▲ 中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家王中林院士

▲ 工作人员向记者展示纳米发电机如何发电

▲ 摩擦发电装置结构简单、轻巧，基本元件也都是微米级厚度的薄膜材料，在未来可以被应用于可穿戴设备、便携设备的充电等。

▲ 为避免运动员猝死赛场，国际足联决定在赛场上设置心脏起搏器， 王中林研发的纳米发电机未来就能为心脏起搏器提供源源不断的电力。
 

　　11月14日，位于美国的世界科技联席组织宣布，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家王中林院士成为2014年度材料领域“世界技术奖”的唯一获奖人。他率领团队研发的神奇纳米发电机正是其中的一个关键，有了这种玩意儿，未来纳米机器人将会在我们的血液中畅行无阻，心脏起搏器可以获得源源不断的电力，我们的手机等手持电子设备，从我们自身的运动中就能获得电能。

　　这两年，王中林就像一个布道者。他一直要不停地、苦口婆心地为形形色色的人讲述纳米发电机的奇妙故事。

　　这是一个他带领自己的研究团队最近一些年来一直在撰写的故事。别人不理解，他要用最为浅显的方式让人理解。

　　呈现出一个纳米发电机的世界

　　北京市海淀区学院路，中关村高端人才创业基地大厦的一间实验室中，摆放着多种王中林他们这几年研发出来的纳米发电机模型，王中林不时就要给来访者展示这种全新的能源供给模式。

　　他拿起一个小塑料球，只要轻轻一晃，十几盏LED灯即被点亮;戴上一副手套，双手摩擦、拍打，电流就随之产生了。其中的奥妙就在他们研发的纳米发电机上。

　　这是王中林和他的团队经过无数次思考和实验后才成功设计出的微型发电的机械。

　　在持续多年的众多基础性研究积累之后，王中林思考的问题是，纳米器件的研究和技术应用在不断发展，未来会被广泛应用的纳米机器人也会如此，但是该如何解决他们的供电问题呢?

　　在另一个方面，我们生活的环境中充满了各种各样的能量，例如振动能、形变能、肌肉活动能、化学能、生物能、微风能、太阳能、热能等。数年以前，王中林一直在思考的一个问题是：如果利用纳米技术可以把这些无处不在的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件，这无疑是十分神奇而又有重大价值的事情。

　　就像当年牛顿思考苹果落地最后发现万有引力定律一样，王中林的这种念头不久以后就为我们呈现出一个纳米发电机的世界。

　　2005年9月,王中林和他在美国佐治亚理工学院实验室的博士生宋金会，巧妙地利用竖直结构的纳米材料氧化锌的独特性质，研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置——纳米发电机，这也是当时世界上首次研制成功的纳米发电机。

　　奇妙的是，王中林他们的这一发明可以用来收集人体运动、肌肉收缩、血液流动、声波、超声波等所产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件，从而能够让纳米器件实现能量自供。

　　更重要的是这一纳米发电机竟然能达到17%-30%的发电效率，为自发电的纳米器件奠定了物理基础。

　　这一最新成果随后被2006年4月13日出版的《科学》杂志长篇进行了报道。一些评论认为这一重大发明开启了纳米科学和技术的新篇章。

　　“纳米爸爸”没有退路

　　由于整日沉浸在纳米材料这种微观的世界中，王中林的整个思维也始终在这个世界里缠绕，有时在吃饭、走路的时候，他的思维依旧在这个世界里飞翔跳跃，女儿甚至干脆叫他“纳米爸爸”。

　　对于女儿这种戏谑式的称呼，王中林并不在意，在他看来，这甚至算得上是对他从事纳米研究的一种褒奖。

　　在打开纳米发电机的大门以后，王中林变得更加忙碌，由于经常要在中国和美国的实验室中奔波，寻找他最方便的只能是邮件。王中林在接受记者采访时表示，他的整个后半生，已经全部托付给纳米发电机了。

　　更为重要的是，王中林还必须向科学界做出证明。这些年来，尽管王中林的各种纳米发电机在不断问世，但是业界包括美国科学界的一些业界人士也没有停止对他的怀疑甚至是质疑。他的这个东西将来究竟能不能被广泛应用，离人们的现实生活究竟有多远?时常会遭到一些非议。

　　为此，王中林必须要将纳米发电机产业化做成功，他没有退路。

　　但是王中林一直坚信自己是对的。“纳米尺度发电机的重要性怎么强调都不为过。”王中林给记者打了个比喻：以前，不论多小、多灵敏的器件，都需要附加一个较大尺度的传统电源，好比“蚂蚁拉个大骆驼”。而纤巧的纳米发电机能够让纳米器件不再需要外在的电源，电池也不再需要，无疑将会使电源领域向前迈进革命性的一步。

　　“纳米发电机所产生的电能可以做到足够供给纳米器件或系统所需，从而实现自供能，无线纳米器件也是如此。”王中林说，“这是我在这个研究领域10多年以来最让我激动的发明。”

　　2007年,王中林团队首次成功研发出由超声波驱动的可独立工作的直流纳米发电机。

　　2008年初，王中林团队又研发出可以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发电机。

　　这种发电机被王中林称之为纤维纳米发电机。“让比头发丝还细的纤维丝生长出纳米材料，再通过马达带动长满纳米线的纤维丝相互错动，机械能就能巧妙地转化为电能。穿上这样的“发电衣服”，走路、心跳这样司空见惯的机械运动将来都能用来发电。

　　“只要你能动，就能发电。”王中林这样描述纤维纳米发电的远景。这意味着跑步、走路、心跳等产生的机械能从理论上讲都可以转化为电能，这些被白白浪费掉的能量都可以被利用起来。

　　并且王中林根据第一代纤维纳米发电机原型估算，将来用这样的纤维制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，有可能给一个随身的小型电子设备供电，将来我们再也不用为路途中随身所带的电子设备电源耗尽而烦恼。

　　几乎“通人性”的人工智能应用

　　目前，王中林的科研小组现在还在不断改进设计，重点是提高纤维纳米发电机的输出功率。同时，王中林又开始从更为广阔的收集能源的角度来考虑纳米发电机的发明和应用。

　　其实从2006年开始，王中林团队就已经先后发明了压电式纳米发电机、混合型纳米发电机和摩擦纳米发电机等多种类型的纳米发电机，机械能、风能、水能、热能等多种能量形式都被他们巧妙地利用纳米科技转化成了电能。

　　同在2006年，在纳米发电领域王中林他们开始了几乎“通人性”的人工智能应用的研究。在实验室中，研究人员利用垂直生长的氧化锌纳米线首次制成了压电电子学晶体管阵列并封装成芯片。这种新型芯片由8464个压电电子学晶体管单元构成，除了有“感触能力”外，它柔软、透明，同时晶体管单元密度比同类传感装置提高了300到1000倍。

　　他们的这项研究是一种完全不同的研制思路。“传统晶体管像是一条河，上游和下游是其中两个极，为控制河流流量，就要通过外加电压来控制河的宽度。而我们的新型晶体管则类似于在河流末端设置‘闸门’，通过外力产生的压电电场控制‘闸门’的高度，进而控制河流流量。”王中林对他们的这项研究进行了形象的解释。也正是因为如此，新型晶体管几乎“通人性”，人的任何一举一动，都能转化为它的控制信号。例如采用新型晶体管制成的机械手，其工作方式与人手触觉神经几乎相同，可实现智能探测和传感，掌握用力分寸。

　　近些年，在全球范围内，基于人机接口或者脑机接口的人工智能有不少科学家团队在攻关，尽管人工智能技术随着计算机技术的发展进展迅速，但是由于人工智能精确控制的复杂性，机械手臂一般都比较笨拙，只能完成一些极为简单的抓取或者其他指令性动作，但是实施精确控制还有较高的难度。

　　王中林团队的这项研究则为人工智能的进展提供了一个更高层次的平台，未来这项技术在人工智能领域得到应用以后，不仅会推动我国人工智能的高水平发展，也会给众多的残障人士带来福音。

　　王中林说，新型晶体管距商业化尚存距离，其主要挑战包括与其他系统的集成和优化等，但未来可应用在制造智能皮肤、人造组织和“可透视”电子产品等领域。

　　“这项研究就像第一次造出晶体管、第一次制成集成电路一样，这是一个新生的婴儿，刚刚走出了第一步。”

　　让纳米发电机植入人体

　　这些年，在世界范围内植入式电子医疗设备正变得越来越普及，其中应用最广泛的设备当属心脏起搏器，已经被植入大约400万名病人体内，利用电流刺激保证他们的心脏能够正常跳动。

　　不过电池一直是心脏起搏器等植入式医疗设备的阻碍，每当电力耗尽，病人都需要再次躺到手术台上，开刀更换电池。虽然如今生产的心脏起搏器都装有更成熟的锂电池，并且变得更为智能，只在需要的时候才会放电刺激心脏。但病人还是每隔10至15年就需要换一次电池。20岁甚至更小的病人如果装上心脏起搏器，一生仅更换电池便需要开5至6次刀。这不论从潜在健康风险还是手术所需开支来看都是不小的负担。

　　为了一劳永逸地解决电池问题，研究人员开始将视线转移到人体本身。纳米能源领域未来也许就会发挥重要作用。

　　对每个人而言，人的心脏和肠胃总在不停运动，而运动便会产生能量，例如成年人心脏跳动所产生的机械能量输出可以高达1.3瓦，问题在于如何用一个轻巧而安全的设备有效获取这些能量。

　　2010年，王中林和博士生李舟首次实现了利用纳米发电机回收心脏跳动所产生的电能。同在2014年，王中林和李舟领导的研究小组共同研制了可植入式的自驱动能源系统，而后研究团队将其植入大鼠体内，成功收集并转化了大鼠多个呼吸运动部位所产生的能量，研究人员将其以电能的形式储存起来，并能够驱动一个外接的心脏起搏器原型机工作，产生了与医用心脏起搏器一样的电脉冲。

　　根据理论计算，大鼠每呼吸5次，通过可植入摩擦纳米发电机收集的能量即可成功驱动心脏起搏器工作1次。如果用到人体，仅通过呼吸就能够连续驱动心脏起搏器，使其正常工作。

　　未来，这种供能系统将极大地改善现有电池供能的弊端，延长植入式医疗器件的使用寿命，在植入式医疗领域中具有极大的应用前景。更为重要的是，包括人类在内的各种生物体的各种运动能产生或多或少的能量。

　　以人为例，血液流动产生的能量约为0.93瓦，呼吸也能产生0.83瓦的能量，人行走可以产生67瓦的能量。人体内血压的变化、血液的流动、肌肉的伸缩、肺叶的扩张等等均能带动纳米发电机上细小的纳米线来回弯曲，从而产生电能。而这些电能则可以直接供给植入人体的其他器件，如心脏起搏器或是其他原位探测传感器等。由于能量的来源是人体本身的运动，这种电源无须更换，从而可以降低患者的痛苦和医疗成本。

　　近些年来，纳米机器人成为了纳米科技领域的宠儿，在一些科幻电影大片中经常可以见到纳米机器人的影子，并且这种机器人已经开始出现在一些实验室中，王中林说在微型纳米电池及其运行技术成熟以后，纳米机器人的能源供应也将不再是问题。那个时候，纳米机器人将会自由自在地在我们的血液中穿梭，为我们检查各个器官和其它部件的毛病，并进行各种各样的手术。

　　“摩擦生电”即将改变我们的生活

　　摩擦生电是很多人从小就知道的常识，但摩擦只是产生了电压，没有电流，过去人们一直无法利用。王中林团队研究这个领域也是一次偶然。

　　在相当长的时间里，王中林都一直在做材料研发，在一次失败的试验中他和研究人员偶然发现，两种高分子材料相接触的过程中可以产生电，于是他和研究团队对这个全新的领域进行了研究。

　　在深入的研究中，他们了解到了其中产生电流的奥秘，并在2012年研究出了摩擦发电机以及自驱动传感器。

　　经过反复的研究，王中林的研究团队现在已经研制了包括旋转式直流摩擦发电机、潮汐能收集装置、刹车发电模拟装置等在内的20多件摩擦发电装置。而它的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等很少被人们注意过的随机能源，甚至车轮的转动、机器的轰鸣等也可以转化为电力。

　　王中林说，摩擦发电装置结构简单、轻巧，基本元件也都是微米级厚度的薄膜材料，在未来可以被应用于可穿戴设备、便携设备的充电等。此外，摩擦发电装置还可被用做终端传感设备，实现传感设备自给自足。

　　这几年，物联网发展迅速，但是由于探测器或者监测器必须要提供外来的电源，让其布置受到很大的限制。有了纳米发电机以后，物联网的前端就可以截然不同：纳米发电机安在监测器或者探测器上，就不需要另外给它们提供电源了，它们就可以布局到更为广阔的空间，树上、山岩上、水体中或者土壤中……完全可以根据需要进行位置和数量的布局，这将极大地促进物联网应用的发展。

　　另外，我们也可以把刹车发电装置应用到汽车上，这时候产生的电能可以提供给车内使用。由于刹车时产生的摩擦力更大，也可以提供给汽车尾灯使用，这将显著降低汽车的油耗水平。我们甚至可以将摩擦发电机安装到鞋子上，脚部对鞋底的按压或腿的晃动等动作就会通过摩擦发电机转换成电流。

　　然而，要实现纳米发电机的实际应用仍有一段很长的路程。必须首先开发多根纳米线同时不断地输出功率的关键方法和技术，要探索纳米线的疲劳和寿命问题，以及解决纳米发电机和生物体的相互作用等。好在是，现在王中林不再是纳米发电机领域孤独的独行侠，他已经有了一个越来越强大的团队。■