近日，上海交大机械与动力工程学院振动、冲击、噪声研究所何清波教授、彭志科教授课题组在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science上发表题为“Scattering-coded architectured boundary for computational sensing of elastic waves”的论文，提出了基于散射编码结构化边界的弹性波计算感知方法，突破了单换能器目标定位技术难题。博士后姜添曦、廖昕昕为论文共同第一作者，何清波教授为通讯作者。

图1. 基于散射编码结构化边界的单换能器目标定位示意图

基于主动声波与弹性波的目标定位技术在结构健康监测、医疗诊断、人机交互等领域具有重要的应用价值。当前技术通常依赖于数量庞大的换能器，硬件系统复杂，成本与功耗较高，而蝙蝠、海豚等生物具有结构化的听觉系统，可以调制空间声波实现声源定位，这一特点启发人们设计为信号提供空间结构化特征的人工结构，结合计算感知算法求解反问题以重构波源信息，从而突破空间采样定理、降低传感成本。目前，基于计算感知的振动噪声溯源研究取得了一定进展，然而在主动弹性波目标定位方面依然存在研究空白。

论文提出了对空间弹性波散射场编码的结构化边界概念。结构化边界由空间随机分布的散射体构成。单个换能器激励具有多个中心频率的脉冲信号，并接收目标反射的回波信号；每一次脉冲的发射与接收被视为对目标的一次观测；利用结构化边界对弹性波的多重散射效应，将复杂扰动引入空间散射场，可以产生高度不相关的空间散射编码，从而消除目标位置信息的歧义性，仅用单个换能器实现对弹性波的计算感知。

图2. 基于结构化边界的单换能器触摸屏（视频）

论文对结构化边界进行了理论分析与试验验证。理论分析表明，由于结构化边界的多重散射效应，随着时间的演化，弹性波场的空间分布具有显著的随机性，呈现出高度不相关的空间散射编码，从而为目标位置的计算感知创造了必要条件。试验结果表明，论文提出的结构化边界消除了目标在其空间对称位置出现的可能性，结合计算感知重构算法，只需单个换能器就可以唯一地识别目标位置。而且与单次观测相比，采用多个激励频率进行多次观测可以显著提高目标定位效果。论文进一步设计了一种具有结构化边界的单换能器超声波触摸屏原型，展示了对字符信息的交互式输入。与没有结构化边界的对照组相比，具有结构化边界的超声波触摸屏可以准确识别手指触摸位置。论文提出的触摸屏装置原型除了单换能器外，无需任何电子元件，有望与家电、终端机、机器人、移动设备、工业设备等平台进行集成，在人机交互领域具有广泛的应用前景。

该研究是何清波教授课题组在继Nature Communications、Matter等工作之后，在基于超构材料的弹性波编码感知技术方面的又一创新成果，为设计具有信息编码和识别能力的人工边界结构提供了新的思路，在结构健康监测、人机交互、波源定位等领域具有潜在应用前景。研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体、面上项目、青年项目，中组部青年拔尖人才计划和中国博士后科学基金的资助。

论文链接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00196-5