2. 为单传感器SHM系统提供了新范式，结合机器学习算法显著降低硬件复杂度。

应用价值：
1. 可应用于飞机、航天器蒙皮的实时健康监测，提升安全性与可靠性。
2. 超结构的振动抑制特性兼具减振功能，适用于机械系统抗冲击设计。

六、研究亮点
1. 方法创新：将超结构作为物理传感矩阵，替代传统电子硬件，降低系统成本。
2. 跨学科融合：结合弹性超材料、信号处理与机器学习，实现高精度识别。
3. 工程兼容性：传感器位置鲁棒性强，适合实际部署。

七、未来方向
1. 研究边界冲击和多点冲击的识别方法。
2. 开发轻量化超结构（如晶格-谐振器复合设计）。
3. 扩展至多模态感知（如压力、温度）。

此报告系统梳理了研究的创新性、方法学细节及工程意义，为相关领域学者提供了全面的参考。