监测深海流速对于深海科学研究十分重要，是理解海底地质结构变化、全球气候趋势及生物群落分布等问题的基础。然而，现有深海流速测量设备普遍存在需要额外电源、低压耐受力不足、测量范围有限等弊端，严重制约了深海观测的精度和广度。特别是在深海极端环境下，传感器不仅要承受巨大水压，还要在微小流速下保持高灵敏度，这对技术的要求极为苛刻。
近年来，摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的能量收集与自供电传感技术，因其成本低、重量轻、效率高且能够有效收集低频机械能等优势，受到了广泛关注。然而，将TENG技术应用于深海流速监测领域，尤其是在实现高灵敏度操作、耐高压结构和长期稳定供电等方面，仍面临诸多挑战。
近日，中国科学院深海科学与工程研究所联合北京工业大学、深圳大学以及日本奈良先端科学技术大学院大学，成功研发出基于摩擦纳米发电机（TENG）技术的全集成自供电、高灵敏度深海流速测量传感器（DS-TENG）。该成果不仅解决了传统深海电流计的诸多限制，如对外部电源的依赖、低压耐受性以及测量范围狭窄等问题，而且实现了深海环境中持续、高精度的洋流监测，为深海研究开辟了新的路径。
图为DS-TENG的设计，展示了基于TENG的完全集成、自供电、超灵敏洋流传感器的爆炸视图
本次研究的特色主要有以下三个方面：
自供电设计。DS-TENG通过摩擦纳米发电机技术，将深海流动能量转化为电能，实现了传感器的自供电。这一设计不仅解决了深海环境下传感器供电难的问题，还降低了设备维护成本，提高了系统的可靠性和持久性。
高灵敏度与宽测量范围。传感器采用柔性TENG结构，结合生物皮毛和聚全氟乙丙烯薄膜作为摩擦材料，有效降低了结构摩擦阻力，提高了灵敏度。同时，通过磁耦合设计和变间距结构，DS-TENG的测量范围达到了0.02至6.69米/秒，比传统传感器扩大了67%，能够覆盖更广泛的流速范围。
强压力耐受力。DS-TENG传感器经过特殊设计，能够承受超过45 MPa的深海压力，确保在极端环境下稳定工作。这一特性使得DS-TENG能够在深海最深处进行长期、连续的流速监测。
在实际应用中，会将传感器安装在遥控潜水器上，科研团队在南海4531米深的极端深海环境下进行了测试，传感器承受的水柱静压超过了45兆帕（MPa），刷新了摩擦纳米发电机基传感器在深海环境中操作的最深记录。测试中，传感器不仅能够实时捕捉并上传数据，还证明了其在不同速度下对细微洋流变化的精确捕捉能力。科研团队通过一系列深海实测验证，展示了DS-TENG在极端深海环境下的稳定性和可靠性，确认了其在深渊带（4000-6000米）的实用性。
图为海上测试平台示意图
基于TENG的自驱动流速传感器由旋杯模块、磁传动模块、TENG模块、信号采集与处理模块以及密封模块等多个模块的构成，传感器可以实现二维方向上全向海流的流速传感，具有响应速度快、测速区间大以及高耐压能力等特点。相关成果已授权国家发明专利一项。
DS-TENG传感器不仅提升了深海流速监测的时空分辨率，还降低了长期监测的成本和复杂性。随着技术的不断成熟和应用推广，有望在海洋资源勘探、环境保护、气候监测等领域发挥重要作用，推动深海科学的深入发展。研究团队表示，未来将继续优化传感器性能，拓展其在深海科考中的应用场景，期待这一技术能够为全球深海科学研究作出更大的贡献。
图左为深海实验以及 DS-TENG 应用的示意图 | 图右为DS-TENG 与遥控潜水器集成的图像
作者信息
杨阳：中国科学院深海科学与工程研究所研究员，博士生导师，“国家优秀青年科学基金”获得者，中国科学院特聘骨干研究员，“海南省领军人才”，IEEE Sensors Journal、lEEE Journal of Oceanic Engineering副主编及客座编辑。先后主持国家自然科学基金-优青项目、国家重点研发计划“海洋环境安全保障专项”、中国科学院“百人计划”、海南省重大科技计划、国家自然科学基金-国际合作与交流项目等重要项目。研发的传感器在海洋环境监测、海洋动物监测、海洋能源收集等领域取得了一系列创新性成果，2021年获全球百大科学技术创新奖。相关成果已授权中/美发明专利10余项，出版Elsevier出版社英文专著一章，在Nature Communications等国际顶尖学术期刊发表SCI论文50余篇。
韩昌报：北京工业大学教授，博士生导师，2012年获得郑州大学凝聚态物理专业理学博士，荣获“河南省优秀博士毕业论文”，2014年英国剑桥大学AIXTRON研发中心进修，2018年入选“北京市青年拔尖人才”，2019年入选“北京市科技新星”人才，目前中国绿色建材产业发展联盟专家委员会委员，北京市光电子学协会委员，湖北省十堰市特聘专家。长期从事纳米材料制备及其在光电子器件、能源与环境等领域的基础和应用研究。自2011年起，在国际学术刊物上发表（含合作）SCI论文100余篇。