近日，船舶电气工程学院青年教师杜宇在海底原位能量采集领域取得研究进展。相关研究成果以“Mechanical self-adaptive porous valve relying on surface tension for energy harvesting from low-flux bubbles”为题发表于Nature子刊《Nature Communications》。杜宇为论文通讯作者，我校为第一通讯单位。

图1 Nature Communications期刊官网论文截图

海上交通运输和水下航行探测均离不开立体化海洋信息的原位实时感知，海底观测网在信息原位实时感知和获取中发挥着不可替代的作用。对于海底长期原位实时传感观测设备而言，电力供应问题始终是一个关键难题。直接从水下设备所处的海洋环境中获取能量有望解决海底原位供电难题。尽管海洋中的原位能源种类丰富，如波浪能、潮汐能、洋流能、温差能、盐差能等，但这些常规的海洋能源均局限于海洋浅层或特定海域，难以供给深海海底的原位传感装置。从海底气泡（如底栖植物光合作用或海底甲烷渗漏产生的气泡）中收集能量，是解决海底环境感知设备原位供电难题的一个极具前景的方案，但实际海底环境中超低的气体通量给气泡势能的采集和利用带来了极大的挑战。

针对海底超低通量气泡能量难以被有效收集的问题，该团队提出了一种力学自适应多孔阀气泡无源控制方案。如图2所示，这种多孔阀被设计成一种兼具自适应力学特性和高透气性的无源多孔界面力学结构。它通过控制气泡自动累积和高速释放来提高超低通量气泡能量采集性能。与传统有源力学超材料的流体调控机理完全不同，这种无源多孔界面力学结构依靠特殊设计的锥形毛细孔阵列诱导孔内的弯曲气液界面自动变形，实现气泡的自动累积和释放，它无需材料结构自身变形，因此不消耗任何能量。力学分析表明，依靠表面张力作用，经过亲水处理的多孔结构，其锥形毛细孔阵列内部的弯曲气液界面产生了随液体压强差自适应变化的拉普拉斯压差。阈值特性实验证明，在多孔阀达到开启阈值前，拉普拉斯压差随液体压差同步增长阻止了气泡的释放，使低通量的气泡被持续累积。在气体累积量达到多孔阀的开启阈值后，拉普拉斯压差迅速减小，以正反馈的方式促进气体从众多毛细孔中高速释放。这种力学自适应多孔阀具有与其结构孔径大小成反比的稳定开启阈值。

图2 力学自适应多孔阀的应用场景、结构和力学原理

a.力学自适应多孔阀应用于海底气泡能量采集系统的概念图

b.多孔阀的整体结构和剖面结构

c.多孔阀内部的界面力分析

d.液体表面张力作用下的界面力学自适应动态调节

气泡能量采集实验证明，基于多孔阀的气泡能量采集装置的瞬时进气速率高达1.517 L/min，比无阀装置提高了两个数量级，比水生植物光合作用释放气泡的气体通量提升了四个数量级。高进气速率使气泡上升管道内的流型由低速泡状流变为高速的弹状流，并使涡轮发电机的转速提高到无阀装置的6.5倍。与无阀的气泡能量采集装置相比，采用多孔阀的装置最大输出功率和产电量分别提高了36.6倍和16.4倍。气泡能量采集装置的输出能量密度（从单位体积气泡中获取到的电能）达到了11.44 mJ/L，是现有气泡能量发电机（Science Advances, 2022, 8(25): eabo7698）的6.7倍。论文还通过能量转换过程的理论推导结合定量实验，揭示了气泡累积和高速释放过程提高能量采集效率的根本物理机制：气泡累积释放行为增大了能量采集系统的转速通量系数，这是一个与气泡能量采集装置输出能量密度成正比的关键物理参数。这意味着在进入装置管道的气泡总体积一定的条件下，通过缩短进气时间来提高进气速率能够显著提升装置的产电量。如图3所示，基于力学自适应多孔阀的水下气泡能量采集装置能够从水生植物光合作用释放的超低通量（28 μL/min）气泡中有效收集能量，并产生电能提供给水下温度传感器。

图3 光合作用产生的超低通量气泡的能量采集和利用

a. 多孔阀下方超低通量光合气泡的产生和累积过程

b.气泡释放前后储能电容器的电压变化

c.利用收集到的气泡能量驱动一个带有温度显示模块的水下温度传感器

这种力学自适应多孔阀通过将超低通量的气泡累积后高速释放，突破了流体能量采集装置启动工作的阈值壁垒，实现了以水生植物光合作用气泡为代表的水下超低通量气泡能量的有效收集，并有望用作无源的水下气体通量检测装置。这种依靠表面张力的无源多孔界面力学结构为力学材料和器件的开发开辟了一种无源的设计思路，为广泛分布于海底的超低通量气泡能量的高效收集提供了有前景的解决方案，有望为海底分布式自供能传感和深海自主探测提供可靠的原位能源。

研究成果由船舶电气工程学院杜宇讲师、范云生教授、刘志晨副教授与上海交通大学自动化与感知学院李平教授、文玉梅教授合作完成。

杜宇，大连市引进高层次人才（青年才俊），长期从事能量采集与自供能传感领域的研究，荣获教育部高等学校仪器类专业教学指导委员会2019年度、2023年度“叶声华奖学金”（全国每年评选10位获奖者）、2025年测量控制与仪器仪表领域全国优秀博士论文奖（中国仪器仪表学会颁发，全国本年度仅6篇博士论文获此奖项），主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项、中国博士后科学基金面上资助1项。本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

论文信息：Yu Du*, Ping Li, Yumei Wen, Yunsheng Fan, Zhichen Liu. Mechanical self-adaptive porous valve relying on surface tension for energy harvesting from low-flux bubbles. Nature Communications, 2025, 16, 11544.（https://doi.org/10.1038/s41467-025-66500-6）