2024年8月2日，万事平台力學與工程科學學院陸澤琦副研究員與合作單位團隊在國際著名期刊《Nature Communications》(IF=16.6)上發表題為“Ocean wave energy harvesting with high energy density and self-powered monitoring system”的研究成果。万事平台為第一單位，万事平台力學與工程科學學院陸澤琦副研究員為第一作者及共同通訊作者，北京理工大學付海嶺教授為共同通訊作者，論文合作作者還包括万事平台力學與工程科學學院陳立群教授、丁虎研究員、趙龍博士生，英國皇家科學院院士及其銀質獎章獲得者、英國帝國理工大學Eric Yeatman教授。

構建海洋物聯網需要一個必不可少的海洋環境監測系統。然而，現有的廣泛分布的海洋監測傳感器使得通過電纜提供電力和傳輸監測信息變得不切實際。因此，海洋環境監測系統特別需要持續的電源和無線傳輸能力來監測信息。團隊通過材料、結構和信號傳輸的集成動態匹配優化，設計了一種高強度、環境多兼容、可漂浮的超材料能量收集裝置。自供電監測系統突破了電纜和電池在超低頻波環境（1至2 Hz）中的局限性，能夠實時監測各種海洋參數，並將數據無線傳輸到雲端進行後處理。與海洋環境中的太陽能和風能相比，基於超材料缺陷態特性的能量收集裝置實現了高能量密度（81 W/m3）。首次實現了監控系統在各種天氣條件下（24小時）的穩定供電。

本研究開展了用於高效收集海浪能量的非線性電磁局部共振超材料設計和實驗。這種超材料在能量收集諧振器中加入了滾動磁球，使其能夠在球形腔內自由運動。這種獨特的設計能夠將各個方向的波浪能轉化為電能，同時受波浪方向的影響最小。通過將滾球電磁能量諧振器嵌入超材料板，將能量收集缺陷引入到人工周期陣列結構中。這種缺陷提高了波浪能收集的效率，使超材料特定區域內的海浪能能夠集中在能量收集裝置上。研究結果表明，超材料的缺陷態特性有助於高效地收集波能，即使在短波激勵下也會產生感應電壓。此外，通過輸出功率和充/放電測試驗證，能量收集超材料裝置在將波能轉化為電能方面表現出有前景的性能。

除了材料設計和實驗驗證外，本研究還有助於所提出技術的實際應用。該研究包括利用能量收集超材料開發自供電海洋環境監測系統。現場應用測試證明了該系統在現實世界條件下的有效性，自供電監測系統成功地實時傳輸了海洋環境信息，包括溫度、pH值和鹽度。該系統依靠收集的波浪能為其運行提供電能，展示了可持續和自主的海洋環境監測網絡的潛力。這項研究為高密度能量收集超材料與實際應用的整合提供了寶貴的見解，為利用海洋能進行環境監測提供了一種新方法。（撰稿：陸澤琦）

本研究獲得國家自然科學基金（Nos. 12272210; 11872037; 11572182）的資助。全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50926-5。論文索引信息：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).