2024年8月2日，beat365手机官方网站力学与工程科学学院陆泽琦副研究员与合作单位团队在国际著名期刊《Nature Communications》(IF=16.6)上发表题为“Ocean wave energy harvesting with high energy density and self-powered monitoring system”的研究成果。beat365手机官方网站为第一单位，beat365手机官方网站力学与工程科学学院陆泽琦副研究员为第一作者及共同通讯作者，北京理工大学付海岭教授为共同通讯作者，论文合作作者还包括beat365手机官方网站力学与工程科学学院陈立群教授、丁虎研究员、赵龙博士生，英国皇家科学院院士及其银质奖章获得者、英国帝国理工大学Eric Yeatman教授。
构建海洋物联网需要一个必不可少的海洋环境监测系统。然而，现有的广泛分布的海洋监测传感器使得通过电缆提供电力和传输监测信息变得不切实际。因此，海洋环境监测系统特别需要持续的电源和无线传输能力来监测信息。团队通过材料、结构和信号传输的集成动态匹配优化，设计了一种高强度、环境多兼容、可漂浮的超材料能量收集装置。自供电监测系统突破了电缆和电池在超低频波环境（1至2 Hz）中的局限性，能够实时监测各种海洋参数，并将数据无线传输到云端进行后处理。与海洋环境中的太阳能和风能相比，基于超材料缺陷态特性的能量收集装置实现了高能量密度（81 W/m3）。首次实现了监控系统在各种天气条件下（24小时）的稳定供电。
本研究开展了用于高效收集海浪能量的非线性电磁局部共振超材料设计和实验。这种超材料在能量收集谐振器中加入了滚动磁球，使其能够在球形腔内自由运动。这种独特的设计能够将各个方向的波浪能转化为电能，同时受波浪方向的影响最小。通过将滚球电磁能量谐振器嵌入超材料板，将能量收集缺陷引入到人工周期阵列结构中。这种缺陷提高了波浪能收集的效率，使超材料特定区域内的海浪能能够集中在能量收集装置上。研究结果表明，超材料的缺陷态特性有助于高效地收集波能，即使在短波激励下也会产生感应电压。此外，通过输出功率和充/放电测试验证，能量收集超材料装置在将波能转化为电能方面表现出有前景的性能。
除了材料设计和实验验证外，本研究还有助于所提出技术的实际应用。该研究包括利用能量收集超材料开发自供电海洋环境监测系统。现场应用测试证明了该系统在现实世界条件下的有效性，自供电监测系统成功地实时传输了海洋环境信息，包括温度、pH值和盐度。该系统依靠收集的波浪能为其运行提供电能，展示了可持续和自主的海洋环境监测网络的潜力。这项研究为高密度能量收集超材料与实际应用的整合提供了宝贵的见解，为利用海洋能进行环境监测提供了一种新方法。（撰稿：陆泽琦）
本研究获得国家自然科学基金（Nos. 12272210; 11872037; 11572182）的资助。全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50926-5。论文索引信息：Lu, ZQ., Zhao, L., Fu, HL.,Yeatman, E., Ding, H., Chen, L. Ocean wave energy harvesting with high energy density and self-powered monitoring system. Nat Commun 15, 6513 (2024).
