中科院纳米能源所陈翔宇研究员/王中林院士团队《Small》：用于水下能量收集与生物运动行为监测的穿戴式数据监测平台

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研究背景

鱼类行为学是研究鱼类行为规律的一门新兴学科，属于动物行为学的范畴，与鱼类生态学、鱼类生理学和渔业学等具有极为密切的关系。研究鱼类行为可以为运动学、生理学、生态学提供重要见解，为仿生装置、水下智能机器人的设计提供参考，对渔业养殖行业提供指导。此外，水下微能源的收集和利用对于构建水下无线传感网络（UWSN）的研究有着重要作用。目前常用的鱼类行为学检测方法可分视觉分析法和声学法。前者对鱼的干扰小、可监测研究对象的实时动态，但设备成本高，只能在规定视野内对研究对象进行研究；后者水下监测距离长、监测周期长，但存在信号标签易丢失、声波携带的信息量少且具有时滞性的问题。 因此，仍然需要找到一种不同的监测策略，能够在各种水下条件中提供实时、高分辨率的运动能量收集及行为检测。

文章概述

中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和陈翔宇研究员于《Small》期刊上发表了题为“Fish-Wearable Data Snooping Platform for Underwater Energy Harvesting and Fish Behavior Monitoring”的文章。本文首次将纳米发电机装置应用于鱼类运动监测领域。提出了一种可以通过实时无线传感技术来研究鱼类的运动学的可穿戴鱼类运动数据监测平台(FDSP)。FDSP是由气囊式TENG (AS-TENG)、抗菌纳米涂层和无线信号收发模块的组成的，可以实现对鱼类运动的远程监控。 通过使用降低水的屏蔽效应的气囊结构和磁控溅射处理后的PTFE介电薄膜，极大地提高了AS-TENG在水下的输出性能。另一方面，AS-TENG还可以作为一种高灵敏度的运动传感器，其输出电压可以反映鱼尾的实时行为，在无线信号收发模块的作用下将传感数据传输到接收端（如手机），在接收端可以获得鱼类运动的详细参数，包括摆动角度、摆动频率，甚至典型的摆动姿态。此外，FDSP的表面沉积有硅基季铵盐的纳米抗菌涂层，可以提高FDSP的生物相容性。相关的测试实验分别在在3D仿真鱼尾模型和真鱼上进行，结果显示FDSP极大地扩展了TENGs作为可穿戴电子产品在水下的适用性，其在可穿戴跟踪装置、水下机器人和水下无线传感网络（UWSN）的建设等领域具有广阔的应用前景。

图文导读

 
可穿戴鱼类运动数据监测平台(FDSP)结构示意图。a. FDSP的原理、功能和应用场景展示。b. FDSP的结构示意图。c.硅基季铵盐纳米抗菌涂层示意图及d.纳米抗菌涂层的杀菌原理(接触杀菌机制)。 
AS-TENG结构设计及溅射PTFE前后材料的性能表征。 
硅基季铵盐纳米抗菌涂层的制备、表征及杀菌机制和性能

FDSP用于水下鱼类运动检测的信号分析（角度、频率、波形）。
 
基于FDSP的水下无线鱼类运动监测系统示意图及几种特定运动姿势所对应的信号分析。

结论

在本工作中，首次提出了一种基于气囊结构TENG的智能鱼类行为监测平台。该设备集消毒、能量收集、实时运动监测、无线数据传输等多种功能于一体，重点针对水下应用。它采用全封装策略可以有效降低外界环境的干扰，大大提高耐用性和稳定性。柔性气囊结构还提供了适当的浮力，以减少对鱼类运动的阻碍。随着鱼尾的每次摆动，AS-TENG可以提供最高约200V的峰值输出电压，这可以为一些低功耗电子设备供电。AS-TENG可以精确检测鱼尾的摆动和转弯运动，检测到的最小转弯角度可以达到0.5°。与传统的利用图像或声波来研究鱼类运动的方法不同，该FDSP可以在盲视野下实现对鱼类行为的实时、无线监测，类似的设计理念也可以激发在水下机器人、可穿戴跟踪设备和环保传感器等领域的一系列潜在应用。

作者简介

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陈翔宇，研究员，博士生导师。入选北京市特聘专家，北京市青年拔尖人才，北京市科技新星，中科院青年创新促进会。主要从事聚合物功能材料及纳米能源器件的相关研究，包括纳米发电机、固液界面电荷转移机理、智能形变材料与器件、可穿戴传感器件等方向，在Chemical Reviews, Nat Common，Science Advances， EES，Adv Mater，Materials Today，AFM，AEM，ACS Nano，Nano Energy等杂志发表SCI学术论文共50余篇。其中，第一作者(共同一作)和通讯作者的影响因子大于10的文章40余篇。目前作为项目负责人主持国家自然科学基金的青年基金和两项面上基金，主持北京市面上基金，主持中科院青促会项目，科技新星和高创计划。两次作为骨干成员参与国家重点研发计划“纳米科技”重点专项。

原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202107232

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