振动能作为一种常见且丰富的环境能量源，广泛存在于工业设备、人体运动以及自然环境中，如风和海浪。然而，它在实际应用中往往未得到充分利用。有效利用这些环境中的振动能量已成为能量收集技术研究的重要方向。现有的能量收集装置往往受制于体积大、环境适应性和可持续性差，难以满足实际应用的需求。因此，如何在恶劣或复杂的环境中持续收集和转换低频多维振动能量，同时实现紧凑、便携、防水、可持续自充电的能量收集装置，仍然是一个挑战。

近日，武汉大学国世上教授团队提出了一种微型全封闭球形摩擦电电磁混合发电机（MFES-TEHG），该发电机引入了一种用于收集多维低频（≤5 Hz）振动能量的新颖工作机制。与以前的设计相比，它极其容易触发，可以拾取任何微小的振动。该装置有效地收集来自各种环境源的振动能量，包括机械设备的低频振动、人体生物机械能和波能。全封闭球形设计使发电机能够在来自不同方向的振动下稳定运行，并有效地处理极端恶劣环境中不规则和复杂的振动源。此外，通过静电纺丝技术生产的纳米纤维增强了材料的摩擦电性能。为了证明MFES-TEHG在环境振动能量收集方面的能力，成功将120 mAh锂电池在36分钟内充电至3.2 V，为支持各种机械传感器提供稳定的电力，以实时监测设备的运行状况。它还能收集人体运动过程中多方向的振动能量，持续驱动可穿戴生物电子设备监测多种生理参数。此外，它还成功收集波浪能，自主为水环境参数智能监测系统供电。MFES-TEHG 的设计有望为低功耗电子设备提供更高效、稳定的电源支持，推动结构健康监测、智能健康监测和水环境监测等领域的持续发展。相关成果以“A miniaturized fully enclosed spherical triboelectric and electromagnetic hybrid generator for multidimensional low-frequency vibration energy harvesting”为题，发表在《Nano Energy》(期刊号：Nano Energy 142 (2025) 111281  IF=17.1)上。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111281

图1. MFES-TEHG的结构和应用场景。a、MFES-TEHG可开发的能源。b、MFES-TEHG的结构模型及利用静电纺丝技术制备PVA-BaTiO 3 复合纳米纤维膜。c、MFES-TEHG的潜在应用。d、MFES-TEHG的工作过程。

图2. MFES-TEHG工作原理及仿真结果。a,TENG工作原理图。b,TENG不同工作状态下电极电势分布。c,EMG工作原理图。d,磁通密度分布。e,磁通矢量图。f,磁球运动时三个方向绕制线圈中感应电势的仿真结果。g,水平方向不同距离处磁通密度分布。

图3. TENG的输出性能。a，PVA-BaTiO3复合纳米纤维膜的FESEM像及C、O、Ba、Ti元素的EDS谱分析。b，不同材料制备的TENG及PVA-BaTiO3复合纳米纤维膜的开路电压。c，不同材料制备的TENG及PVA-BaTiO3复合纳米纤维膜的短路电流。d，不同振动幅度和频率下TENG的峰峰值电压。e，不同振动幅度和频率下TENG的峰峰值电流。f，阻性负载条件下TENG模块的电压、电流和功率密度输出行为。g，不同电容值下的TENG充电曲线。

图4. EMG 的输出性能。a，EMG 的能量管理电路。b，EMG 的物理图像。线圈在 c、X、d、Y、e、Z 方向产生的峰峰值电压。线圈在 f、X、g、Y、h、Z 方向产生的峰峰值电流。i，EMG 模块在电阻负载条件下的电压和电流输出行为。j，2.2 μF 电容器的充电曲线，线圈在 X、Y 和 Z 方向产生的电能。k，不同电容值下的 EMG 充电曲线。

图5.MFES-TEHG收集机械振动能量。a，通过捕获机械振动能量用于自供电结构安全监测系统的MFES-TEHG概念图。b，三维空间中的振动角度。c，三维空间中的振动速度。d，三维空间中的振动位移。e，三维空间中的振动频率。f，使用收集到的振动能量对120 mAh锂电池进行充电的曲线。g-j，锂电池为GPS模块、振动传感器、LCD模块和智能手机供电的能力。

图6. MFES-TEHG 收集人体运动能量。a，用于自供电智能健康监测系统并捕获人体运动能量的 MFES-TEHG 概念图。b，行走、c，跳跃和 d，摇晃过程中实验者的输出波形。e，行走、f，跳跃和 g，摇晃过程中的短时傅里叶变换图。h，实验者脑电信号采集。i，频率为 20Hz、占空比为 50% 的刺激信号输出波形。j，使用 MFES-TEHG 收集的人体运动能量对 120 mAh 锂电池进行充电的曲线。k-n，锂电池为 tVNS、PWM 模块和脑电传感器供电。

图7. MFES-TEHG收集波浪能。a，MFES-TEHG通过捕获波浪能实现自供电水环境监测系统的概念图。b，水波能量收集平台和MFS-TEHG实物照片。不同波浪c、频率d、振幅下MFES-TEHG的输出电压。e，12小时水质监测过程中温度和ORP f、pH g、TDS变化曲线。h，MFES-TEHG利用波浪能为30mAh锂电池充电的曲线。i-k，锂电池为ORP、TDS和pH传感器供电的能力。

  本文提出的MFES-TEHG系统结合摩擦电效应和电磁感应原理，采用创新的多维线圈布局和优化的电纺摩擦电材料，实现双重发电机制。该系统在各种不规则振动源下均表现出较高的能量收集效率。该系统可有效收集来自各种环境源的振动能量，例如机械设备的低频振动、人体的生物机械能以及波浪能，实现小型化、便携化和可持续的自供电解决方案。实验结果表明，MFES-TEHG系统不仅能为低功耗电子设备提供稳定的电源支持，还能在极端无人值守环境下稳定运行。该系统在结构安全监测、智能健康监测和水环境监测等领域展现出广阔的应用前景。随着智能传感和无线技术的发展，MFES-TEHG有望成为一种绿色、可持续的智能监测自供电系统，为可持续能源技术的推进和应用提供新的动力。