随着世界工业化的快速推进，对能源的需求将持续增加，故需开发可再生能源来减少对化石燃料的依赖。目前，水能在可再生能源中占有重要地位，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。因此，直接俘获水流动能，实现在低流速、浅水域环境下的零水头发电成为一种有效的策略。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。

中科院北京纳能所王中林院士、程廷海研究员联合武科大朱建阳副教授提出了具有仿生鱼状结构的3D全封闭摩擦纳米发电机（FE-TENG），用于俘获水流动能，实现了在低流速、浅水域环境下的零水头发电。通过对FE-TENG进行了有限元仿真分析，证明了仿生鱼状结构设计是合理的。然后，分别探究了其在不同外界激励条件和不同模拟水流流速环境下的发电性能。在实际应用中，由于采用3D全封闭设计，FE-TENG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。

FE-TENG由摩擦发电单元、仿生鱼状结构和连接单元组成，实现了在低流速、浅水域环境下的零水头发电。此外，还从实验和理论两个方面研究了外部激励对电性能的影响。实验结果表明，在频率为1.25 Hz的模拟摆动状态下，FE-TENG可以产生开路电压520 V、短路电流4.3 μA、转移电荷340 nC，峰值功率密度可达7 W/m³。为探究水流环境下的输出性能，在流速为0.81 m/s的水流冲击下可产生150 V、1.3 μA、140 nC的输出以及0.36 W/m³的峰值功率密度。由于FE-TENG采用3D全封闭设计，可在水中连续浸泡35天无输出性能下降，展现出了良好的水浸耐久性，并展示了在水流环境中长期服役的潜力。因此，FE-TENG可在偏远地区以及其他难以使用电池和传统电源的区域开辟新的应用。

图1 仿生鱼状结构的3D全封闭摩擦纳米发电机（FE-TENG）示意图：（a）FE-TENG在河流中的应用概念图；(b) FE-TENG的结构和材料；(c) FE-TENG和三种不同长度仿生鱼鳍的照片。

图2 FE-TENG的工作原理：（a）半个周期内的不同工作状态；（b）摩擦发电单元的电荷转移过程；（c）利用COMSOL Multiphysics软件分析的电势分布。

图3 FE-TENG在模拟摆动状态下的输出性能：（a）左倾斜状态（LTS）、中间平衡状态（IES）和右倾斜状态（RTS）在一个周期内的工作过程和（b）FE-TENG的摆动角度；（c）固定60°的摆动角度，摆动频率从0.50Hz变化至2.00 Hz条件下的输出性能；（d）固定1.25 Hz的摆动频率，摆动角度从15°变化至105°条件下的输出性能。

图4 不同仿生鱼鳍相对位置下的输出性能研究：（a-c）仿生鱼鳍的相对位置分别为H₁= −5 mm、H₂= 5 mm和H₃= 15 mm条件下的输出性能；（d）负载电阻为1000 MΩ条件下的平均输出功率以及（e）仿生鱼鳍在各个相对位置、不同流速状态的摆动频率。

图5 不同仿生鱼鳍长度下的输出性能研究：（a-c）仿生鱼鳍长度为L₁= 30 mm、L₂= 50 mm和L₃= 70 mm条件下输出性能；（d）负载电阻为1000 MΩ条件下的平均输出功率以及（e）仿生鱼鳍在各个不同长度、不同流速状态的摆动频率。

图6 FE-TENG的电学性能与应用：（a）FE-TENG在90 s内对4.7 μF至47.0 μF的电容器进行充电测试；（b）负载电阻范围为0.2 MΩ至3000 MΩ条件下的输出功率密度；（c）FE-TENG在35天内的水浸耐久性测试；FE-TENG可为（d）温湿度计或（e）67个LED灯珠供电。

程廷海 教授、博士生导师，现为中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员、智能结构与系统实验室负责人。主要开展微纳能源收集与利用、自驱动传感与系统和精密压电驱动与控制方面的研究，提出了系列机械模式摩擦纳米发电机的设计思想，研制开发出多种原理与类型的摩擦电式机械运动传感器，取得了一些国内外较有代表性的研究成果，积极推进摩擦纳米发电机在工业领域特别是机械行业的应用与发展。在Advanced Energy Materials、Nano Energy、ACS Nano、IEEE Transactions on Industrial Electronics等国际杂志上发表较高水平学术论文60余篇，主持科研项目多项。

朱建阳 副教授、博士生导师，现为武汉科技大学机械自动化学院副教授、湖北省楚天学子。2014年博士毕业于哈尔滨工业大学。研究方向为自驱动传感技术、低速流动能量捕获技术、微型扑翼飞行器等。在Energy、European Journal of Mechanics/B Fluids、Sustainable Energy Technologies and Assessments等国际期刊上发表学术论文20余篇，授权国家发明专利三项，主持国家自然科学基金面上和青年各一项，参与军工横向项目多项。

王中林 国际顶尖纳米科学家、能源技术专家，中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士，台湾中央研究院院士，佐治亚理工学院终身教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院首任院长。根据谷歌学术2021年3月最新数据，王中林院士在纳米领域H指数达256，论文的总引用数超27万次，排在纳米领域世界第1名和材料学领域前列，2021全球十万名科学家综合排行榜位列第4位（中国科学家唯一进入前100名）；他累计获得了国际能源与环境领域最高奖埃尼奖（2018年，被誉为“能源领域诺贝尔奖”），“阿尔伯特.爱因斯坦世界科学奖”（2019年，获此领域性最高奖的首位华人科学家）等20余项国际学术/讲座奖。

Zhaoxu Jing, Jiacheng Zhang, Jianlong Wang, Mingkang Zhu, Xinxian Wang, Tinghai Cheng^*, Jianyang Zhu^* & Zhong Lin Wang^*. 3D fully-enclosed triboelectric nanogenerator with bionic fish-like structure for harvesting hydrokinetic energy. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4131-y.

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