现代人类文明的发展很大程度上依赖于传统化石能源（煤炭、石油、天然气等）,然而随着社会的快速发展使得传统化石能源急剧短缺。这些不可再生能源被大规模开采利用的同时,也对环境造成了严重的威胁,引起当今社会的普遍关注。除此之外,随着物联网的高速发展,广泛分布的各类传感器件如温度、光、声、气体和化学传感器等深深影响着我们生活的各方面。如果这些传感器必须完全依靠电池供电,这将变得不切实际,因为传感器总量巨大,分布范围广,且难以回收处理,同样造成环境污染。因此开拓新的能源采集技术是世界各国共同关心的问题。摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator（TENG））具有成本低廉、结构灵活、材料选择丰富等优点,从众多能源采集技术中脱颖而出。自2012年以来,TENG的迅速发展引起了从能源到传感器等各领域研究组织的浓厚兴趣,成为当前热门研究领域之一。而其中独立层模式的摩擦纳米发电机同时拥有单电极模式无电极束缚的优势和双电极模式的高输出性能的优势,结构灵活,使用寿命长,能量转化效率高且适用于各种场景而常被用于收集复杂的海洋能量和自驱动传感。本论文以高效收集低频海洋能量和实现高精度自驱动质量传感为目的,研究设计了独立层模式的摩擦纳米发电机用于低频海洋能收集和自驱动质量传感系统构建。主要研究工作如下:（1）设计并制作了一种跷跷板结构的杂化纳米发电机（A teeterboard-like hybrid nanogenerator（THNG））,以收集广泛分布的低频海浪能量。THNG由两部分组成:TENG单元（在跷跷板的一端）和电磁发电机（EMG）单元（在跷跷板的另一端）。得益于此独特的跷跷板结构,通过合理调节TENG单元和EMG单元之间的支点位置,可以大幅度放大EMG单元的振动幅度。即使在轻微的波动或者余波的振动下,EMG单元仍能以较理想的振幅运动,产生理想的电输出,有效提高了EMG单元在低频环境下的工作效率。在0.8 Hz的水波环境下,通过调节支点位置,能够使EMG单元的短路电流从～3 m A增加到～10 m A,开路电压从～0.2 V提高到～2 V。TENG单元采用多层密封半球形结构,在防止外界环境（如温湿度）干扰的同时,还实现了多层配置,提高总输出。每对电极间设置的隔离层把圆管的滚动限制在固定空间内,不仅使得圆管同步滚动,还避免了重心发生严重偏移,因此TENG单元很容易被海浪触发而摆动。在频率为0.8 Hz,角度为27°条件下,获得最大开路电压～780 V,最大短路电流～4μA。THNG可以自动调整方向,收集任意方向的波能量,在水波驱动下成功点亮了242盏LED小灯。此外,THNG可以在18 s内将22μF电容器充电到3 V。并在模拟海洋波浪的环境下可以为雨滴传感器供电,实时监测海上降雨情况。这项工作为高效收集海洋能量提供了新颖可靠的思路。（2）设计并制作了一维欠阻尼运动模式的摩擦纳米发电机用于自驱动质量传感（Mass sensor based on triboelectric nanogenerator（M-TENG））。众所周知,实验室测量质量的天平,精度高,但使用时受到诸多限制,如为了保证测量精度必须精确调平和校正,操作稍有不当极易导致测量误差和仪器损坏。不仅如此,其他常见的测量质量的工具如电子秤、弹簧秤、体重计等,其原理是基于胡克定律或者力的杠杆平衡原理,均不能在完全失重的环境下使用（如太空）。对此,本工作设计了MTENG,该传感器结合振子运动学规律和电学输出特征进行质量传感,不仅精度高,且适用于多种环境下。M-TENG由振子和底部TENG两部分组成。M-TENG的振子在弹簧弹力、摩擦力、空气阻力的作用下做阻尼振动,底部TENG的电输出将反映振子的运动特征。本文中,我们理论分析并推导了振子在三种环境下的运动规律（只考虑空气阻力的作用、只考虑摩擦力的作用、考虑空气阻力和摩擦力的耦合作用）,结果表明,这三种情况下,振子做阻尼振动的准周期只和系统固有特征（振子质量,空气阻力系数）有关。因此,在测量环境固定的时候（即空气阻力一定时）,振子运动的周期可精确反映其质量。为了验证上述理论,我们测试了系统表面粗糙程度、系统倾斜角度、振子释放点位置对M-TENG准周期的影响。结果表明,这三个参数对系统准周期基本没有影响,与理论相吻合。此外,我们还测试了不同质量的弹簧振子对应的准周期的关系,证明了M-TENG可以实现精准的质量传感。由于M-TENG的测量原理是基于弹簧振子运动周期,理论上当它在完全失重环境下工作时,运动准周期仍然能与质量精确对应,因而并不影响其测量效果,这是传统的质量测量仪器所不能实现的。本工作区别于其他基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器,取电信号周期为考察对象,而非电信号幅度,因此测量精度不会受到环境参数如温度、湿度等的影响。此外,M-TENG除了可以实现自驱动质量传感外,还可以用于测量真空度以及检测物体表面是否均匀。