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  海洋物聯網(Marine internet of things, MIoT)是海洋開發和保護的重要基礎，它由大量的水下分布式傳感器組成，用于監測波浪、潮汐等各種參數。這些傳感器高度依賴電池，存在維護成本高、維修工作繁瑣、電池污染環境等缺陷。利用原位海洋波浪能為海洋傳感器供電成為了新的發展趨勢。目前市面上多數波浪能采集裝置為電磁發電機(EMG)，但EMG在低頻條件下很難保持高效工作。在不斷變化的海洋環境下，亟需一種更加穩定的供電方式，持續為水下分布式傳感器提供能量。

  針對上述問題，大連海事大學輪機工程學院、大連市海洋微納能源與自驅動系統重點實驗室徐敏義教授團隊和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作，提出了一種適用于海洋物聯網供電的基于仿海草摩擦納米發電機（S-TENG）波浪能采集裝置。

  該團隊選擇由導電油墨覆蓋的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），導電油墨覆蓋的氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene, FEP)和兩片聚四氟乙烯膜（PTFE）制成仿海草摩擦納米發電機（S-TENG），靈活的柔性結構使其能在沿岸水面、水中和水下實時將波浪能轉化成電能。

圖1. S-TENG結構及其應用示意圖。(a)仿海草摩擦納米發電機結構示意圖；(b)S-TENG的實物照片和材料表面形貌的側視圖；(c)S-TENG的工作原理；(d)S-TENG在海洋物聯網中的應用。

  由于仿海草摩擦納米發電機（S-TENG）在波浪條件下的擺動屬于受迫振動，S-TENG可近似看成具有高拉伸剛度和低彎曲剛度的薄膜結構，因此本文對S-TENG的彎曲特性進行進一步探究，實驗結果表明，隨著斯特勞哈爾數（Strouhal number，Sr）和長寬比（aspect ratio）的增加，薄膜的依次出現穩定狀態、一階模態和二階模態, 通過對上述狀態輸出信號對比分析得出一階模態的輸出特性最佳，能在海洋環境中獲取最多的能量。

圖2. S-TENG的實驗裝置和振動特性。(a)S-TENG實驗裝置和材料表面掃描電鏡圖；(b)S-TENG的振動模型；(c)S-TENG的模態分布圖。

  基于上述研究結果，本文進一步研究仿海草摩擦納米發電機（S-TENG）在各種狀態參數下的輸出性能，結果表明9個S-TENG并聯可輸出開路電壓120.6V、短路電流8.7μA和功率79.023μW的功率，具有巨大的應用前景。

圖3. S-TENG在不同條件下的輸出性能探究。

  綜上，柔性、低成本、強適應性、高穩定性的仿海草摩擦納米發電機(S-TENG)可應用于海上浮標的能源供給、水下電站和沿海堤壩的波浪能能量采集，是實現海洋物聯網（MIoT）水下傳感器自驅動工作的有效方法。

  該成果發表在ACS Nano(ACS Nano, 10.1021/acsnano.1c05127)上。論文的第一作者為大連海事大學輪機工程學院博士生王巖，共同第一作者為大連海事大學輪機工程學院碩士生劉翔宇、大連海事大學輪機工程學院碩士生王雅巍，通訊作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士，共同通訊作者為大連海事大學輪機工程學院徐敏義教授。

  文章鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05127