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

▲王中林和他納米器件（圖片來源：NSF.gov）

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子製造物質的科學技術，研究結構尺寸在1至100納米範圍內材料的性質和應用。

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，電流就隨之產生了。

這不是神話，也不是傳奇。這是這些年來中國科學院外籍院士、中科院北京納米能源與系統研究所創始所長王中林抒寫出來的科學故事。他首次發明了納米發電機和自驅動納米系統技術，被譽為“納米發電機之父”。

30多年來，王中林已經發表論文1500餘篇，包括55篇在《自然》《科學》及其子刊上發表的文章；根據Google Scholar的統計，截至目前王中林的論文被引用次數已經超過20.6萬次，他關於氧化鋅納米帶的發現發表在《科學》上的文章，也成為十多年來全世界材料領域引用最多的論文之一，單篇引用超過5500次。

現在王中林和他的團隊正在想辦法讓他們的科學故事變成我們生活的一部分。產業化之路艱辛，但王中林堅信，隨著技術的不斷成熟，這樣的夢想就會不斷成為現實。

世界納米能源領域的領先者

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John P.A. Ioannidis教授帶領的團隊提供了一份科學家排名榜。他們使用了一個綜合了6個引用指標的打分，從近700萬科學家裡挑出了世界前10萬名科學家，進入榜單前200名的科學家中，王中林位列第15位，也是唯一進入前200名的中國科學家。

6月14日，2019年度“阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎”揭曉，王中林憑藉在微納能源和自驅動系統領域的開創性成就，斬獲這一世界性的大獎，成為首位獲此殊榮的華人科學家。

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

這是以偉大科學家愛因斯坦的名字命名的著名的世界性科學大獎，由世界文化理事會設立，每年頒發一次，目的是表彰和鼓勵世界科學技術領域的重大研究進展，獎項授予為人類帶來福祉的傑出科學家。

該獎獲獎人由來自50個國家和地區的124位世界著名科學家組成的跨學科委員會選出，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1次，每次獲獎人數僅為1人，之前已有30多位科學家獲得此獎項。

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”，以表彰他首次發明納米發電機、開創自驅動系統與藍色能源兩大原創領域，並把納米發電機應用於物聯網、傳感網絡、環境保護、人工智能等新時代能源領域所做出的先驅性的重大貢獻。王中林是迄今為止獲得 “埃尼獎”的第一位華人科學家。

▲納米發電機原理圖

除了研發納米發電機，他還是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人，他首次提出並發展了自驅動系統，他將納米能源推廣為“新時代的能源——即物聯網、傳感網絡、大數據時代的分佈式移動式能源”。這一應用於物聯網、傳感網絡和大數據時代的新能源技術，將開啟人類能源模式新篇章，為微納電子系統發展和物聯網、傳感網絡實現能源自給和自驅動提供了新途徑。

這些年，王中林領導下的中科院北京納米能源與系統研究所因擁有原創的理論、原創的學科、原創的技術，也成為世界納米能源與自驅動系統研究領域的領頭羊。

業界認為，授予王中林“埃尼前沿能源獎”和“阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎”，這是對他多年來所開創的基於納米發電機的納米能源與自驅動傳感領域的最大國際認可，也是對他的研究成果在能源與環境技術應用方面的最高的權威性認定。

為心臟起搏器提供永久動力

隨著現代醫學的發展，這些年在世界範圍內植入式電子醫療設備正變得越來越普及，它們或用於治療單靠藥物無法解決的病症，或實時檢測血糖、心率等健康指標。這裡面應用最廣泛的設備，就是心臟起搏器，自發明以來其已經被植入大約 400 萬名病人體內，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療設備的阻礙，每當電力耗盡，病人都需要再次躺到手術檯上，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移到人體本身。納米能源領域未來也許就會發揮重要作用。

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

2010年，王中林和博士生李舟首次實現了利用納米發電機回收心臟跳動所產生的電能，而後被其他科學家又大大推進了一步。

2014年，美國伊利諾伊大學的材料與工程學專家約翰·羅傑斯等研究人員使用了一種由壓電材料製成的納米帶，該材料由大量納米尺寸的晶狀顆粒構成，在被彎曲或受到擠壓時產生電力。更重要的是實驗發現，該實驗設備被彎曲超過 2000 萬次以後，依然能夠正常發電。

▲王中林院士研製的微型“納米發電機”可植入體內，從心臟跳動獲得能量，向動物活體內植入的傳感器提供電能（圖片來自網絡）

同在2014 年，王中林和李舟領導的研究小組共同研製了可植入式的自驅動能源系統，該系統包括可植入摩擦納米發電機和能量轉化存儲裝置兩部分，其摩擦納米發電機的尺寸僅為12 mm×12 mm×0.7mm，而後研究團隊將製作的自驅動能源系統植入大鼠體內，成功收集並轉化大鼠多個呼吸運動部位所產生的能量，將其以電能的形式儲存起來，並能夠驅動一個外接的心臟起搏器原型機工作，產生與醫用心臟起搏器一樣的電脈衝。

這種基於生物體自身能量在體內轉化的供能系統將極大地改善現有電池供能的弊端，延長植入式醫療器件的使用壽命 , 在植入式醫療領域中具有極大的應用前景。

隨著植入式自驅動能源系統的進一步優化和完善，在未來將有望真正實現“生命不息 , 供能不止”，為廣大重症患者帶來福音。

摩擦發電成為綠色能源

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域也是一次偶然。在相當長的時間裡，王中林都一直在做材料研發，在一次失敗的試驗中，他和他的研究人員偶然發現，兩種高分子材料相接觸的過程中可以產生電，於是他和研究團隊對這個全新的領域進行了研究。

在深入的研究中，他們瞭解到了其產生電流的奧秘，並在 2012 年研究出了摩擦發電機以及自驅動傳感器。

最初摩擦發電機的輸出電流和功率並不理想，後來王中林帶領研究團隊反覆進行試驗，終於使摩擦發電機的輸出功率產生了質的飛躍，實現了高達 55% 的能量轉化效率。

這樣的能量轉化率意味著摩擦發電機已經具備推廣使用價值。經過反覆研究，王中林的研究團隊現在已經研製了包括旋轉式直流摩擦發電機、潮汐能收集裝置、剎車發電模擬裝置等在內的 20 多件摩擦發電裝置。

根據王中林的構想，我們也可以把基於摩擦生電的剎車發電裝置應用到汽車上，這時候產生的電能可以提供給車內使用。由於剎車時產生的摩擦力更大，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。

▲基於摩擦納米發電機的“藍色能源”方案

我們甚至可以將摩擦發電機安裝到鞋子上，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電機轉化成電流，將這些電流收集起來並通過電池進行存儲，實現對手機充電。

飛機上寫論文商務艙太浪費

儘管已經成為國際學術大牛，但王中林在科研的道路上依舊孜孜不倦。“我要趕快努力，不然就要落後了！”他說。

北京大學信息科學技術學院教授張海霞說，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裡遇到從美國飛過來在北京轉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。上了飛機以後，張海霞以為王中林會坐在商務艙，沒想到他居然坐在經濟艙的後排。

“王老師，您為什麼不坐商務艙啊？！”張海霞感到很是奇怪，要知道當時王中林已經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艙，因為他在飛機上一般都在寫論文，坐商務艙就太浪費了。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，寫論文都已經成了他的一種習慣。甚至他的一些重要論文、一些重要研究思路的湧現都是在飛機上完成的。

現在很多人都看到了王中林的成就，但是很少有人知道其背後的艱難時刻。其實王中林的學術之路並不平坦，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。

“從2006年開始對他的質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，而是用科學的數據和一次又一次的突破回應和反擊那些質疑的聲音。”張海霞說。

“別人質疑，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個國家和地區的相關研究領域的專家學者和相關參會人員1000餘人齊聚一堂，共同探討納米能源和系統領域的重大前沿問題。

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國際會議的影響力越來越大，參與者越來越多，這表明現在從事這個領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。目前僅在中國科學院北京納米能源與系統研究所，就擁有一支包括2名院士在內的100餘人的高水平科研隊伍，而在世界範圍內，已經有40多個國家和地區、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研究。

多年來王中林也一直鼓勵更多科學家參與他這個領域的研究，他說只有參與的人多了，這個領域才能夠發展得更快，也才能夠顯現出更大的價值。

在王中林的領導下，中國科學院北京納米能源與系統研究所已經處於納米能源國際研究的領頭羊地位，這裡建立了壓電電子學、壓電光電子學兩大原創學科，納米發電機、自驅動傳感系統、海洋藍色能源、新型高壓電源等原創技術也開始行走在產業化的路上。

儘快實現相關技術的產業化，現在成了王中林的新夢想。現在，納米科技、人工智能、物聯網等關聯新技術的快速推進，讓他的夢想變得越來越近。

出品：科普中央廚房

監製：北京科技報 | 科學加客戶端

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