论文摘要

论文名称：空间噪声/振动传输编码超材料理论与应用

论文作者：中国科学技术大学/姜添曦

指导教师：何清波《研究领域：机械装备动态监测、故障诊断与智能运维。》、冯志华《精密驱动器与精密传感器。》

准确高效地辨识噪声与振动对实现减振降噪、保障人类生产生活的安全与舒适、保障装备的健康运行具有极其重要的意义。传统的噪声与振动辨识方法依赖于传感器数量及布局方式，测试系统复杂且功耗较高。因此，发展新型轻量化的噪声与振动辨识理论与技术已经成为一个研究重点。声学超材料是一种可以对声波与弹性波进行灵活操纵的人工结构，其超常的物理特性为突破传统噪声与振动辨识技术瓶颈提供了新的思路。目前，超材料在噪声与振动辨识方面的研究尚处于起步阶段，对空间声场蕴含的信息进行编码的理论不够完善，对空间振动信息编码的研究尚处于空白状态，相关研究工作亟待开展。

本文针对传统噪声与振动辨识技术的缺点，开展超材料空间噪声/振动传输特性编码理论研究，发展基于超材料的单传感器噪声与振动辨识理论技术。本文的主要研究内容与创新点包括：

（1）提出了一种声子晶体腔共振增强声指向性感知理论与模型，揭示了声子晶体等效谐振腔对入射声波传输方向的影响机制，实现了对空间声源的高精度指向性定位，解决了现有声源方向感知模型的空间分辨率局限问题。

（2）揭示了各向异性超材料对声波不相关传输编码的物理机制，结合压缩感知理论实现了空间多声源的单传感器辨识与成像，设计了基于空间折叠超材料的单传感器声学相机，克服了传统声学相机传感器数量多、阵列孔径大的缺点。

（3）提出了一种具有等效负质量特性的随机耦合局域振子动力学理论，揭示了随机振子等效质量的无序分布与耦合是高度不相关振动传输编码的物理机制，解决了随机系统中弹性振动传递的动力学建模难题。

（4）发展了基于随机化共振超材料单传感器振源辨识系统，仅用一个传感器实现了对空间多振源信息的压缩辨识以及对冲击序列的追踪，突破了当前振源辨识技术依赖于多个传感器的局限性。

本文研究成果为实现新型轻量化的噪声与振动辨识提供了重要理论与技术基础，为装备的减振降噪、结构健康监测与诊断提供了新的技术途径，为超材料传感器件与系统的研究开启了新的思路。

论文名称：高性能液滴发电机的研究

论文作者：香港城市大学/徐王淮

指导教师：王钻开《研究领域：仿生工程，表界面工程，软物质。》、徐晓嵘《研究领域：模态医疗影像及手术导航，医疗仪器标准化，微纳米药物包裹。》

能源短缺是全世界面临的难题，如何高效利用可再生能源已成为全人类的共识，也是当今能源领域的前沿科研热点。研发一种具有高耐候性、高输出性能的普适水能发电技术具有重要的科学意义和应用价值。本研究在理解水固界面电现象的基础上，基于多相界面和器件架构设计，利用微纳加工工艺，设计和优化界面特性和电极架构来根本性地解决常规水能收集器件的固有物理限制，实现多种工况下高效、稳定的水能收集。主要研究包括：

基于自然界中猪笼草的表面润湿特性，首次发现了液/液界面发电现象，并设计了基于超润滑表面（SLIPS）的液/液摩擦纳米发电机（TENG）。这种发电机表面上的超润滑层不仅有利于液滴的传输和光学透明，而且可以有效地产生电荷转移。在实际应用中，这种新型发电机除了可以在低温下保持发电稳定性之外，还展现出许多其他独特优势，例如高光学透明度、可配置性和自清洁性。

提出了一种新型的类晶体管结构的液滴发电机（TIDE-G），将传统固/液界面水能发电的效率提升上千倍。在这种新型结构中，聚四氟乙烯（PTFE）/氧化铟锡（ITO），铝（Al）电极和水滴可以分别类比为晶体管中的源极,漏极和门极。同时，具有疏水效应的聚四氟乙烯驻极体在受到连续的液滴撞击后，捕获高密度的表面电荷，为有效地电荷转移提供了一个理想的电荷源。本文证明了独特的晶体管结构设计把基于表面效应的开路系统转化为液体、介电层与电极之间的闭合回路，突破了传统水能收集器件的弊端，将原有的固/液发电技术的功率密度和转化效率提高上千倍，并且实现了电荷在电极之间的可逆转移，确保长期的输出稳定。

提出了耦合超润滑表面和类晶体管结构的普适水能发电技术，有望实现包括从离散液滴到连续水流、开放系统到封闭系统、微观系统到宏观系统的稳定水能收集。本文在高性能液滴发电机方面的工作，有望引起高性能水能发器件的设计和应用浪潮，此外，对界面电现象的基本理解也能产生重要的启发。