將納米發(fā)電機裝入身體，為心臟起搏器提供動力；將它裝進鞋墊，把走路的能量轉(zhuǎn)成電能為手機充電…來聽納米發(fā)電機之父王中林的故事。

文/記者 李鵬 編輯/陳永杰

新媒體編輯/呂冰心 供圖/視覺中國

▲王中林和他納米器件（圖片來源：NSF.gov）

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納米技術(shù)（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。

拿起一個小塑料球，輕輕用手一晃，十幾盞LED燈就被點亮了；戴上一副手套，雙手摩擦摩擦，或者是拍打拍打，電流就隨之產(chǎn)生了。

這不是神話，也不是傳奇。這是這些年來中國科學(xué)院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所創(chuàng)始所長王中林抒寫出來的科學(xué)故事。他首次發(fā)明了納米發(fā)電機和自驅(qū)動納米系統(tǒng)技術(shù)，被譽為納米發(fā)電機之父。

30多年來，王中林已經(jīng)發(fā)表論文1500余篇，包括55篇在《自然》《科學(xué)》及其子刊上發(fā)表的文章；根據(jù)Google Scholar的統(tǒng)計，截至目前王中林的論文被引用次數(shù)已經(jīng)超過20.6萬次，他關(guān)于氧化鋅納米帶的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)》上的文章，也成為十多年來全世界材料領(lǐng)域引用最多的論文之一，單篇引用超過5500次。

現(xiàn)在王中林和他的團隊正在想辦法讓他們的科學(xué)故事變成我們生活的一部分。產(chǎn)業(yè)化之路艱辛，但王中林堅信，隨著技術(shù)的不斷成熟，這樣的夢想就會不斷成為現(xiàn)實。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

世界納米能源領(lǐng)域的領(lǐng)先者

王中林和他的研究有多厲害，最近的一份榜單可以窺斑見豹。近期，斯坦福大學(xué)John P.A. Ioannidis教授帶領(lǐng)的團隊提供了一份科學(xué)家排名榜。他們使用了一個綜合了6個引用指標的打分，從近700萬科學(xué)家里挑出了世界前10萬名科學(xué)家，進入榜單前200名的科學(xué)家中，王中林位列第15位，也是唯一進入前200名的中國科學(xué)家。

6月14日，2019年度阿爾伯特·愛因斯坦世界科學(xué)獎揭曉，王中林憑借在微納能源和自驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域的開創(chuàng)性成就，斬獲這一世界性的大獎，成為首位獲此殊榮的華人科學(xué)家。

▲在2008年這期《科學(xué)美國人》上，王中林首次提出self-power這一概念。

這是以偉大科學(xué)家愛因斯坦的名字命名的著名的世界性科學(xué)大獎，由世界文化理事會設(shè)立，每年頒發(fā)一次，目的是表彰和鼓勵世界科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重大研究進展，獎項授予為人類帶來福祉的杰出科學(xué)家。

該獎獲獎人由來自50個國家和地區(qū)的124位世界著名科學(xué)家組成的跨學(xué)科委員會選出，委員會成員包括25名諾貝爾獎得主。該獎項從1984年開始每年頒發(fā)1次，每次獲獎人數(shù)僅為1人，之前已有30多位科學(xué)家獲得此獎項。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

此前的2018年7月23日，王中林剛剛獲得另一項國際大獎——第十一屆埃尼前沿能源獎，以表彰他首次發(fā)明納米發(fā)電機、開創(chuàng)自驅(qū)動系統(tǒng)與藍色能源兩大原創(chuàng)領(lǐng)域，并把納米發(fā)電機應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境保護、人工智能等新時代能源領(lǐng)域所做出的先驅(qū)性的重大貢獻。王中林是迄今為止獲得 埃尼獎的第一位華人科學(xué)家。

▲納米發(fā)電機原理圖

除了研發(fā)納米發(fā)電機，他還是壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)兩大學(xué)科的奠基人，他首次提出并發(fā)展了自驅(qū)動系統(tǒng)，他將納米能源推廣為新時代的能源——即物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)時代的分布式移動式能源。這一應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)時代的新能源技術(shù)，將開啟人類能源模式新篇章，為微納電子系統(tǒng)發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)能源自給和自驅(qū)動提供了新途徑。

這些年，王中林領(lǐng)導(dǎo)下的中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所因擁有原創(chuàng)的理論、原創(chuàng)的學(xué)科、原創(chuàng)的技術(shù)，也成為世界納米能源與自驅(qū)動系統(tǒng)研究領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。

業(yè)界認為，授予王中林埃尼前沿能源獎和阿爾伯特·愛因斯坦世界科學(xué)獎，這是對他多年來所開創(chuàng)的基于納米發(fā)電機的納米能源與自驅(qū)動傳感領(lǐng)域的最大國際認可，也是對他的研究成果在能源與環(huán)境技術(shù)應(yīng)用方面的最高的權(quán)威性認定。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

為心臟起搏器提供永久動力

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，這些年在世界范圍內(nèi)植入式電子醫(yī)療設(shè)備正變得越來越普及，它們或用于治療單靠藥物無法解決的病癥，或?qū)崟r檢測血糖、心率等健康指標。這里面應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，就是心臟起搏器，自發(fā)明以來其已經(jīng)被植入大約 400 萬名病人體內(nèi)，利用電流刺激保證他們的心臟能夠正常跳動。

不過電池一直是心臟起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備的阻礙，每當(dāng)電力耗盡，病人都需要再次躺到手術(shù)臺上，開刀更換電池。

為了一勞永逸地解決電池問題，研究人員開始將視線轉(zhuǎn)移到人體本身。納米能源領(lǐng)域未來也許就會發(fā)揮重要作用。

對每個人而言，人的心臟和腸胃總在不停運動，而運動便會產(chǎn)生能量，例如成年人心臟跳動所產(chǎn)生的機械能量輸出可以高達 0.13 瓦，問題在于如何用一個輕巧而安全的設(shè)備有效獲取這些能量。

2010年，王中林和博士生李舟首次實現(xiàn)了利用納米發(fā)電機回收心臟跳動所產(chǎn)生的電能，而后被其他科學(xué)家又大大推進了一步。

2014年，美國伊利諾伊大學(xué)的材料與工程學(xué)專家約翰·羅杰斯等研究人員使用了一種由壓電材料制成的納米帶，該材料由大量納米尺寸的晶狀顆粒構(gòu)成，在被彎曲或受到擠壓時產(chǎn)生電力。更重要的是實驗發(fā)現(xiàn)，該實驗設(shè)備被彎曲超過 2000 萬次以后，依然能夠正常發(fā)電。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

▲王中林院士研制的微型納米發(fā)電機可植入體內(nèi)，從心臟跳動獲得能量，向動物活體內(nèi)植入的傳感器提供電能（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

同在2014 年，王中林和李舟領(lǐng)導(dǎo)的研究小組共同研制了可植入式的自驅(qū)動能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括可植入摩擦納米發(fā)電機和能量轉(zhuǎn)化存儲裝置兩部分，其摩擦納米發(fā)電機的尺寸僅為12 mm×12 mm×0.7mm，而后研究團隊將制作的自驅(qū)動能源系統(tǒng)植入大鼠體內(nèi)，成功收集并轉(zhuǎn)化大鼠多個呼吸運動部位所產(chǎn)生的能量，將其以電能的形式儲存起來，并能夠驅(qū)動一個外接的心臟起搏器原型機工作，產(chǎn)生與醫(yī)用心臟起搏器一樣的電脈沖。

這種基于生物體自身能量在體內(nèi)轉(zhuǎn)化的供能系統(tǒng)將極大地改善現(xiàn)有電池供能的弊端，延長植入式醫(yī)療器件的使用壽命 , 在植入式醫(yī)療領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用前景。

隨著植入式自驅(qū)動能源系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和完善，在未來將有望真正實現(xiàn)生命不息 , 供能不止，為廣大重癥患者帶來福音。

摩擦發(fā)電成為綠色能源

摩擦生電是很多人從小就知道的常識，但摩擦只是產(chǎn)生了電壓，沒有電流，過去人們一直無法利用。

王中林團隊研究這個領(lǐng)域也是一次偶然。在相當(dāng)長的時間里，王中林都一直在做材料研發(fā)，在一次失敗的試驗中，他和他的研究人員偶然發(fā)現(xiàn)，兩種高分子材料相接觸的過程中可以產(chǎn)生電，于是他和研究團隊對這個全新的領(lǐng)域進行了研究。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

在深入的研究中，他們了解到了其產(chǎn)生電流的奧秘，并在 2012 年研究出了摩擦發(fā)電機以及自驅(qū)動傳感器。

最初摩擦發(fā)電機的輸出電流和功率并不理想，后來王中林帶領(lǐng)研究團隊反復(fù)進行試驗，終于使摩擦發(fā)電機的輸出功率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，實現(xiàn)了高達 55% 的能量轉(zhuǎn)化效率。

這樣的能量轉(zhuǎn)化率意味著摩擦發(fā)電機已經(jīng)具備推廣使用價值。經(jīng)過反復(fù)研究，王中林的研究團隊現(xiàn)在已經(jīng)研制了包括旋轉(zhuǎn)式直流摩擦發(fā)電機、潮汐能收集裝置、剎車發(fā)電模擬裝置等在內(nèi)的 20 多件摩擦發(fā)電裝置。

根據(jù)王中林的構(gòu)想，我們也可以把基于摩擦生電的剎車發(fā)電裝置應(yīng)用到汽車上，這時候產(chǎn)生的電能可以提供給車內(nèi)使用。由于剎車時產(chǎn)生的摩擦力更大，也可以提供給汽車尾燈使用，這將顯著降低汽車的油耗水平。

▲基于摩擦納米發(fā)電機的藍色能源方案

我們甚至可以將摩擦發(fā)電機安裝到鞋子上，在人走動的時候，腳部對鞋底的按壓或腿的晃動等動作就會通過摩擦發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電流，將這些電流收集起來并通過電池進行存儲，實現(xiàn)對手機充電。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

飛機上寫論文商務(wù)艙太浪費

盡管已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)大牛，但王中林在科研的道路上依舊孜孜不倦。我要趕快努力，不然就要落后了！他說。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授張海霞說，王中林是她見過的最為勤奮的研究者之一，幾年前有一次她去韓國開會，正好在首都機場的候機室里遇到從美國飛過來在北京轉(zhuǎn)機同去開會的王中林，只見他候機的時候還在一刻不停地修改論文。上了飛機以后，張海霞以為王中林會坐在商務(wù)艙，沒想到他居然坐在經(jīng)濟艙的后排。

王老師，您為什么不坐商務(wù)艙??？！張海霞感到很是奇怪，要知道當(dāng)時王中林已經(jīng)是院士和世界科技大獎的獲得者了。

王中林告訴她，他坐飛機用不著商務(wù)艙，因為他在飛機上一般都在寫論文，坐商務(wù)艙就太浪費了。王中林相信天道酬勤，他說一個人不管多聰明，很多時候成功都是建立在勤奮的基礎(chǔ)上的。多年來，乘坐飛機時，不管是在候機廳還是飛機上，寫論文都已經(jīng)成了他的一種習(xí)慣。甚至他的一些重要論文、一些重要研究思路的涌現(xiàn)都是在飛機上完成的。

現(xiàn)在很多人都看到了王中林的成就，但是很少有人知道其背后的艱難時刻。其實王中林的學(xué)術(shù)之路并不平坦，甚至可以說是充滿了艱辛和曲折。用王中林自己的話說是千里走單騎，他不僅需要忍受研究的孤獨，還時不時會面對非議。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

從2006年開始對他的質(zhì)疑和反對的聲音從來都沒有停過，甚至是惡毒的攻擊，可是王老師不放棄、不氣餒，而是用科學(xué)的數(shù)據(jù)和一次又一次的突破回應(yīng)和反擊那些質(zhì)疑的聲音。張海霞說。

別人質(zhì)疑，我們不能堵住他們的嘴，只能用事實來回擊。這是他自己的說法。

跟著他的研究隊伍越來越龐大

6月15日，第四屆納米能源與納米系統(tǒng)國際會議在北京國際會議中心召開，來自世界近30個國家和地區(qū)的相關(guān)研究領(lǐng)域的專家學(xué)者和相關(guān)參會人員1000余人齊聚一堂，共同探討納米能源和系統(tǒng)領(lǐng)域的重大前沿問題。

作為本屆大會主席，王中林顯得很興奮，他說納米能源與納米系統(tǒng)國際會議的影響力越來越大，參與者越來越多，這表明現(xiàn)在從事這個領(lǐng)域研究的隊伍更加龐大了。

▲王中林在第四屆納米能源與納米系統(tǒng)國際會議上作報告（攝影/李鵬）

事實也的確如此。目前僅在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，就擁有一支包括2名院士在內(nèi)的100余人的高水平科研隊伍，而在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)有40多個國家和地區(qū)、430多個研究單元、近4000多人在跟隨王中林和納米能源所做相關(guān)研究。

多年來王中林也一直鼓勵更多科學(xué)家參與他這個領(lǐng)域的研究，他說只有參與的人多了，這個領(lǐng)域才能夠發(fā)展得更快，也才能夠顯現(xiàn)出更大的價值。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

在王中林的領(lǐng)導(dǎo)下，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所已經(jīng)處于納米能源國際研究的領(lǐng)頭羊地位，這里建立了壓電電子學(xué)、壓電光電子學(xué)兩大原創(chuàng)學(xué)科，納米發(fā)電機、自驅(qū)動傳感系統(tǒng)、海洋藍色能源、新型高壓電源等原創(chuàng)技術(shù)也開始行走在產(chǎn)業(yè)化的路上。

盡快實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)在成了王中林的新夢想。現(xiàn)在，納米科技、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)聯(lián)新技術(shù)的快速推進，讓他的夢想變得越來越近。

出品：科普中央廚房

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