導語

隨著清潔能源需求不斷增加，海洋波浪能作為一種可再生能源受到廣泛關注。中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、曹南穎副研究員團隊提出了一種摩擦納米發電機（TENG），結合導電3D打印與浮力-重力優化，實現高效波浪能收集。NOKOV度量動作捕捉系統在實驗中實時記錄浮子模型六自由度運動，為浮子俯仰角及搖擺性能提供高精度驗證數據。

一、摩擦納米發電機波浪能研究背景與實驗需求

隨著清潔能源需求的持續增長，海洋波浪能作為一種可再生能源受到廣泛關注。然而，傳統波浪能收集技術在低頻波浪條件下效率有限。摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其在低頻能量收集方面的潛力，逐漸成為研究熱點。

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、曹南穎副研究員團隊，圍繞低頻波浪能高效收集問題，提出了一種基于浮力–重力優化的摩擦納米發電機結構設計方案。該研究成果發表于中科院一區期刊 Materials Science and Engineering: R: Reports（影響因子 31.6）。

在該研究中，裝置浮子的真實運動姿態精確測量成為驗證理論模型和結構優化效果的關鍵實驗環節。

二、本文研究方法與裝置設計

本文貢獻

1.設計了一種圓柱形顆粒基摩擦納米發電機（CP-TENG）。CP-TENG采用多材料和導電3D打印技術，能夠高效地從波浪、潮汐和其他水體運動中收集波浪能。

2.通過模擬和實驗優化了裝置浮子部分的水動力學模型。本研究基于重心與浮力的平衡機制設計四種不同的浮子模型，并確定了最優的浮子形狀。

3.通過實驗驗證了CP-TENG強大的適應性、卓越的耐用性、波浪能收集能力以及其在持續無線海洋狀況監測中的應用潛力。

裝置介紹

CP-TENG：采用多材料和導電3D打印技術制造，使用導電聚乳酸（PLA）添加碳纖維（CF）或碳黑來實現導電性。CP-TENG具有多通道結構，每個通道內放置一個經由材料性能測試選出的聚四氟乙烯（PTFE）圓柱，以提高電能輸出。整個CP-TENG被封裝在一個全封閉的結構中，以保護其免受外部干擾。性能測試中，CP-TENG在防水性、環境穩定性方面表現優秀。波浪能收集應用測試中，CP-TENG作為無線傳感器節點的電源，成功實現遠距離傳輸信號，并展現出卓越的耐用性。

CP-TENG裝置結構示意圖

浮子（float）優化：浮子的外部結構設計為內凹形狀，這種設計有助于在波浪中保持穩定，并使得其在波浪中能夠產生更大的搖擺角度，從而提高能量收集效率。研究設計了四種不同的浮子模型，并分析了它們在不同波浪條件下的運動性能，并經NOKOV度量動作捕捉系統和波浪水槽實驗確定了Model 1作為最優的浮子設計。

四種浮子模型（左）和Model 1的光學照片（右）

三、基于光學動作捕捉的浮子結構優化實驗驗證

研究團隊圍繞浮力–重力平衡機制，設計了四種不同外形結構的浮子模型，并通過數值模擬與現實實驗相結合的方式進行驗證。

計算流體動力學軟件AQWA的模擬靜水分析模塊（上）和NOKOV度量動作捕捉系統下的三種運動狀態（下）

在實驗階段，NOKOV度量動作捕捉系統被用于波浪水槽環境下的浮子運動追蹤。實驗在一個 1.2 m × 1.0 m × 1.0 m、水深 0.6 m 的室內水池中進行，配備額定功率 50 W 的波浪發生器。

現實實驗場景（a）和NOKOV度量動作捕捉系統軟件界面（b）

通過NOKOV度量動作捕捉系統，研究人員獲取了不同浮子模型在多種波浪頻率條件下的俯仰運動曲線，實現了模擬數據與真實實驗數據的對比驗證。

四、實驗結果：動作捕捉數據驗證模型 1 的最優性

實驗結果顯示，在不同波浪頻率下：

模型 1 的俯仰角穩定在 40°–60°

最大俯仰角分別達到 47.7° 和 64°

明顯優于基礎模型及其他結構設計

這些結果與計算流體動力學軟件 AQWA 的模擬結果高度一致。

NOKOV度量動作捕捉系統提供的高精度姿態數據，直接驗證了浮子結構優化方案的有效性，使模型 1 被確定為最終實驗采用的最優浮子設計。

五、NOKOV度量動作捕捉在浮子六自由度姿態估計中的應用

在浮子結構優化與波浪能實驗驗證過程中，研究團隊引入 NOKOV度量動作捕捉系統，對浮子模型在波浪環境下的六自由度運動信息進行實時記錄。

NOKOV度量動作捕捉系統通過多攝像頭協同，獲取浮子在實驗過程中的位置與姿態數據，尤其重點關注：

浮子俯仰角變化

波浪頻率變化下的姿態穩定性

不同浮子模型之間的運動差異

這些高精度姿態數據，為摩擦納米發電機浮子結構的定量評估提供了可靠實驗依據。

六、摩擦納米發電機波浪能研究FAQ

Q：動作捕捉在波浪能實驗中有什么作用？

A：光學動作捕捉可精確獲取波浪能裝置浮子的姿態與運動數據，為結構優化和理論模型驗證提供真實實驗依據。

Q：NOKOV度量動作捕捉系統在該波浪能收集實驗中具體解決了什么問題？

A：該研究中NOKOV度量動作捕捉系統實時記錄浮子六自由度運動，重點監測俯仰角變化，用于驗證不同浮子模型的運動性能。

Q：浮子姿態優化研究中為什么需要高精度姿態測量？

A：浮子姿態直接影響摩擦納米發電機的能量轉換效率，高精度測量是確定最優結構設計的關鍵。

Q：為什么這種高精度運動分析對未來新能源研究重要？

A：隨著能源裝置走向智能化與精細化，其機械運動與能量輸出的關系愈發緊密。高精度運動分析已成為優化設計、提升效率的標準配置工具。

七、參考文獻信息與作者簡介

該研究由中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊完成，并發表于材料科學領域中科院一區頂級期刊。

參考文獻：

Erming Su, Shuxing Xu, Zhenyu Wang, Zijie Xu, Siyan Pan, Zhong Lin Wang, Leo N.Y. Cao, Buoyancy-gravity optimized triboelectric nanogenerators via conductive 3D printing for robust wave energy harvesting, Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 164, 2025, 100953, ISSN 0927-796X, https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.100953.

作者簡介：

蘇二明，中科院北京納米能源與系統研究所博士研究生在讀。主要研究方向為：摩擦納米發電機、藍色能源、高精度3D打印

徐淑星，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所博士研究生在讀 。主要研究方向為：摩擦納米發電機、藍色能源、自驅動傳感

王震宇，中國科學院地球環境研究所副研究員。主要研究方向：摩擦納米發電機、自驅動傳感、智慧物流。環境納米催化、第一性原理計算

許子頡，中科院北京納米能源與系統研究所副研究員。主要研究方向：摩擦納米發電機、智能流體動力學傳感系統

潘思妍，中科院北京納米能源與系統研究所博士研究生在讀。主要研究方向：基于流體動力學的摩擦電納米發電機在環境修復中的應用

曹南穎（通訊作者），中科院北京納米能源與系統研究所副研究員。主要研究方向：摩擦納米發電機、藍色能源、3D打印技術

王中林（通訊作者），中科院北京納米能源與系統研究所、美國佐治亞理工學院，教授、院士