能源是人类文明进步的根本动力，也是全球技术变革的决定性因素。利用海洋能源是当今世界能源研究的前沿方向，也是未来替代化石能源的重要途径。但海洋波浪能开发成本高、经济效益差，始终制约着其大规模商业化开发利用和发展。有什么新的技术路径可以将海洋波浪能收集起来，进而转化为巨量电能应用到我们的生活中？

本期首都科学讲堂邀请世界能源最高奖埃尼奖和爱因斯坦世界科学奖得主、中国科学院外籍院士王中林，为我们讲述他的从“0到1”的原创发明与“蓝色能源”梦。

▲摩擦纳米发电机：实现人类“蓝色能源”梦（上）

能源是我们赖以生存的基础，从最早蒸汽机的发明到后来电力的发明，再到航空业，到近代电子的发明，都是和能源的利用分不开的。

全世界每年的总能耗是16TW（太瓦，能量单位，1太瓦等于10¹²瓦特），我国是1.6TW。预计到本世纪末，人类所需求的能源增加3倍，因此我们需要新的能源。

长期以来，人类赖以生存的化石能源导致了气候和环境变化。油、煤燃烧过程的不可逆性，也使人类面临能源耗竭的困境。

我国的能源特征是“多煤、少油、缺气”，目前的电力57.7%来自于煤炭火力发电，11%来自于可再生能源，即风能、光伏能、生物质能等。我国的能源存在安全、污染和二氧化碳释放等三大问题。因此，需要大力发展可再生能源、分布式能源来补充以化石能源为主的能源。

可再生能源是指自然界中可以循环再生、反复持续利用的一次能源。分布式可再生能源是指通过各种小型的并网或配电系统连接的设备集发电和存储于一体的能源，这是发展物联网、传感网络、大数据、人工智能和机器人的基础技术。

▲能源新体系（供图/王中林）

现在，我们城市主电网的构成方式是发电厂发电，然后通过供电电网输到千家万户。未来，我们的供电网除了主电网外，还同时需要发展很多微网，也就是分布式能源，包括太阳能、风能，还有生物质能、机械发电等等，构成的一个共同的能源构架。

▲未来供电网由主电网和微网构成（供图/王中林）

从热力学角度讲，能源分布将从聚集型变为发散型，从有序变为无序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。摩擦纳米发电机的能量分布是遵循热力学第二定律（又称熵增定律，熵即为衡量混乱程度的度量），熵增就是无序度增加。其实，环境中有很多的能量，机械振动的能量、声音的能量，还有热能、海洋的动能、势能。这些能源分布广、能量大，但是非常难再利用。未来，如何解决和利用数以亿计的移动性、变化性、不定性的“小能源”，这是我们一直的研究方向。

▲一滴墨在水中扩散

2005年，我开始带着学生做纳米材料——生长纳米材料，测量它的力学性能，并尝试测量它的压电系数。有些材料在应力作用下会发生微小的形变，产生小电压，就叫压电材料。我们用原子力显微镜进行纳米材料压电系数的测量，发现它输出了5毫伏的电压，所以我们称它为纳米发电机。

▲摩擦纳米发电机的发明（供图/王中林）

纳米发电机有四大应用领域，包括微纳能源、自驱动传感、蓝色能源以及高压电源。

▲纳米发电机发展技术路线图（供图/王中林）

我们广泛使用的发电机是电磁发电机，其原理是导体切割磁力线产生电流，转得越快，它的输出功率和电频率的平方成正比。而摩擦起电的输入电压和频率是没有关系的，慢动作可以产生高电压。

纳米发电机能够把无序的低质量、过去没有办法用的能量，高效地利用，特别是频率比较低、幅度比较小的能源。

摩擦起电是一个无人不知的现象，也是初中生学习电荷的开端，像雷电以及穿毛衣时产生的静电就是典型的摩擦起电。

玻璃棒和毛皮摩擦就会产生电荷，这就是静电的由来，而电荷或者说电子的流动则会产生电流。无论是液体、气体还是固体，所有材料的组合都会发生摩擦起电的现象，它是非常普遍的。

既然静电荷是静止的电荷，为什么它会流动呢？

我们经过十多年的研究发现，当两种材料接触的时候，紧密地按压，它就会实现原子级的紧密的结合。它会实现一个电子云的重叠。电子云重叠以后，电子会从一个原子跃迁到另外一个原子去，这种跃迁过程就实现了电子的转移。

摩擦纳米发电的原理就是利用摩擦起电，利用位移电流作为驱动力，把机械功转为电功。

在生物工程中，任何器件植入体内都需要有电源才能工作，我们熟悉的心脏起搏器就是一个典型例子。摩擦纳米发电机可以做成片状植入人体内，这就是首次运用摩擦纳米发电机驱动的商用心脏起搏器。我们花费了12年的时间，制作出来利用人体的活动或者呼吸所产生的微小能量来驱动的心脏起搏器。目前我们已经做到凭借一次呼吸产生的能量，就能够满足驱动心脏起搏器运行一次半的需求，这是一个很重要的里程碑。

我们做的第一个心脏起搏器在大动物上实现了成功，我们正在与大医院合作，使它未来能实现产业化，造福人类。

▲商用心脏起搏器（供图/王中林）

雨水能不能发电呢？答案是可以的。2014年，我和团队成员做了一把伞，在下雨的时候，伞面会闪闪发光，这是我们首次做到用雨水发电。一滴水发出来的电压达到上百伏。

基于摩擦纳米发电机的自驱动传感，在人工智能方面也有相应的应用。打乒乓球时，球的落点是有规律可循的，这时就需要借助大数据了。如何获得大数据呢？利用高速摄像机，把它放到乒乓球桌底下，我们就可以分析一个人的打球习惯。这就是人工智能中大数据的采集。

▲基于摩擦纳米发电机的自驱动传感（供图/王中林）

我们还可以利用自驱动传感判断有效球和无效球。如果乒乓球碰到球桌上沿就是有效球，碰到侧沿上就是无效球，实际上有时我们很难用肉眼对其进行判断。

如果把摩擦纳米发电机放在球桌的上沿或者侧沿，就能对这一记球是否有效进行判断，这就是智能体育。此外，跑道以及其他的很多东西都可以用自驱动传感来做。

自驱动传感还能用于资料的保护和监管。在图书馆中，由于把电池放入书中三个月后就没电了，所以无法得知谁触碰过某一本书。如果把摩擦纳米发电机放到书本里面后，只要一个动作就能产生微小的功率。即使仅仅是指尖触碰了某一行字，它都会产生一个无线信号，从而使我们获得该书的翻阅信息。

▲自驱动传感还能用在图书馆（供图/王中林）

制作摩擦纳米发电机所用的材料是非常广阔的，包括衣料、塑料、地板、头发、纸张等。我们做的麦克风可以把音频变成电子信号后记录下来，同时也可以回放，不仅保证没有任何信号处理和其他功耗，还能保证信号90%不失真。此外，还可以进行人机对话，能够对人的声音进行识别。

现在流行很多健康监测手环和手表，我们把摩擦纳米发电机做在表带里面，材料、工艺、软件、硬件都很方便，能够准确地测脉搏的形状。我们还可以测血液里9种参数，不光只是测心脏一分钟跳多少，血压的变化、血脂的变化等等，都可以利用相关的模型把它推算出来。

▲ 数智化和脉搏血压的实时监测（供图/王中林）

摩擦纳米发电机还可以应用到康复器械里，智能化膝盖康复支具能够实现定量化、精准化、个性化。我们与湘雅医院开展了一期临床测试，反馈良好，目前在进行器件优化，即将开展二期测试。

海洋中蕴含着波浪能、潮汐能、温差能等丰富而清洁的可再生蓝色能源。海洋能源若实现大规模商业化利用，将是一种崭新的绿色能源，可极大满足人类的能源需求、降低二氧化碳排放，同时带来世界能源格局的深刻变化并影响经济社会的方方面面。

如果能够做出这种网格式的发电网，我们就有可能在大能源方面提供一个根本的思路，并有所建树。如果对全世界的海岸线加以利用，总共能产生75太瓦的能源，这是全世界总能耗的4.5倍。

我们无法利用这些能源的原因，就是缺乏有效的技术。所以，我们需要进一步迈向海洋，迈向蓝色大能源。别看摩擦纳米发电机输出的能源小，如果堆积起来，它们就不是小能源了。

那么，纳米发电机的科学原创是什么呢？

现在的发电机是靠电磁来发电，金属棒切割磁力线能够产生电流，这叫传导电流。这是1831年英国科学家法拉第发现的。

还有一种电流是1861年麦克斯韦提出的位移电流。麦克斯韦说：“位移电流不是因为电子流动产生的电流，而是因为随时间变化的电场产生的感应电流。”说得通俗一点，手机能收到信号就是位移电流的应用。它使我们的生活发生了翻天覆地的变化。

纳米发电机发明后，我们在2017年拓展了麦克斯韦方程组，以适应新时代能源理论，即电磁发电机用的是传导电流，纳米发电机用的是位移电流。

▲纳米发电机的科学原创（供图/王中林）

这就是二者的区别，这个拓展就是我们的原创，位移电流就是纳米发电机的科学根基。

▲麦克斯韦位移电流产生的科学、技术和产业

位移电流最早是通过统一电磁场提出的，后来逐渐引出了无线通信、广播、光的理论、电磁感应、激光等等应用。加入纳米发电机的理论基础后，我们就补充了位移电流的相关理论。这些理论还有待在今后的不断发展。

1831年法拉第提出电磁感应定律时，很多人是不相信的。

▲法拉第给人们科普的场景，他可能想不到这个定律会对世界产生如此大的影响（供图/王中林）

我们今天拥有的美好生活离不开科学家的贡献，一个微小的效应能够产生这么大的社会效应在当时是无法想象的，在这背后蕴藏着数代科学家、工程师上百年的努力。所以，原创的发明与社会发展是密切相关的。

在1926年，特斯拉做过一个预言：“当无线技术得到完美的应用时，全世界就可以变成一个巨大的大脑，所有的事件都是其中一个颗粒或部分。不管多长的距离，我们都可以在瞬时互相通话交流。同时，我们可以利用电视和电话实时地看见和听到对方，不管多遥远我们就像面对面谈话一样，而实现这些的设备小到可以装在背心的口袋里。”那时，尽管晶体三极管还未发明。

晶体三极管是在1947年发明的，集成电路是在1956年发明的。特斯拉的伟大科学预言到现在都实现了，这是科学家经过近100年的努力的结果。

▲瑞典的诺贝尔纪念馆中的四大条幅上的名言（供图/王中林）

瑞典的诺贝尔纪念馆中有四个条幅。第一个条幅是19世纪的科学家路易斯·阿加西（Louis Agassiz）的语录。他说：“每一个科学真理都要经过三个阶段。首先，人们说它和《圣经》相抵触；然后，他们说它以前就被发现过；最后，他们说他们一直是坚信该真理的。”

第二个条幅是爱因斯坦的名言：“提出一个问题甚至比解决一个问题更关键，后者有可能是数学或实验技巧。要提出一个新问题和新的可能性，甚至从一个新的角度来看一个老问题，都是需要创作性想象的能力，这才是真正的科学。”

虽然摩擦起电是一个古老的科学现象，但如果我们从新的角度去理解它，就会有新能源的产生。从新的角度看老现象就是一种创造、就是科学。

第三个条幅写的是爱迪生的名言：“天才是百分之一的灵感加百分之九十九的汗水。” 其实灵感与汗水不仅是相加的关系，它们更是乘积关系。只有灵感，不下功夫的话就浪费了这宝贵的灵感；而没有灵感白下苦功的话则将空耗汗水。因此，灵感与汗水都十分重要。

第四句是卡尔·波普尔的名言：“真正使科学前进的是新思想，甚至包括错误的思想。”

我们做纳米发电机的研究已跨过了前后近20年的时间，虽然其间遇见了很多困难与挑战，但是要相信，“当我们回头看时，这些星星点点都会连成美丽的画卷。”虽然很多困难会使你坚持不下去，但是，“你要相信你那朦胧的直觉与判断，相信自己一定能克服这个困难。”

“当你开始解决一个问题时，第一个解决方案总是非常复杂，绝大部分人到此就停止了。但如果你继续寻找，锲而不舍，层层探索，最后你会提出一个非常巧妙和简单的方法。”这里引用的都是史蒂夫·乔布斯的名言。

从一个小的现象可以做出这么大的引领，在这个角度说来，未来的发展需要更多的年轻学生投入到这个研究里去，使它发扬光大。

从我们的发明来说，2006年我们团队发明了压电式纳米发电机，2012年发明了摩擦纳米发电机，从此走向了广阔的前景。

全世界有56个国家和地区、800多个单位、4700多人在跟随我们做摩擦纳米发电机的研究，这一研究可以说是风靡全球，在这之中，我们国家是原创和领先的。

2017年，我首次拓展了位移电流的表达式，在电位移矢量D中引入Ps项，用来推导纳米发电机的输出功率。2021年提出了动生麦克斯韦方程组，尽管这是理论，有它的近似性，但是足以解释我们的实验。我刚才讲透过现象看本质，这就是我想透过原始的现象看它的本质。从这个方程组能走到哪儿去，我们真不知道。是不是未来就能预言很多东西，我也不知道，所以我们需要成千上万杰出的年轻的学生、未来的科学家，来跟着我们探索这个事，探索才能出神奇，探索才能创造未来。

未来，我们将总结我们的路线图，希望为国家、为世界的发展提供崭新的技术，能够在微纳能源、自驱动传感、蓝色能源、高压电等很多方面使用。当然，我们任重道远，从0到1，再从1做到100。

（本文图片、视频来源于第757期首都科学讲堂）