海洋物联网(Marine internet of things, MIoT)是海洋开发和保护的重要基础，它由大量的水下分布式传感器组成，用于监测波浪、潮汐等各种参数。这些传感器高度依赖电池，存在维护成本高、维修工作繁琐、电池污染环境等缺陷。利用原位海洋波浪能为海洋传感器供电成为了新的发展趋势。目前市面上多数波浪能采集装置为电磁发电机(EMG)，但EMG在低频条件下很难保持高效工作。在不断变化的海洋环境下，亟需一种更加稳定的供电方式，持续为水下分布式传感器提供能量。

  针对上述问题，大连海事大学轮机工程学院、大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室徐敏义教授团队和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，提出了一种适用于海洋物联网供电的基于仿海草摩擦纳米发电机（S-TENG）波浪能采集装置。

  该团队选择由导电油墨覆盖的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），导电油墨覆盖的氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene, FEP)和两片聚四氟乙烯膜（PTFE）制成仿海草摩擦纳米发电机（S-TENG），灵活的柔性结构使其能在沿岸水面、水中和水下实时将波浪能转化成电能。

图1. S-TENG结构及其应用示意图。(a)仿海草摩擦纳米发电机结构示意图；(b)S-TENG的实物照片和材料表面形貌的侧视图；(c)S-TENG的工作原理；(d)S-TENG在海洋物联网中的应用。

  由于仿海草摩擦纳米发电机（S-TENG）在波浪条件下的摆动属于受迫振动，S-TENG可近似看成具有高拉伸刚度和低弯曲刚度的薄膜结构，因此本文对S-TENG的弯曲特性进行进一步探究，实验结果表明，随着斯特劳哈尔数（Strouhal number，Sr）和长宽比（aspect ratio）的增加，薄膜的依次出现稳定状态、一阶模态和二阶模态, 通过对上述状态输出信号对比分析得出一阶模态的输出特性最佳，能在海洋环境中获取最多的能量。

图2. S-TENG的实验装置和振动特性。(a)S-TENG实验装置和材料表面扫描电镜图；(b)S-TENG的振动模型；(c)S-TENG的模态分布图。

  基于上述研究结果，本文进一步研究仿海草摩擦纳米发电机（S-TENG）在各种状态参数下的输出性能，结果表明9个S-TENG并联可输出开路电压120.6V、短路电流8.7μA和功率79.023μW的功率，具有巨大的应用前景。

图3. S-TENG在不同条件下的输出性能探究。

  综上，柔性、低成本、强适应性、高稳定性的仿海草摩擦纳米发电机(S-TENG)可应用于海上浮标的能源供给、水下电站和沿海堤坝的波浪能能量采集，是实现海洋物联网（MIoT）水下传感器自驱动工作的有效方法。

  该成果发表在ACS Nano(ACS Nano, 10.1021/acsnano.1c05127)上。论文的第一作者为大连海事大学轮机工程学院博士生王岩，共同第一作者为大连海事大学轮机工程学院硕士生刘翔宇、大连海事大学轮机工程学院硕士生王雅巍，通讯作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，共同通讯作者为大连海事大学轮机工程学院徐敏义教授。

  文章链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05127