基于浮力-重力优化与光学动作捕捉验证的摩擦纳米发电机波浪能收集研究|中科院一区期刊王中林院士团队案例
导语
随着清洁能源需求不断增加，海洋波浪能作为一种可再生能源受到广泛关注。中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、曹南颖副研究员团队提出了一种摩擦纳米发电机（TENG），结合导电3D打印与浮力-重力优化，实现高效波浪能收集。NOKOV度量动作捕捉系统在实验中实时记录浮子模型六自由度运动，为浮子俯仰角及摇摆性能提供高精度验证数据。
一、摩擦纳米发电机波浪能研究背景与实验需求
随着清洁能源需求的持续增长，海洋波浪能作为一种可再生能源受到广泛关注。然而，传统波浪能收集技术在低频波浪条件下效率有限。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其在低频能量收集方面的潜力，逐渐成为研究热点。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、曹南颖副研究员团队，围绕低频波浪能高效收集问题，提出了一种基于浮力–重力优化的摩擦纳米发电机结构设计方案。该研究成果发表于中科院一区期刊 Materials Science and Engineering: R: Reports（影响因子 31.6）。
在该研究中，装置浮子的真实运动姿态精确测量成为验证理论模型和结构优化效果的关键实验环节。
二、本文研究方法与装置设计
本文贡献
1.设计了一种圆柱形颗粒基摩擦纳米发电机（CP-TENG）。CP-TENG采用多材料和导电3D打印技术，能够高效地从波浪、潮汐和其他水体运动中收集波浪能。
2.通过模拟和实验优化了装置浮子部分的水动力学模型。本研究基于重心与浮力的平衡机制设计四种不同的浮子模型，并确定了最优的浮子形状。
3.通过实验验证了CP-TENG强大的适应性、卓越的耐用性、波浪能收集能力以及其在持续无线海洋状况监测中的应用潜力。
装置介绍
CP-TENG：采用多材料和导电3D打印技术制造，使用导电聚乳酸（PLA）添加碳纤维（CF）或碳黑来实现导电性。CP-TENG具有多通道结构，每个通道内放置一个经由材料性能测试选出的聚四氟乙烯（PTFE）圆柱，以提高电能输出。整个CP-TENG被封装在一个全封闭的结构中，以保护其免受外部干扰。性能测试中，CP-TENG在防水性、环境稳定性方面表现优秀。波浪能收集应用测试中，CP-TENG作为无线传感器节点的电源，成功实现远距离传输信号，并展现出卓越的耐用性。
CP-TENG装置结构示意图
浮子（float）优化：浮子的外部结构设计为内凹形状，这种设计有助于在波浪中保持稳定，并使得其在波浪中能够产生更大的摇摆角度，从而提高能量收集效率。研究设计了四种不同的浮子模型，并分析了它们在不同波浪条件下的运动性能，并经NOKOV度量动作捕捉系统和波浪水槽实验确定了Model 1作为最优的浮子设计。
四种浮子模型（左）和Model 1的光学照片（右）
三、基于光学动作捕捉的浮子结构优化实验验证
研究团队围绕浮力–重力平衡机制，设计了四种不同外形结构的浮子模型，并通过数值模拟与现实实验相结合的方式进行验证。
计算流体动力学软件AQWA的模拟静水分析模块（上）和NOKOV度量动作捕捉系统下的三种运动状态（下）
在实验阶段，NOKOV度量动作捕捉系统被用于波浪水槽环境下的浮子运动追踪。实验在一个 1.2 m × 1.0 m × 1.0 m、水深 0.6 m 的室内水池中进行，配备额定功率 50 W 的波浪发生器。
现实实验场景（a）和NOKOV度量动作捕捉系统软件界面（b）
通过NOKOV度量动作捕捉系统，研究人员获取了不同浮子模型在多种波浪频率条件下的俯仰运动曲线，实现了模拟数据与真实实验数据的对比验证。
四、实验结果：动作捕捉数据验证模型 1 的最优性
实验结果显示，在不同波浪频率下：
模型 1 的俯仰角稳定在 40°–60°
最大俯仰角分别达到 47.7° 和 64°
明显优于基础模型及其他结构设计
这些结果与计算流体动力学软件 AQWA 的模拟结果高度一致。
NOKOV度量动作捕捉系统提供的高精度姿态数据，直接验证了浮子结构优化方案的有效性，使模型 1 被确定为最终实验采用的最优浮子设计。
五、NOKOV度量动作捕捉在浮子六自由度姿态估计中的应用
在浮子结构优化与波浪能实验验证过程中，研究团队引入 NOKOV度量动作捕捉系统，对浮子模型在波浪环境下的六自由度运动信息进行实时记录。
NOKOV度量动作捕捉系统通过多摄像头协同，获取浮子在实验过程中的位置与姿态数据，尤其重点关注：
浮子俯仰角变化
波浪频率变化下的姿态稳定性
不同浮子模型之间的运动差异
这些高精度姿态数据，为摩擦纳米发电机浮子结构的定量评估提供了可靠实验依据。
六、摩擦纳米发电机波浪能研究FAQ
Q：动作捕捉在波浪能实验中有什么作用？
A：光学动作捕捉可精确获取波浪能装置浮子的姿态与运动数据，为结构优化和理论模型验证提供真实实验依据。
Q：NOKOV度量动作捕捉系统在该波浪能收集实验中具体解决了什么问题？
A：该研究中NOKOV度量动作捕捉系统实时记录浮子六自由度运动，重点监测俯仰角变化，用于验证不同浮子模型的运动性能。
Q：浮子姿态优化研究中为什么需要高精度姿态测量？
A：浮子姿态直接影响摩擦纳米发电机的能量转换效率，高精度测量是确定最优结构设计的关键。
Q：为什么这种高精度运动分析对未来新能源研究重要？
A：随着能源装置走向智能化与精细化，其机械运动与能量输出的关系愈发紧密。高精度运动分析已成为优化设计、提升效率的标准配置工具。
七、参考文献信息与作者简介
该研究由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队完成，并发表于材料科学领域中科院一区顶级期刊。
参考文献：
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.
作者简介：
苏二明，中科院北京纳米能源与系统研究所博士研究生在读。主要研究方向为：摩擦纳米发电机、蓝色能源、高精度3D打印
徐淑星，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所博士研究生在读 。主要研究方向为：摩擦纳米发电机、蓝色能源、自驱动传感
王震宇，中国科学院地球环境研究所副研究员。主要研究方向：摩擦纳米发电机、自驱动传感、智慧物流。环境纳米催化、第一性原理计算
许子颉，中科院北京纳米能源与系统研究所副研究员。主要研究方向：摩擦纳米发电机、智能流体动力学传感系统
潘思妍，中科院北京纳米能源与系统研究所博士研究生在读。主要研究方向：基于流体动力学的摩擦电纳米发电机在环境修复中的应用
曹南颖（通讯作者），中科院北京纳米能源与系统研究所副研究员。主要研究方向：摩擦纳米发电机、蓝色能源、3D打印技术
王中林（通讯作者），中科院北京纳米能源与系统研究所、美国佐治亚理工学院，教授、院士
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