摩擦起电、翻书发电：再微小的人类运动，我们也能利用

2021年6月26日，“科普中国-我是科学家”第35期“我们的目标：0！”演讲现场，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、首席科学家，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长王中林带来演讲：《迈向碳中和的蓝色能源》。

各位好，很高兴站在这里给大家讲新的能源。能源非常广，非常大，非常重要。在能源领域，我们未来的能源在哪里？我们有没有新的思路？我们有没有新的能源？怎么解决我们可能面临的困难？

演讲嘉宾王中林：《迈向碳中和的蓝色能源》 | 拍摄：Vphoto

我今天的演讲主题是《迈向碳中和的蓝色能源》。能源是我们赖以生存的基础，从第一次工业革命出现以煤为燃料的蒸汽机，到后来有以油为基础的电力系统，到今天的信息时代，每一步发展都和新技术分不开，同时也和新的科学方法分不开。这个时代需求什么？除了所有的基本需求外，我们在推动包括人工智能、物联网、传感网络、医疗健康等很多方面的能源发展。能源的需求发生了变化。

从聚散到分布

我们过去靠发电厂，发电厂只能在特殊的地方发电，要让三峡大坝发的电输送到北京来，靠的是电网。发电有两步，第一步靠化石能源燃烧驱动涡轮机，水力发电是靠水驱动涡轮机；第二步是靠电磁发电机。这两步第一步是蒸汽机的原理，第二步是电磁发电机原理，把化石能源转为所需要的能源。

北极在消失 | Kerstin Langenberger

但是，化石能源的过分利用改变了环境，1978年的地球和2012年的地球对比，发生了很大的变化，绿地在消失，自然灾害在增多，特别是北极的消失是不可逆的。全球为什么一定会变暖？我们日常通勤坐的车，消耗燃料后释放的热量，不可能全部都散发到外太空去。所以地球整体在变暖，这也是我们面临的挑战。如何减少碳排放，是未来非常重要的战略目标。我们知道减碳的重要性，更重要的是怎么解决这个挑战？国家提出了零到一，我们有多少能称得上零到一的发明？非常少。

我们的能源，已经从“聚集型能源”变化到了“分布式能源”，大家使用的手机就是分布式能源的一种，这种发展是与日俱增的。现实生活中，我们所用的能源是分布式的，不是过去那种靠电网在固定位置传输，分布式能源对物联网的建设带来了挑战，比如低熵能源。

什么叫“熵”？“熵”是物理化学的概念，它用来描述系统的有序度。

一滴墨在水中扩散 | giphy.com

一滴墨汁滴入一杯水后会扩散开，总分子数不变，总能量不变，但是墨汁扩散不可逆。这个扩散的过程叫“熵的增加”，这是热力学第二定律决定的。

社会发展、能源发展也是一样。随着物联网时代到来，我们能源需要走向分布化，社会发展的需求也要走向分布化。怎么满足新时代的能源需求？未来的能源在哪里？很大部分在海洋，因为地球的70%的面积是海洋。

海浪 | Pixabay

海洋的能量是巨大的，包括潮汐能、波浪能等等，但是收集到的海洋能非常有限。海上有风机发电，但只能建在浅水区，无法建在深水区。因为海洋所运载的能量非常难收集，波浪有一下没一下、快一下慢一下，是低质量能源，不是煤炭、石油这样可以集中供能的高质量能源。化石能源是目前的主流能源，但资源有限，从长远来讲，如何解决低质量能源利用的问题，是人类面临的重大挑战。

高性能TENG海洋能收集器件 | Tao Jiang#, Hao Pang#, Jie An#, Pinjing Lu, Yawei Feng, Xi Liang, Wei Zhong, Zhong Lin Wang*. Robust Swing-Structured Triboelectric Nanogenerator for Efficient Blue Energy Harvesting. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000064.

人类探索了海洋能可以用如图这种漂浮的方法来收集，方法千变万化，都是利用1831年法拉第发明的电磁感应定律。发电装置频率一定要高、转得快，因为只有风力达到三四级时才可以发电；但风力大于八级，转得太快时，电机又会被烧坏。物理定律决定了只有在一定风力范围内才能正常发电——这一瓶颈需要解决。

点亮纳微发电的“灯”

我今天跟大家讲一个从零到一的突破。2011年，我们做微纳能源研究时，发现了摩擦起电效应可以做驱动力，将机械能转为电能。当时利用的只是一个指头运动的机械功，产生几伏的电，而如今微纳能源变成了一个研究领域。

摩擦起电 | Wikimedia Commons, Sean McGrath / CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

利用电磁感应定律做功的发电机，它在转得慢的时候输出电压低，不可用，所以必须转得快。而我们的研究可以在低频下输出电压，把人类微小的活动有效地变为电力，把我们环境中的废能变成有效的能——这就是发明。

电磁发电机它转得快才能够驱动（做功）一点，而摩擦纳米发电机转得慢却能驱动做功很多，所以这对于低质量能源的回收是一个非常有效的方法。从理论上讲，纳米发电机克服了电磁发电机在低频下很难高效做功的致命弱点。所以这是“零”的开始，它们的原理不一样，各自的应用必然是不一样的。2005年我做纳米材料研究时，提出了“纳米发电机”的叫法。

我先讲它的几个基本应用，最后讲怎么解决海洋发电的技术问题。首先要介绍微纳能源——我们的任何活动都是微纳能源，我们无时不刻不在产生肢体运动，怎么把人的活动变成有效的电力，这将会是一个无穷无尽的能源库。

怎么利用雨水发电？| Pixabay

自然环境中也蕴含许多的微纳能源——比如利用雨水发电。一般情况下雨水很难发电，特别是下雨时没有太阳光，晴天的时候没有风，这些天气下都没法发电——这种不稳定性对供能提出挑战。因此，我们也研究如何能把雨水发电和太阳能发电结合在一起，称为“复合型能源”。

在监测环境时，会有很多监测装备。比如有二氧化碳检测器，有水质监测器；这些仪器都需要定期更换电池，否则无法工作。为了解决这一问题，我2006年提出“自驱动系统”的概念——就是利用环境里边的震动能、风能等微纳能源，保证仪器可持续地运转，如今这一理念风靡全球。

我们利用小盒子进行风力发电，发电以后能够探测空气中的一氧化碳的含量，然后把信号无线发射出去，形成一个监测环境的自驱动信号网——这也叫“小风力发电”。

同时我们也研发了自驱动传感。比如这个智能键盘——该键盘会把打字产生的电信号全部记录下来，键盘下面装有纳米发电机，这种记录会分析打字的习惯，敲字符的轻重、快慢，从而记住个人的特点。因此，智能键盘不光能识别密码，还能识别输入密码的敲击方式；如果敲击方式与用户本人不符，电脑就无法登录——这是一种双保险，键盘会对人的行为习惯进行分析记录。

很多同学经常打乒乓球，我们做的乒乓球边缘上的传感器就能识别你的球是打到哪个部位，不用通电，只要敲上去就能反映出来，知道球落在了哪个角落，从而界定有效球还是无效球。这个是我们做的体育方面的应用——你可以想象在排球、羽毛球各个方面，包括一些竞技竞赛，都可以运用。

自驱动的智能屏，也可以利用我们的技术实现，只要接触就能产生电信号，并会无线发射出去。

在图书馆，我们把纳米发电机安置在书里边，就能够自动监测，人什么时候翻过那本书，翻动会变成电信号，并无线地发射到接收端去——这对很多做收藏、做文物保护的工作有作用。

中医数值化和脉搏血压的实时监测 | 王中林供图

在医疗健康领域，把纳米发电机装在手臂上，可以实时探测人的血压，这对于很多老年人非常有用。

基于摩擦纳米发电机的自驱动传感：机器人 | Hengyu Guo†, Xianjie Pu†, Jie Chen†, Yan Meng, Min-Hsin Yeh, Guanlin Liu, Qian Tang, Baodong Chen, Di Liu, Song Qi, Changsheng Wu Chenguo Hu*, Jie Wang* and Zhong Lin Wang*, A highly sensitive, self-powered triboelectric auditory sensor for social robotics and hearing aids, Science Robotics, 2018, 3, eaat2516

也有纸质的纳米发电机，放在耳朵里面像助听器一样，不需要电源，它可以作为一个麦克风来回录制你的声音。

在声音的触发下，纸质做的摩擦纳米发电机发生震动，产生的音频信号变成电信号，返回来放的时候能够保证90%的还原度。它是纸质做成的，不是其他复杂材料，发出的声音可以让机器人去识别，机器人进行判别谁在和它讲话。

讲了这些，大家觉得这和海洋发电有什么关系？好像没有关系，但其实这关系到蓝色能源。我刚开始提到，海洋的能源频率低、分布广、环境恶劣，很不稳定；怎么把这些能源收集起来——这是我们要解决的问题。

风浪中的纳微小球

为此，我们就把摩擦纳米发电机做成下图这样的球形——这个球形放在水里，它在晃动时内部的结构发生变化，结构变化过程中产生有效的电力。

网状联结数以百万计的可捕获低频海波能量的摩擦纳米发电机。本图是网络状虚拟结构图，右上角是设计的球形纳米发电机 | 中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

未来如果我们做出网格式结构，我们就可以有效地把海洋分布广的能量变成有效的电力，也可以把这种结构布置在沙漠里，把风能变为电力。

我们也做很多实验，在模拟场所里面做，也在现实的海里边去做实验。前期发电的频率比较慢，海浪打一下就没了。为了放大它的频率，我们用这种摆锤式结构，可以在受浪冲击后持续摆动80多秒不停下来。每一个摆动它都在持续地发电，这种设计就是把不稳定的、低质量的、低频的能源变成电力。

这种结构使用的寿命也长，浪一大它可以摆很多次，不需要大风大浪。它可以昼夜不停地发电，晚上也发电，有风有浪的时候更好——所以它是一个可持续的能源，也是比较稳定的能源。

想想看——海上放很多这种单元的时候，它的输出是固定的，通过能量管理可以做到高效的利用。

我们实验中，在低频触发下，能量转化效率可以达到28%。过去的发电方式用线圈、磁铁、电磁感应定律，我们现在用的是高分子材料，在频率比较低的情况下，我们能够把低质量能源变成有效的电力，在频率高时可以依旧使用传统的发电方式，形成一种互补。

一个网球大小的球，目前发电能达到4个毫瓦 | Pixabay

把过去用不了的能源高效地利用，这能发多少电，我做了个理论估值——先做一个网球大小的球，这个球目前发电能达到4个毫瓦，如果按未来10个毫瓦估算，我们以后利用山东省大小（15.8万平方公里），一米深的水，发的电量是1.58太瓦——相当于全国总能耗。同时还能不断延伸到更深的水域，而整个发电过程无碳释放，而且是比较稳定的。

这是我们在推进的一个未来解决碳中和问题的根本路径。我们在做前期的开发工作，希望能够为国家，将来甚至为世界做出贡献来，因为海洋的资源是无穷的，它的成本也是偏低的。我相信继续的研发，能够更加大大提高它的效能，也能减少它的成本。

和原来的电磁发电利用传导电流发电不同，我们利用位移电流发电。通过无线发射，从空间传入的能量电流叫“位移电流”——这是我们原创的路线，它对于低频下的能量最有效。

所以什么叫“颠覆传统”？什么叫“从零到一”？不是改一个小东西就行，颠覆传统是“completely different”“Disruptive technology”——即颠覆性技术。这个技术是从根本原理上的不同。它的应用第一个是微纳能源，包括我们分布式能源；第二个是自驱动传感，人工智能依靠大数据的支持，数据需要传感器，怎么使传感器不断地输出信号来，利用的是自驱动传感；第三个是蓝色能源的概念——目前这一概念尚处在实验室的研发阶段，大家可能觉得离应用还为时尚早。

不过，回看过去，1831年法拉第发明电磁感应定律的时候，当时人们还不相信它的应用前景。法拉第那时候跟人做科普，就像我今天给你做科普一样，人们肯定觉得这没有用。

但是，1926年特斯拉预言智能手机面世的时候，别说手机了，连晶态三极管还没有发明。晶态三极管是1948年发明的，集成电路的发明是1956年，大规模集成电路的发明是1970年，很多技术加在一起才有了智能手机。法拉第那个年代，没有人会料想到未来发生的事情。所以对未来、对原创，要有开放的胸怀、有接纳的胸怀，不要一棍子打死。我们一定要对新生的东西给予支持和扶持，否则我们永远没有原创。

我们也办了一个科普园，叫“Maxwell创新科普园”，大家可以可以去参观。

我们在这里普及原创发明的技术，让中小学生能够深入理解它的物理内涵。所以最后，我想说，经常我们在预言未来，你要去创造未来，科普是点亮我们每一个人对科学的认知，同时也是我们进一步开发出新的科学、新的技术，做前人做不到的事情。那么我们相信，我们的未来不是靠预言出来的，我们未来的世界是靠创造出来的。

感谢各位。

王中林演讲视频：

大海深处有什么？不要再轻易相信冒险电影了！快来看看我们中国的科学家在大洋深处发现了什么吧（据说海底还有“烟囱”……？）。

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作者：王中林

监制&策划：吴欧

编辑：李霄 蔡祎

排版：尹宁流

校对：蔡祎

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