随着物联网和大数据时代的到来,建造智能船舶成为航运发展的必要趋势。智能船舶的建造和实现需要对船舶实施全方位实时动态监测及预警。因此,需要数以万计的例如温度传感器、湿度传感器及振动传感器等各类传感器对船舶运行状态及环境状态进行监测。然而,由于船舶结构的复杂性和特殊性造成的安装限制和有限的电池使用寿命可能带来的续航/供电问题与环境问题,这些传感器的大规模应用受到了极大的限制。然而,在船舶航行中,有大量的诸如振动之类的机械能无法得到有效利用,这些能量理论上可以转化为电能并为船用传感器供电。如何将船舶环境中的能量收集储存并为传感器供电,对于船用传感器来说,可能是解决供电难题的一种有效方案。自2012年摩擦纳米发电机问世以来,以麦克斯韦位移电流为理论,利用摩擦起电和静电感应耦合作用,摩擦纳米发电机可以将环境中的机械能转化为电能,用来驱动微型电子器件,在物理学、化学、生物医学和电子学等领域得到了广泛应用。由于其具有高输出性能、可采集低频能量和易于制备的特点,摩擦纳米发电机已经被证明能够用于能量采集和信号监测。本文基于独立层式摩擦纳米发电机原理提出了一种应用柔性电极基底的仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机,可以用于船舶振动能采集和船舶振动监测。通过研究仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机工作原理,从而建立摩擦纳米发电机V-Q-x关系方程,探索可能影响该摩擦纳米发电机发电特性的因素,并进行实船适应性测试。主要研究内容与结论如下:首先,本文通过理论和实验分析,设计了仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机,并进行了相关实验,验证了该摩擦纳米发电机非共振系统的优势,即良好的宽频输出特性。其次,本文探索了影响仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机输出性能的相关因素,例如振动方向、振动频率、振幅、加速度和电极间距等。实验结果表明,振动方向和电极间距对输出性能的影响较小。而当加速度和振幅超过一定值后,输出性能会迅速提升至稳定输出区域,定义该加速度和振幅状态为临界能量边界,用来指示仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机输出起始条件。再次,本文通过实验验证了仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机能够将机械振动能转化为电能的可行性,可以直接点亮近230盏LED灯,或者通过相应的电路管理模块,为传感器供电使用,都取得了良好的实验效果。在振幅2 mm、频率25 Hz的实验条件下,平均开路电压为110 V。在外部负载为300 MQ时,其最大瞬时输出功率可达2.5 mW,功率密度也达50 W/m3。此外,还通过长时间实验测试证明了装置具有良好的稳定性和耐用性。最后,本文结合商业传感器的实验结果分析,验证了仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机输出电信号与输入的信号一致性。继而,本文将设计的摩擦纳米发电机装置放置于大连海事大学校船“育鲲”轮柴油发电机处进行实船适应性实验,取得了理想的成果。在柴油发电机正常工作状态下,该装置实现了振动能和振动信号采集,其输出开路电压Voc与短路电流ISc分别可达70 V和1.7 μA,分析得到的振动频率为约为33 Hz,这与机器正常工作时振动的频率基本一致。这也验证了本文设计的仿生蜂窝结构式摩擦纳米发电机不仅能够作为振动能量采集器,而且还能够作为振动频率监测传感器使用,用于监测机器运行过程中的异常振动,以便提供预警从而预防事故发生。