在全球变暖和相关气候问题日益凸显的背景下，推动实现碳中和已经成为各国的共识，大力发展清洁能源是实现碳中和的重要途径之一。

海洋能也称蓝色能源，在全球范围内储量巨大，是最有前景的清洁能源之一，其中典型的形式是波浪能。各国广泛研究了基于电磁发电机的波浪能设备，以期实现波浪能发电，然而，这些设备往往结构庞大，对于在我国分布广泛且不规则的微幅水波来说其能量收集效率较低。

摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 的出现为蓝色能源的有效收集开辟了新的技术路线。TENG 具有简单的单元结构，更适应低频激励，大量单元构成的柔性分布式网络可实现大规模的波浪能收集。然而，现有 TENG 结构的设计思路仍主要是基于“确定性”的驱动力 (deterministic driving force)，对于随机低频波浪激励的响应往往是间歇性的脉冲而且输出较低。因此，提高对于不规则波浪的适应性，在混乱的环境中实现高效的能量提取仍是该领域面临的重大挑战。

在微观层面上，生物布朗分子马达可以从混沌但非热力学平衡的环境中提取能量，实现有效的定向运动，表现出对于混乱的作用力 (chaotic force) 的内禀适应性 (intrinsic adaptability)，且常具有很高的效率。这一现象与势能分布 (potential landscape) 中的非对称性有关。由于布朗分子马达的工作环境特性与很多能量收集器件的工作环境具有相似性，其原理对于设计能更好适应混乱环境作用的能量收集器件和系统具有重要的启示。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林/许亮课题组在微观分子系统的启发下，设计了一种可从随机混乱环境中有效提取机械能的摩擦纳米发电机器件。

该器件设计中引入了双重对称性破缺 (dual symmetry breakings)，具体包括手性网络 (chiral network) 结构和具有棘轮效应的单向轴承结构，通过对称性破缺结构将微幅不规则波浪激励转换为外壳的往复摆动，并进一步转化为内部转子的单向转动。

论文中提出了一系列相关的概念，包括手性网络、对称性破缺结构、能量缓存、运动“整流” (motion rectification) 等，为设计能更好适应随机混乱驱动力并从中高效提取能量的能量收集器件提供了基础。同时，由于类型丰富的分子系统对于热力学混乱环境的内禀适应性，从其中学习关于不同尺度下能量收集器件的设计原理可能成为一种新的设计范式。

Brownian motor inspired monodirectional continuous spinning triboelectric nanogenerators for extracting energy from irregular gentle water waves

Huijing Qiu, Huamei Wang, Liang Xu*（许亮，北京纳米能源所）, Mingli Zheng, Zhong Lin Wang*（王中林，北京纳米能源所）

Energy Environ. Sci. , 2023
http://doi.org/10.1039/D2EE03395J

本文通迅作者，中科院北京纳米能源与系统研究所青年研究员，博士生导师，功率器件与蓝色能源课题组负责人。2007 年获华中科技大学学士学位，2012 年获清华大学机械工程博士学位，2015 年加入北京纳米能源与系统研究所，主要从事微纳能源器件、纳米发电机及自驱动系统、海洋能收集及其应用系统、纳米摩擦学等方面的研究工作。在高性能摩擦纳米发电机、波浪能收集器件及网络、纳米摩擦机理等方面取得了一系列重要研究进展。近年来在 Nature Communications, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Matter, ACS Nano 等学术期刊发表 SCI 论文 80 余篇，进入 Elsevier 发布的全球科学家引用榜单前 2%。申请专利 10 余项。主持及参与国家和省部级项目 10 余项。中国机械工程学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员、中国科学院青年创新促进会会员。许亮研究员负责设计、指导并组织了本研究工作。