将纳米发电机装入身体，为心脏起搏器提供动力；将它装进鞋垫，把走路的能量转成电能为手机充电…来听纳米发电机之父王中林的故事。

文/记者 李鹏 编辑/陈永杰

新媒体编辑/吕冰心 供图/视觉中国

▲王中林和他纳米器件（图片来源：NSF.gov）

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纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

拿起一个小塑料球，轻轻用手一晃，十几盏LED灯就被点亮了；戴上一副手套，双手摩擦摩擦，或者是拍打拍打，电流就随之产生了。

这不是神话，也不是传奇。这是这些年来中国科学院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所创始所长王中林抒写出来的科学故事。他首次发明了纳米发电机和自驱动纳米系统技术，被誉为纳米发电机之父。

30多年来，王中林已经发表论文1500余篇，包括55篇在《自然》《科学》及其子刊上发表的文章；根据Google Scholar的统计，截至目前王中林的论文被引用次数已经超过20.6万次，他关于氧化锌纳米带的发现发表在《科学》上的文章，也成为十多年来全世界材料领域引用最多的论文之一，单篇引用超过5500次。

现在王中林和他的团队正在想办法让他们的科学故事变成我们生活的一部分。产业化之路艰辛，但王中林坚信，随着技术的不断成熟，这样的梦想就会不断成为现实。北京发电机###http://www.1688baifa.com

世界纳米能源领域的领先者

王中林和他的研究有多厉害，最近的一份榜单可以窥斑见豹。近期，斯坦福大学John P.A. Ioannidis教授带领的团队提供了一份科学家排名榜。他们使用了一个综合了6个引用指标的打分，从近700万科学家里挑出了世界前10万名科学家，进入榜单前200名的科学家中，王中林位列第15位，也是唯一进入前200名的中国科学家。

6月14日，2019年度阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖揭晓，王中林凭借在微纳能源和自驱动系统领域的开创性成就，斩获这一世界性的大奖，成为首位获此殊荣的华人科学家。

▲在2008年这期《科学美国人》上，王中林首次提出self-power这一概念。

这是以伟大科学家爱因斯坦的名字命名的著名的世界性科学大奖，由世界文化理事会设立，每年颁发一次，目的是表彰和鼓励世界科学技术领域的重大研究进展，奖项授予为人类带来福祉的杰出科学家。

该奖获奖人由来自50个国家和地区的124位世界著名科学家组成的跨学科委员会选出，委员会成员包括25名诺贝尔奖得主。该奖项从1984年开始每年颁发1次，每次获奖人数仅为1人，之前已有30多位科学家获得此奖项。北京发电机###http://www.1688baifa.com

此前的2018年7月23日，王中林刚刚获得另一项国际大奖——第十一届埃尼前沿能源奖，以表彰他首次发明纳米发电机、开创自驱动系统与蓝色能源两大原创领域，并把纳米发电机应用于物联网、传感网络、环境保护、人工智能等新时代能源领域所做出的先驱性的重大贡献。王中林是迄今为止获得 埃尼奖的第一位华人科学家。

▲纳米发电机原理图

除了研发纳米发电机，他还是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人，他首次提出并发展了自驱动系统，他将纳米能源推广为新时代的能源——即物联网、传感网络、大数据时代的分布式移动式能源。这一应用于物联网、传感网络和大数据时代的新能源技术，将开启人类能源模式新篇章，为微纳电子系统发展和物联网、传感网络实现能源自给和自驱动提供了新途径。

这些年，王中林领导下的中科院北京纳米能源与系统研究所因拥有原创的理论、原创的学科、原创的技术，也成为世界纳米能源与自驱动系统研究领域的领头羊。

业界认为，授予王中林埃尼前沿能源奖和阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖，这是对他多年来所开创的基于纳米发电机的纳米能源与自驱动传感领域的最大国际认可，也是对他的研究成果在能源与环境技术应用方面的最高的权威性认定。北京发电机###http://www.1688baifa.com

为心脏起搏器提供永久动力

随着现代医学的发展，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，它们或用于治疗单靠药物无法解决的病症，或实时检测血糖、心率等健康指标。这里面应用最广泛的设备，就是心脏起搏器，自发明以来其已经被植入大约 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。

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 0.13 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，而后被其他科学家又大大推进了一步。

2014年，美国伊利诺伊大学的材料与工程学专家约翰·罗杰斯等研究人员使用了一种由压电材料制成的纳米带，该材料由大量纳米尺寸的晶状颗粒构成，在被弯曲或受到挤压时产生电力。更重要的是实验发现，该实验设备被弯曲超过 2000 万次以后，依然能够正常发电。北京发电机###http://www.1688baifa.com

▲王中林院士研制的微型纳米发电机可植入体内，从心脏跳动获得能量，向动物活体内植入的传感器提供电能（图片来自网络）

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，该系统包括可植入摩擦纳米发电机和能量转化存储装置两部分，其摩擦纳米发电机的尺寸仅为12 mm×12 mm×0.7mm，而后研究团队将制作的自驱动能源系统植入大鼠体内，成功收集并转化大鼠多个呼吸运动部位所产生的能量，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，产生与医用心脏起搏器一样的电脉冲。

这种基于生物体自身能量在体内转化的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。

随着植入式自驱动能源系统的进一步优化和完善，在未来将有望真正实现生命不息 , 供能不止，为广大重症患者带来福音。

摩擦发电成为绿色能源

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，他和他的研究人员偶然发现，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。北京发电机###http://www.1688baifa.com

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

最初摩擦发电机的输出电流和功率并不理想，后来王中林带领研究团队反复进行试验，终于使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃，实现了高达 55% 的能量转化效率。

这样的能量转化率意味着摩擦发电机已经具备推广使用价值。经过反复研究，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。

根据王中林的构想，我们也可以把基于摩擦生电的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。

▲基于摩擦纳米发电机的蓝色能源方案

我们甚至可以将摩擦发电机安装到鞋子上，在人走动的时候，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化成电流，将这些电流收集起来并通过电池进行存储，实现对手机充电。北京发电机###http://www.1688baifa.com

飞机上写论文商务舱太浪费

尽管已经成为国际学术大牛，但王中林在科研的道路上依旧孜孜不倦。我要赶快努力，不然就要落后了！他说。

北京大学信息科学技术学院教授张海霞说，王中林是她见过的最为勤奋的研究者之一，几年前有一次她去韩国开会，正好在首都机场的候机室里遇到从美国飞过来在北京转机同去开会的王中林，只见他候机的时候还在一刻不停地修改论文。上了飞机以后，张海霞以为王中林会坐在商务舱，没想到他居然坐在经济舱的后排。

王老师，您为什么不坐商务舱啊？！张海霞感到很是奇怪，要知道当时王中林已经是院士和世界科技大奖的获得者了。

王中林告诉她，他坐飞机用不着商务舱，因为他在飞机上一般都在写论文，坐商务舱就太浪费了。王中林相信天道酬勤，他说一个人不管多聪明，很多时候成功都是建立在勤奋的基础上的。多年来，乘坐飞机时，不管是在候机厅还是飞机上，写论文都已经成了他的一种习惯。甚至他的一些重要论文、一些重要研究思路的涌现都是在飞机上完成的。

现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艰难时刻。其实王中林的学术之路并不平坦，甚至可以说是充满了艰辛和曲折。用王中林自己的话说是千里走单骑，他不仅需要忍受研究的孤独，还时不时会面对非议。北京发电机###http://www.1688baifa.com

从2006年开始对他的质疑和反对的声音从来都没有停过，甚至是恶毒的攻击，可是王老师不放弃、不气馁，而是用科学的数据和一次又一次的突破回应和反击那些质疑的声音。张海霞说。

别人质疑，我们不能堵住他们的嘴，只能用事实来回击。这是他自己的说法。

跟着他的研究队伍越来越庞大

6月15日，第四届纳米能源与纳米系统国际会议在北京国际会议中心召开，来自世界近30个国家和地区的相关研究领域的专家学者和相关参会人员1000余人齐聚一堂，共同探讨纳米能源和系统领域的重大前沿问题。

作为本届大会主席，王中林显得很兴奋，他说纳米能源与纳米系统国际会议的影响力越来越大，参与者越来越多，这表明现在从事这个领域研究的队伍更加庞大了。

▲王中林在第四届纳米能源与纳米系统国际会议上作报告（摄影/李鹏）

事实也的确如此。目前仅在中国科学院北京纳米能源与系统研究所，就拥有一支包括2名院士在内的100余人的高水平科研队伍，而在世界范围内，已经有40多个国家和地区、430多个研究单元、近4000多人在跟随王中林和纳米能源所做相关研究。

多年来王中林也一直鼓励更多科学家参与他这个领域的研究，他说只有参与的人多了，这个领域才能够发展得更快，也才能够显现出更大的价值。北京发电机###http://www.1688baifa.com

在王中林的领导下，中国科学院北京纳米能源与系统研究所已经处于纳米能源国际研究的领头羊地位，这里建立了压电电子学、压电光电子学两大原创学科，纳米发电机、自驱动传感系统、海洋蓝色能源、新型高压电源等原创技术也开始行走在产业化的路上。

尽快实现相关技术的产业化，现在成了王中林的新梦想。现在，纳米科技、人工智能、物联网等关联新技术的快速推进，让他的梦想变得越来越近。

出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 科学加客户端

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