海洋占地球表面的大部分，是可持續人類發展所需資源的寶貴儲備。除了豐富的海洋生物多樣性和壯麗的景觀外，它還蘊藏著巨大的可再生能源提取潛力，為解決能源短缺、環境污染和氣候變化等全球性緊迫問題提供了有希望的解決方案[1]、[2]。在各種形式的海洋能源中，波浪能因其高能量密度、廣泛的地理分布和最小的環境影響而受到廣泛關注。這些優勢使波浪能轉換成為向低碳經濟轉型和實現全球碳中和目標的關鍵技術[3]、[4]、[5]。

迄今為止，波浪能采集技術主要使用了幾種類型的能量轉換器將波浪運動轉化為電能，包括電磁發電機（EMGs）[6]、[7]、[8]、壓電納米發電機（PENGs）[9]、[10]、[11]、摩擦電納米發電機（TENGs）[12]、[13]、[14]以及混合發電機[15]、[16]、[17]。特別是混合發電機因其集成了互補的轉換機制而受到關注，這些機制協同作用，提高了整體能量轉換效率并適應了變化的波浪條件。為了應對海洋波浪的不規則和往復特性，最近提出了許多結構設計來增強能量捕獲性能。代表性的波浪能采集器結構包括帶有內部可移動質量塊的球形裝置[18]、[19]、浮動接觸振動裝置[20]、旋轉能量轉換裝置[22]、[23]和慣性擺錘裝置[24]、[25]。其中，球形和浮動接觸振動裝置通常以其低阻尼系數、相對簡單的設計和高環境適應性而著稱。例如，李等人開發了一種磁懸浮混合發電機，利用懸浮磁鐵作為振蕩器，驅動TENG接觸分離和EMG工作，從而高效地將低頻波浪能轉化為高頻電能[26]。王等人開發了一種雙浮子結構的波浪能發電機，通過波浪驅動引起的內部和外部浮子之間的相對運動將機械能轉化為電能[27]。然而，這些設計在波頻低于0.5赫茲時經常表現出功率輸出不足和能量轉換效率低的問題。此外，旋轉能量轉換裝置采用旋轉獨立的滑動摩擦層從低頻波浪輸入中生成高頻輸出。張等人提出的一種自適應旋轉摩擦電納米發電機是一個代表性的進步，它使用復合擺錘和功能齒輪組將任何振蕩轉化為定向旋轉運動，在低頻下實現頻率提升和功率輸出改善[28]。然而，這種旋轉盤結構通常受到較大的滑動阻力影響，降低了其在往復波浪運動下的響應性和能量收集效率。同樣，質量擺錘結構旨在利用振蕩波浪運動，但它們受到有限頻率帶寬、對變化波浪條件的響應緩慢以及輸出功率不穩定的限制。例如，張等人開發了一種帶有質量擺錘結構的混合發電機，在超低頻波浪激勵下可以向任意方向擺動，從而驅動TENG和EMG發電[29]。值得注意的是，將質量擺錘的寬帶能量采集特性與旋轉結構的頻率提升效果相結合是一種有效的策略，可以增強波浪能發電的性能。這種配置不僅可以通過運動轉換實現頻率提升輸出，還可以利用質量擺錘的慣性響應來提高設備對不規則波浪的適應性，從而改善響應遲滯并提高輸出穩定性。

基于此，本研究提出了一種基于超潤滑滾針軸承的慣性擺動方向旋轉運動轉換策略，并開發了一種具有擺錘觸發和軸承切換結構的頻率提升型混合發電機（FBHG），其中兩個定向旋轉TENGs和一個擺動EMG被巧妙地集成到同一個運動源上。FBHG的創新結構設計顯著提高了輸出頻率并延長了旋轉持續時間，使其最小有效連續工作頻率達到了0.04赫茲。經過結構優化后，旋轉TENGs和EMG的峰值電壓分別為261伏/252伏、9.5微安/9.5微安和1.26毫瓦/1.17毫瓦/112毫瓦。TENGs能夠同時點亮480個LED，而EMG成功為四個5瓦的燈泡供電。此外，基于FBHG并配備三通道標準化電源管理電路的自供電系統被開發出來，可以作為可靠的電源，連續運行TDS傳感器和基于藍牙的溫度濕度傳感器，展示了FBHG在超低頻波浪能量采集和自供電環境監測中的可行性和實際潛力。