研究背景

　　自然界中下落的水滴蕴含着大量尚未被充分开发的高熵机械能，有效收集并利用这些能量，将为分布式发电系统提供一种极具潜力的新途径。近年来，基于液滴的发电机（Droplet-based electricity generator, DEG）因其对微小的水滴动能输入具有极高的灵敏度而备受关注。传统的DEG通常通过摩擦起电或电荷注入形成预带电表面，当液滴下落在带电表面时，固液界面双电层（Electric double layer, EDL）电容会随着液滴的铺展收缩而产生位移电流来实现发电。然而，DEG在能量转换效率上面临严峻瓶颈，这主要是由于其仅依赖单一的位移电流生成模式，导致整体能量收集效率低下。

　　基于此，华南理工大学物理与光电学院、先进造纸与纸基材料全国重点实验室吴昊教授团队和武汉大学黄兴保副研究员团队合作提出 “共振增强全电流收集（Resonance-enhanced total current collection, R-TC）”策略。基于该策略的液滴发电机由一个集成在柔性悬臂梁上的DEG模块和固定在悬臂梁自由端的电磁发电机（Electromagnetic generator, EMG）模块组成。当水滴撞击并铺展在悬臂梁上时，DEG模块基于固液界面的接触起电原理产生位移电流。与此同时，柔性悬臂梁吸收水滴剩余的动能并发生上下振荡，带动其末端的线圈在外部磁场中往复运动，从而产生传导电流。这种复合策略将位移电流与传导电流叠加，形成了 “全电流”收集机制，有效回收了原本耗散的动能，最终实现了20.4%的能量转换效率。

论文亮点

文章简介

　　R-TC能量收集器的结构和输出图如图1所示。基于共振增强的全电流复合能量收集策略的能量收集器在25℃、45%相对湿度的测试环境下可以实现20.4%的能量收集效率，性能远超以往报道。

图1. R-TC能量收集器的结构设计与输出图

　　作者首先对R-TC的发电原理进行了研究：DEG模块利用水滴撞击FEP表面时的动态铺展和收缩，引起固液界面双电层电容的周期性变化，从而利用位移电流进行能量转换。与此同时，柔性悬臂梁吸收水滴动能发生上下振荡，带动末端线圈在磁场中运动，通过法拉第电磁感应定律产生传导电流。值得注意的是，在自然环境中，DEG模块展现出超240V的电压输出特性，而EMG模块则在共振时实现了0.5mA的电流输出。图2展示了R-TC的发电原理以及各模块的输出电压、电流和电荷。

图2. DEG与EMG模块的发电机制与输出特性

　　作者进一步对EMG模块在液滴下落冲击激励下的动力学行为进行了理论建模。通过引入等效质量法修正的欧拉-伯努利梁方程，研究团队分析了不同薄膜厚度下的杨氏模量及固有振动频率，导出了由器件结构与材料参数所影响的共振模态计算公式（图3），为后续器件的结构设计和优化提供了理论支持。

图3. EMG模块的共振动力学分析

　　在器件性能方面，作者对液滴下落高度、液滴体积、电容充电速率等参数做了系统性表征（图4）。研究结果表明，随着水滴下落高度的增加，输出电压和电流最初会随之升高，并在达到特定高度后趋于饱和。令人兴奋的是，在2cm的最佳下落高度下，器件实现了20.4%的最高能量收集效率。在长达10小时的连续运行测试中，R-TC也展现出优异的耐久性。

图4. R-TC能量收集器的性能测试

　　图5展示了该器件在实际分布式供电场景中的强大应用潜力。研究发现，EMG和DEG分别在100Ω和0.5MΩ的负载电阻下输出最大瞬时功率（约30μW和17mW），这种高输出能力使其能够有效利用水滴机械能驱动外部设备。实验成功展示了该器件点亮了一个20cm×20cm的大型LCD面板、21个并联的小型LCD模块（2cm×2cm），以及125个LED灯泡。

图5. R-TC能量收集器的实际应用展示

总结与展望

　　综上，研究团队设计了一种基于共振增强策略的全电流液滴能量收集器。该器件有效克服了传统液滴发电机因单一能量收集模式导致效率低下的问题。通过采用将位移电流与传导电流相结合的全电流收集策略，并利用悬臂梁的机械共振效应放大能量输出，该器件最终实现了创纪录的20.4%能量转换效率。此外，针对柔性悬臂梁的动力学建模不仅揭示了共振增强机制，也为器件的后续优化提供了坚实的理论支持。同时，研究团队进行了包括直接驱动LCD与LED等电子器件在内的实际应用展示。相信在未来，随着材料改性技术（如表面电荷增强与自清洁涂层）的引入与进一步发展，基于R-TC策略的能量收集器将作为一种高效的分布式能源解决方案，在户外自供电传感节点和智能物联网网络中展现更广泛的应用价值。

论文信息

　　相关研究成果以“Surpassing 20% efficiency in droplet-based electricity generator via resonance-enhanced total current collection”为题发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊《Device》。论文共同第一作者为华南理工大学物理与光电学院硕士生赵冬阳、武汉大学动力与机械学院副研究员黄兴保副研究员，通讯作者为华南理工大学物理与光电学院吴昊教授。

　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2666998626002267

通讯作者简介

　　吴昊，华南理工大学物理与光电学院教授、博士生导师，光电信息科学与工程系主任，先进造纸与纸基材料全国重点实验室青年科研骨干，小米青年学者。博士毕业于荷兰特文特大学MESA+纳米技术研究中心，香港中文大学、香港城市大学博士后。研究方向为微能源器件与智能传感系统。以第一/通讯作者在Physical Review Letters、Nature Communications、 Advanced Materials等期刊发表论文30余篇。研究成果被Nature、Science期刊亮点报道。获授权国内外发明专利20多项。担任InfoMat、Nanotechnology and Precision Engineering期刊青年编委。主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市基础研究计划等多项科研项目。