纳米发电机如何改变世界

在第二届全球硬科技大会上，刚刚获得能源领域“诺贝尔奖”的中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林，分享了他研究的新时代能源——纳米发电机。

什么是新时代能源？

王中林院士称，未来的能源是发散式、分布式、移动式、不确定数目居多的能源的集成，这就是新时代能源。“我们的能源不再是煤炭等聚集性能源，而是无序的发散性的小能源。例如手机。”如何去解决新时代的能源问题，是王中林院士20年来的主要研究方向。

王中林院士还介绍了纳米发电机与普通发电机的区别。

首先，普通发电机需要达到一定的转速才能产生电压，而纳米发电机依靠两种材料接触所起的静电驱动电子的流动而产生电力。 其次，通常人们所说的电流是传导电流，而纳米发电机是通过位移产生电流。例如，将纳米发电机做在鞋垫里，我们走路就可以驱动发光，也可以GPS定位，还可以健康康复。运用在健康医疗上，纳米发电机能够利用小老鼠的呼吸来驱动心脏起搏器，在未来有望实现自己充电驱动心脏起搏器。运用在纺织品上，纤维和纤维之间可以通过纳米发电机实现传感，衣服稍微一动，人便会感知。据王中林院士介绍，纳米发电机还可以利用固体与液体界面的变化发电。

王中林院士透露，在未来，利用自然界的“蓝色能源”也可实现发电。自然界的太阳能、风能、海浪能源都是巨大的，但是由于环境恶劣、价格高昂，目前还没有得到有效利用。但是能量是昼夜存在的，比如网络就是一个昼夜不停的发电厂，怎么回收这些能源呢？“我们正在研究利用球结构中珠子的滚动来让电来回流动。如果说一个球能发10毫安电，山东省大小的面积一米深的水发的电将是中国总能耗的1.6太瓦，而且是很稳定的直流输出。”

纳米发电机的另外一个领域就是驱动传感。

对于人工智能领域来说，最重要的就是如何传感数据，王中林院士研发了一款自驱动传感装置。例如，每个人敲字的动作是不一样的，力度也不一样，利用自驱动传感装置，对个人敲键盘的信号进行分析，如果换到另外一个键盘，会立刻识别打字人的身份，准确度达到97%。

“目前化石能源仍旧是我们固定应用的能源，随着分布式移动式通讯的发展，可以通过有序的化石能源解决部分无序问题，也可以用无序小能源解决无序问题。”王中林院士表示，许多纳米发电机领域的新技术已应用于商业。“我们希望未来走向更多的产业应用。”

小Tips

埃尼奖（Eni Award）是世界能源领域最权威、最负盛名的奖项，与计算机界的图灵奖、数学界的菲尔兹奖及沃尔夫奖等并称为领域性的最高奖项。

王中林教授的获奖理由为“（王教授）开发了‘摩擦纳米发电机’装置，凭借这个装置，自然中的能量，大到海洋中的波浪，小到肌肉收缩或者血液流动，都可以被转化为高产的电能，这极大地拓展了能源提取及生成的可能覆盖范围”。

摩擦起电大概是从古希腊时人们就知道的物理现象，但是直到现在也常常被认为是一种负面效应而被极力避免。

2012年王中林教授及其团队首先发明了摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，后简称 TENG），利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合将微弱的机械能转换为电能。其可以在低频条件下（< 5～10Hz）产生其他同类技术无法比拟的效能。这样，日常生活中往往被浪费掉的各种机械能，将可以被收集起来并转化成电能。

TENG 具有四种基本的工作模式，分别为：(a) 垂直接触-分离模式， (b) 水平滑动模式， (c) 单电机模式，(d)自支撑摩擦电层模式。

图|TENG 的四种基本工作模式（来源：参考）

基于上面的四种模式，王中林教授及团队制备了不同结构的 TENG，用以收集不同形式的机械能，从而实现高效的能量转换。

图|通过 TENG 收集脚踏能量点亮 LED 灯泡（来源：参考）

TENG 因其输出率高、重量轻、成本低、易制造且体积小的优势，有着广阔的商业化前景，还可以通过跟其他电池、能源技术相结合，将我们身边浪费掉的机械能转化为电能，从而满足我们日益增长的能源需求。