論文摘要

論文名稱：空間噪聲/振動傳輸編碼超材料理論與應用

論文作者：中國科學技術大學/姜添曦

指導教師：何清波《研究領域：機械裝備動態監測、故障診斷與智能運維。》、馮志華《精密驅動器與精密傳感器。》

準確高效地辨識噪聲與振動對實現減振降噪、保障人類生產生活的安全與舒適、保障裝備的健康運行具有極其重要的意義。傳統的噪聲與振動辨識方法依賴于傳感器數量及布局方式，測試系統復雜且功耗較高。因此，發展新型輕量化的噪聲與振動辨識理論與技術已經成為一個研究重點。聲學超材料是一種可以對聲波與彈性波進行靈活操縱的人工結構，其超常的物理特性為突破傳統噪聲與振動辨識技術瓶頸提供了新的思路。目前，超材料在噪聲與振動辨識方面的研究尚處于起步階段，對空間聲場蘊含的信息進行編碼的理論不夠完善，對空間振動信息編碼的研究尚處于空白狀態，相關研究工作亟待開展。

本文針對傳統噪聲與振動辨識技術的缺點，開展超材料空間噪聲/振動傳輸特性編碼理論研究，發展基于超材料的單傳感器噪聲與振動辨識理論技術。本文的主要研究內容與創新點包括：

（1）提出了一種聲子晶體腔共振增強聲指向性感知理論與模型，揭示了聲子晶體等效諧振腔對入射聲波傳輸方向的影響機制，實現了對空間聲源的高精度指向性定位，解決了現有聲源方向感知模型的空間分辨率局限問題。

（2）揭示了各向異性超材料對聲波不相關傳輸編碼的物理機制，結合壓縮感知理論實現了空間多聲源的單傳感器辨識與成像，設計了基于空間折疊超材料的單傳感器聲學相機，克服了傳統聲學相機傳感器數量多、陣列孔徑大的缺點。

（3）提出了一種具有等效負質量特性的隨機耦合局域振子動力學理論，揭示了隨機振子等效質量的無序分布與耦合是高度不相關振動傳輸編碼的物理機制，解決了隨機系統中彈性振動傳遞的動力學建模難題。

（4）發展了基于隨機化共振超材料單傳感器振源辨識系統，僅用一個傳感器實現了對空間多振源信息的壓縮辨識以及對沖擊序列的追蹤，突破了當前振源辨識技術依賴于多個傳感器的局限性。

本文研究成果為實現新型輕量化的噪聲與振動辨識提供了重要理論與技術基礎，為裝備的減振降噪、結構健康監測與診斷提供了新的技術途徑，為超材料傳感器件與系統的研究開啟了新的思路。

論文名稱：高性能液滴發電機的研究

論文作者：香港城市大學/徐王淮

指導教師：王鉆開《研究領域：仿生工程，表界面工程，軟物質。》、徐曉嶸《研究領域：模態醫療影像及手術導航，醫療儀器標準化，微納米藥物包裹。》

能源短缺是全世界面臨的難題，如何高效利用可再生能源已成為全人類的共識，也是當今能源領域的前沿科研熱點。研發一種具有高耐候性、高輸出性能的普適水能發電技術具有重要的科學意義和應用價值。本研究在理解水固界面電現象的基礎上，基于多相界面和器件架構設計，利用微納加工工藝，設計和優化界面特性和電極架構來根本性地解決常規水能收集器件的固有物理限制，實現多種工況下高效、穩定的水能收集。主要研究包括：

基于自然界中豬籠草的表面潤濕特性，首次發現了液/液界面發電現象，并設計了基于超潤滑表面（SLIPS）的液/液摩擦納米發電機（TENG）。這種發電機表面上的超潤滑層不僅有利于液滴的傳輸和光學透明，而且可以有效地產生電荷轉移。在實際應用中，這種新型發電機除了可以在低溫下保持發電穩定性之外，還展現出許多其他獨特優勢，例如高光學透明度、可配置性和自清潔性。

提出了一種新型的類晶體管結構的液滴發電機（TIDE-G），將傳統固/液界面水能發電的效率提升上千倍。在這種新型結構中，聚四氟乙烯（PTFE）/氧化銦錫（ITO），鋁（Al）電極和水滴可以分別類比為晶體管中的源極,漏極和門極。同時，具有疏水效應的聚四氟乙烯駐極體在受到連續的液滴撞擊后，捕獲高密度的表面電荷，為有效地電荷轉移提供了一個理想的電荷源。本文證明了獨特的晶體管結構設計把基于表面效應的開路系統轉化為液體、介電層與電極之間的閉合回路，突破了傳統水能收集器件的弊端，將原有的固/液發電技術的功率密度和轉化效率提高上千倍，并且實現了電荷在電極之間的可逆轉移，確保長期的輸出穩定。

提出了耦合超潤滑表面和類晶體管結構的普適水能發電技術，有望實現包括從離散液滴到連續水流、開放系統到封閉系統、微觀系統到宏觀系統的穩定水能收集。本文在高性能液滴發電機方面的工作，有望引起高性能水能發器件的設計和應用浪潮，此外，對界面電現象的基本理解也能產生重要的啟發。