背景介绍
化石燃料发电所引起的环境问题日益严重，促使世界各国提出“碳中和”的目标，并引起对可再生能源的持续关注。水动能作为清洁的可再生能源，在利用过程中可以回收再利用，对人类生活和世界经济发展具有一定的经济价值，主要通过修筑水利大坝，利用水的重力势能发电。然而，大坝的建设受地理环境的严重制约，且对生态环境造成永久性和不可逆转的破坏。此外，与人类日常生活密切相关的水流环境多为低流速水域。因此，开发适用于低流速环境中的俘能装置具有重要意义。摩擦纳米发电机（TENG）由于其低成本、易于制造和低频高效的特性，作为一种从环境中获取可再生能源的有效方法引起了广泛关注。
研究方法
中科院北京纳能所王中林院士、程廷海研究员联合吉林大学赵宏伟教授基于仿生设计思想，将材料成型技术与摩擦纳米发电机相结合，提出了一种软体仿生鱼尾型摩擦纳米发电机（TE-SFT），用于更好地适应低速水流环境，实现水流能的有效俘获。工作中详细阐述了低速水流环境下TE-SFT的设计理念，探究了流体环境下的仿生软体俘能机理，开展了TE-SFT的软材料制备、原理样机制作及水流环境下的实验研究。在实际应用中，基于材料成型技术，TE-SFT展现出良好的水浸耐久性，并展示了为电子设备供电的能力。
成果简介
受鱼尾的启发，设计了一个横截面为鱼尾形的绕流体，并通过流体模拟它具有良好的涡流效应。在发电部分，摩擦纳米发电机（TENG）被设计成惯性摆结构。在流致振动效应下，TE-SFT像鱼一样在水中摆动，进而带动惯性摆获得振荡，从低速水流中获取能量。在水流速为0.24~0.89 m/s时，TE-SFT的输出电压为200~313 V、输出电流为1.65~3.18 μA。此外，TE-SFT连续置于水流环境下30天，其输出电压保持率为96.81%，展示了在水流环境中长期服役的潜力。在演示应用中，TE-SFT通过收集水流能量为温湿度传感器供电。这项工作提出的软体仿生型摩擦纳米发电机设计理念将为开展环境微能源俘获研究提供一种新思路。
图1.TE-SFT的材料制备和结构设计：(a) TE-SFT的设计流程；(b)TE-SFT的软材料制备和制作示意图；(c) TE-SFT的结构示意图；(d) TE-SFT的照片。
图2.硅橡胶加卸载循环性能及耐久性试验：(a) 硅橡胶片拉伸示意图；(b) 硅橡胶的应力-应变循环；(c) 硅橡胶的应变-时间循环；(d) 硅橡胶的应力-时间循环。
图3.不同横截面绕流体的仿真结果：(a) 流速为1.0 m/s时的速度场分布；(b) A点和B点在不同时刻的力矩系数；(c) A点在同一时刻的力矩系数对比；(d) B点在同一时刻的力矩系数对比。
图4.支撑架和惯性摆具有不同角度(θ)的TE-SFT的电输出性能：(a)TE-SFT角度为0°的电输出性能；(b) TE-SFT角度为6º的电输出性能；(c) TE-SFT角度为7º的电输出性能；(d) TE-SFT角度为8º的电输出性能；(e) 不同角度的TE-SFT开路电压对比。
图5.不同外部激励下TE-SFT的电输出性能：(a) TE-SFT在全周期内的工作过程；(b) TE-SFT在不同摆角下的电输出性能；(c) TE-SFT在不同加速度下的电输出性能；(d) TE-SFT在不同湿度下的电输出性能；(e) TE-SFT在不同温度下的电输出性能。
图6.TE-SFT在水中的电输出性能和应用：(a)TE-SFT在不同水流速度下的开路电压；(b)不同流速下TE-SFT 的短路电流；(c) TE-SFT的峰值电流和峰值功率与负载电阻的关系；(d) TE-SFT的水浸耐久性；(e) TE-SFT对不同电容器的充电性能；(f) TE-SFT为温湿度传感器供电；(g) 基于TE-SFT的自供电系统的应用前景。
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