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爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

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出品|网易科技《科学大师》栏目

作者|章剑锋

诺贝尔物理学奖获得者名单,一般是每年10月上旬由瑞典皇家科学学院正式揭晓。去年,在物理学奖揭晓前三个小时,瑞典国家电视台STV的屏幕上出现了王中林的照片,以及他有可能获得该奖项的预测。

这不是空穴来风,在王中林的办公室里,网易科技《科学大师》记者亲睹了相关的照片资料。

王中林的名字和诺贝尔奖发生联系,不是一次。

早在2015年,汤森路透发布当年的“引文桂冠奖获奖名单”,在这个名单中,王中林被预测有机会获诺贝尔物理学奖。媒体称,汤森路透根据过去30年间发表研究成果的被引用次数,成功预测过37位诺贝尔奖得主。

被誉为“纳米发电机之父”的王中林,迄今已三度获得诺贝尔物理学奖的提名。

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

瑞典国家电视台2020年10月6日的电视截屏照片,预言王中林有可能成为物理学奖得主。图源/受访者提供

作为国际公认的纳米领域顶尖科学家,王中林有许多头衔,诸如中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士等。2016年,他被全职引进回国,组建中国科学院北京纳米能源与系统研究所,担任所长和首席科学家。他的另一个身份是美国理工名校佐治亚理工学院的终身校董事教授。

去年10月,全球最大学术出版商EIseviery旗下机构Mendeley Date公布了全球所有学科10万名科学家终身科学影响力的排名数据,王中林的终身科学影响力排在世界第5位,2019年年度科学影响力世界第一名。此前,他先后摘得了爱因斯坦世界科学奖和有能源界诺贝尔奖之称的埃尼奖等诸多国际重要奖项。

发表论文1900篇,被引用28万次。

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

王中林院士在2019年爱因斯坦世界科学奖颁奖典礼上以获奖人身份致辞。/图源:世界文化理事会

在纳米材料领域,王中林是世界上第一代科学家群体的一员,用王中林自己的话说,“在纳米还没叫纳米的时候,我就在做纳米研究了”。上世纪80年代初,他在美国即已进入这一领域,陆续取得多项耀眼的科研成果,其中的纳米发电机和压电电(光)子学,作为开创性的原创领域,在国际学界举足轻重。

纳米发电机是一种在纳米范围内(最小的物质尺度)将环境中的机械能量转换为电能的能量采集转换装置,被称为世界上最小的发电机。

王中林告诉《科学大师》,自从2006年纳米发电机第一次问世以来,纳米发电机的概念和应用也有质的飞跃和升华。纳米发电机现在是一种利用麦克斯韦位移电流把机械功转为电功的领域。例如,空气或水的流动、引擎的转动、机器的运转等引起的各种频率的噪音、人行走时肌肉伸缩或脚对地的踩踏、甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化,都可以带动纳米发电机产生电能。在王中林的表述中,这为目前实现物联网和传感网络以及大数据提供了理想的电源和传感技术解决方案。

在中科院北京纳米能源与系统研究所的麦克斯韦创新科普实验园里,王中林的摩擦纳米发电机技术科研成果一一被展示:采用柔性材料编织的发电衣,穿在人身上就能将运动能量转化为电能;走路就能通过摩擦纳米发电技术发电的智能鞋;晃动叶子就能点亮小灯泡的植物发电机……。

而压电电子学和压电光电子学效应在2007年和2010年先后被王中林在世界上首次提出,认为普遍存在于第三代半导体材料与器件中,相继建立起两大新兴学科,被认为在人机交互、微纳机电器件、传感和自驱动系统,人工智能、智能电子签名、能源采集、生物医疗等领域具有进一步的应用潜力。

眼下,中国科学院和北京市正在怀柔共建一个占地100平方公里的怀柔科学城,“60后”的王中林去年率先整建制地把研究所迁到怀柔科学城,园区建设起来了,团队也在陆续搭建,王中林显得干劲十足。

“看我们目前的情况,未来会更宏大。”王中林对《科学大师》说,“我回国时就提出来,必须要有我们的科技引领性。不是美国人做日本人做,我就必须去做。要变成我们在前面做,他们跟着在后面做。”

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

2019年,王中林院士获阿尔伯特.爱因斯坦世界科学奖,成为首位获此奖项的华人科学家,该奖每年只颁授给全世界范围内的一位杰出科学家。/图源:世界文化理事会

一,世界首创的纳米发电机,可不只是一台机器那么简单

《科学大师》:摩擦纳米发电机的研究成果问世之后,目前的发展状况怎么样?

王中林:纳米发电机最早我是在2006年研究出来的,正在飞速发展,这是目前全世界最活跃的科研领域之一。

自从我们的研究成果发表以后,全世界每年有两千篇文章发表,有57个国家和地区,800多个单元,研究人员数量达到6000人以上专注于这一领域。

字面上理解,纳米发电机好像是个机器,其实它是个交叉科学领域,涉及化学、物理、机械原理、电子学,特别是在能源和传感两方面,它覆盖的领域很广,是个系统,什么都需要它,所以是可以跨领域的新学科。

《科学大师》:它的用途是什么样的?

王中林:最核心的用途一块是能源,还有一块是传感。

能源上,我们大家出门都拿着手机,长时间使用就没电了。没有电源,手机就不能自己充电。能不能越来越多地用纳米发电机来持续充电。这种技术我们已经开发出来了。比如你在刷手机的时候,触屏的动作就能发电。手机壳,也可以做成纳米发电材料。或者我们把材料做进鞋子里,你走路的时候就可以把机械能量收集起来,转化成可用电力。

我们现在是化石能源时代,都在烧煤、烧油,这些能源是不可回收和重复利用的,是不可再生的。一旦烧完,就没有了。纳米发电机技术,能够在自然环境中、日常生活中收集机械能量,一举手一投足之间都可以产生电力供应。尤其对慢动作、低频率的能量收集和转化,使它变成有效的电力。比如说,现在的风力发电机,一般是达到3级以上的风力才可以有效发电,而我们的纳米发电机在微风驱动下就可以提供有效的电力。

我们也设想把纳米发电机阵列装置放到海洋上,因为海浪的运动是持续的,可以提供无穷的能量,我们收集水波的机械能,用来高效发电,可以取之不尽,用之不竭。这种蓝色能源,我认为会是解决能源瓶颈的根本途径之一, 同时也是实现碳达标和碳中和的重要技术支撑。

虽然说我们正进入人工智能时代,但任何机器,不管它有多强大,都需要电力驱动,没电一切都是零,你(如果)把电源线铰断,任何智能的机器都瘫痪了。而纳米发电机从环境中收集能量,就可以驱动机器,实现可持续运转,不需要什么外接电源、充电桩,能自供给电力。

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

阿尔伯特.爱因斯坦世界科学奖奖章。图源/世界文化理事会

纳米发电机的重大应用领域。/图源:受访者提供

纳米发电机的发展技术路线图。/图源:受访者提供

《科学大师》:纳米发电机在传感方面的应用会是什么样的?

王中林:可以应用的方面很多,比如安防、人机界面、穿戴式电子产品、野外防火监测。例如医疗康复,我们的发电机可以帮助受伤的人员测他肌体恢复的力度,医疗健康的检测、血压检测、跑步定位,还有包括衣服上,能实现心率、心电监测。

安防上面,有些特殊场合人不能进去,你把摄像机整天开着,那得有灯,没有灯它不能摄像,有些地方可能好几个月没人进去,有一天忽然有人误闯,怎么办?我们就把纳米发电机做到地板上,人一进去,摄像机“啪”就打开了。这样一来数据量就大大减小了。

更智能一些的,就涉及对前端传感数据的快速统计分析,比如智能书写和语音识别。我在讲话,这个声音是我发出的,音频里面有我的数据特征,只能识别成我的,而不是别人的。打字的时候,你指头按压的信号数据,它也可以分析并做身份识别。还有机器人的手臂,它本来是没有知觉的,怎么做到有知觉,使它的抓取过程能有即时的分析、判断和反馈。纳米发电机在这些传感方面都可以应用到。

《科学大师》:目前来看,最有可能率先获得应用的是在能源方面,还是传感方面?

王中林:我认为在传感装置方面的应用会来得快些。我们现在已经有几家孵化的公司了,比如利用摩擦发电的技术,实现对室内空气的净化,这个公司市值目前达到了4亿。第二个是装在鞋子里面的发电机技术,已经通过中试。第三个是测血压信号的技术,涉及疾病的诊断和康复检测。第四个是智能键盘,产品已经开发出来。第五个是机器人智能手。这都是我们所孵化的,全部是我们自己的技术和想法。

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

中国科学院北京纳米能源与系统研究所位于怀柔科学城的园区。 /图源:纳米所官网

二,做原创科研,要有经得起别人质疑的定力

《科学大师》:纳米发电机技术要想广泛落地应用,需要政府推动吗?我知道最早是中科院的主要领导邀请您回来工作的,你们所也是国家顶尖人才计划的产物。

王中林:对于任何崭新的科研领域,政府的支持是十分必要的。因为企业希望投资进去能很快有回报,但是发展新技术不是一天两天就能见到效益的。前期一定是政府看到它在未来的潜力,先做基础研究布局,做技术推广布局,把该解决的问题都解决了,铺平道路,然后进入工业化阶段,投资者进来,大规模做起来。

我们中国人自己做的东西,一旦有了非常好的苗头,就一定要大力支持,否则你怎么可能全球领先?

像纳米发电机这个领域,美国人还没有做我们就做了。如果我们自己做的原创科研,自己都不去推广,我们怎么引领?何况相比其他一些还难以看到落地前景的科研项目,我们做的是看得见摸得着的东西,是对是错,你自己来看就明白了。

现在国外很多人来我们这里学习,我们是完全开放的,谁来我们都接纳。你的科学发现很重要,就要让更多人知道,要让人人都用得上。我还不怕别人来追赶,我们不断创新,不断有新招。

爱因斯坦科学奖得主王中林院士:原创发现不是专家能评出来的

图源:世界文化理事会

《科学大师》:发展过程中面对过什么样的挑战和压力?

王中林:我们这个所是2012年开始建设,最开始连办公地点都没有,就在外面租一个地方,完全从零开始。8年走过来,你说能没有风雨,能没有困难吗? 但是遇到困难的时候,我告诉自己,要坚持下去,天底下没有办不到的事。

我们所初建的时候,还不成型的时候,有些人认为我们办不成。当时听到这种声音,如果认怂,我早就卷起铺盖走人了,早就歇下来了。

我这个人是这样的脾气,你要说我办不成,我就非要把它办成不可,还要干出成绩,还要干到最好。

大家当初不看好,是因为不了解我们的研究,他们从主观上觉得你纳米发电机能发几个电?他就没有想过,为什么全世界到现在有6000多位科学家跟着我们走,人家难道就没有自己的判断力?

从今天看,我这个团队培养出来的学生,学生的学生,算下来有上千人了。百年发展之大计,我们把人才培养起来,把这个领域树立起来,下个十年希望有更多的产业相应发展起来。在最近斯坦福公布的全球十万名科学家排名中,我有四十多位学生在列,说明我们的方向正确,人才兴旺。

《科学大师》:科研有点像押宝,科学家一开始可能都会有迷茫期,您在前景不明朗的时候,有没有动摇过?

王中林:这么多年走过来,从0~1,必然会面对各种质疑。首先,你做的东西为什么别人没有做?是别人都没有想到?第二,别人都没有做出来,你能做出来吗?第三,你做出来又有多大影响力?第四,即使有影响,那会有多大的影响?等着你的是这一连串的问题,你回答得了吗?

我经常跟团队打气,法拉第(英国物理学家)发现电磁感应定律是1831年,他后来又研究出简单的发电机,到现在有190年了。当时如果有人问法拉第,你这个东西能驱动全世界吗?他怎么回答得了?

话说回来,就像女人怀胎一样,科研也有一个过程。从一个小小受精卵开始,随时都可能流掉,因此前三个月是最危险的。过了三个月,稍微稳定了,但还不成型。熬过五六个月,就成型了。过了6个月,就是快速的成长期。我们纳米发电机的发展就好比现在到了6个月这个时候了。

诺贝尔纪念馆大条幅上写着著名的科研三阶段,我都经历过:第一阶段,有人认为你的科研原理是错误的。第二阶段,有人认为你所做的科研是早已经被人发现过的。到第三个阶段,他们认为你从开始就肯定会成功。这个过程中,不光是国内同行有人挑战我,国外的人也挑战我,说你的原理不对、你的信号是假的、你的发现没有用等。我们最后通过大量实验数据,证明他们才是错的。

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2018年,王中林院士获颁埃尼奖,成为获得该奖的首位华人科学家。埃尼奖与计算机界图灵奖、数学界的菲尔茨奖及沃尔夫奖等并称自然科学领域性的最高奖项。/图源:受访者提供

三,科研,要么能上书架子,要么能上货架子

《科学大师》:不少国家都把纳米科技纳入到国家科研战略,很重视它。对于当今世界来讲,纳米科学为什么是不可或缺的?

王中林:任何物质都是由原子组成的,虽然物质和物质的形态有差异,但最核心的组织是一样的,就像人类的遗传DNA。你如果能在科学层面都把它理解了以后,你就可以像搭积木一样操控它,进行更微细更精确的操作,就像去年两位诺贝尔化学奖得主,她们的研究成果就是开发出基因组编辑方法,可以对基因进行某些方面的剪辑。

比如我们的手机,里边的基本原件构成就是三级管、二级管、电阻、电容等,把这些东西组合在一起就形成复杂的电路设计,这些东西集聚起来,产生了一台手机。基于纳米尺寸上物质所具有的独特性,当我们从纳米级上把微观的东西搞清楚了,你就理解了最基本的单元了,才有可能更好地掌握宏观的东西。纳米科技是干这个事儿的,所以这就变得很重要了。

《科学大师》:国际层面,纳米科技是一个什么样的竞争态势?

王中林:国际纳米领域,我们中国是走在前面的。上世纪90年代前后,纳米领域作为新兴科学领域,我们这一批留学生刚好赶上,我们和西方都处在同一条起跑线上,加上国家的支持和科学家的努力,我们一直在往前走。

目前来讲,纳米发电机和压电电子学,我自己敢说在全世界都是最领先的、是领头羊。我的一个看法是,在纳米科技方面中国人还需要做更多原创的东西,经常我们还是在跟随西方,跟随国外。

很多情况下,学者们还是追求发表论文,我们的基础研究虽然做得不错,但是和工业化应用没有很好地衔接起来。

纳米科技发展到今天,核心是要为社会解决重大问题。如果不解决问题,在科学上取得进展也是好的,或者发现新原理、新现象、新效应。但是目前这一类还是太少了。如果没有科学研究的突破,你就要注重怎么样把应用搞上去,往实业、产业走。这一点要向日本人学习。

我的观点是,我们做科研,要么能上书架子(在基础科学上要有成果,在国际顶级刊物上有声音),自己的发明可以写进教科书;要么能上货架子(真正把成果应用到祖国的大地上去),造福于人民。如果两个架子都上,那是最好。

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被誉为能源界的“诺贝尔奖’埃尼奖奖章。/图源:受访者提供

四,颠覆性研究,既要大力提倡,更要真抓实干

《科学大师》:讲到颠覆性研究或者重大原始创新,您觉得有规律可循吗?

王中林:现代科学发展到今天,没有被发现的东西太少了,基本发现得差不多了。像纳米科学发展这么多年,能被提出的新概念、新发现很少,想再有更多颠覆性的创新,或者说更多重大原始创新,看起来空间并不是那么大。

既使有空间,但解决不了。比如贵金属中的铂金,用它来做催化是最好的,但全球的铂金产量是很有限的,你能不能用简单金属来取代它,达到同样的催化效果?如果这个问题解决了,那就是重大的原始创新,大家都知道,但解决不了。

而且要解决某一原创的问题,或者将之发展成为一个科学领域,至少需要10~20年,说十年磨一剑,那都说少了。

重大科研创新的出现,也是各种综合因素聚合起来的结果,愿望人人都有,但能不能实现,就像攀登珠峰一样,不是人人都能登上去的。

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王中林和他的科研发明。/图源:受访者提供

《科学大师》:如果是这样,那提倡原始创新或者说颠覆性创新,有什么必要和意义呢?

王中林:我举个例子,美国当年提出“星球大战”的战略,这是他们的终极目标,在过程中,就带动很多技术往前发展,虽然“星球大战”的终极目标没达到。我们现在把原始创新提得这么高,总会有带动作用,创新风气也能营造出来,这个方向是对的。

比如我们要探测火星和月球,这个目标会带动很多相关技术的发展,例如传感技术、推进技术、通讯技术等。

我的目标和行动,你是能感受到的,是实实在在地在做事情了,战斗在科研第一线。我觉得核心还是要让更多的科研人员静下心来做事情,要淡化各种各样的奖项和人才帽子,这样才能真正推动科学发展。

经常学生问我,导师该怎么选。我说你就选那些战斗在科研第一线的活跃分子。我们现在国家提出在科技创新上“揭榜挂帅“,国家提出一些指标,你敢揭榜上,凭你的真材实学能把问题解决。我认为这就很好,是一种接地气的做法,会带来积极的效应。

这同时,我们也要避免一些认知误区。

有些人提到颠覆性创新,很多时候可能都没有完全理解什么叫颠覆性、什么叫原创。你要让国际学术界公认,他们都跟着你干,那才行,而不是我们自认为是颠覆性的,就是颠覆性的了。那是不行的。

原始创新,也不能只是由专家们来评。我的一个看法,真正的原创不是专家们能评出来的,而是要科研人员自己坚持勒紧裤腰带做出来的,需要实干。

如果你有一个原创的研究,在开始只是一个想法或者说是有限的数据,还有很多没有回答的问题,如果让专家评审一定通不过。这就是我们国家原创太少的原因之一。

这就要求我们有一个很好的创新体制,专家评审可以有,但应该考虑降低比重,作为一种参考依据是可以的。更核心还是要把科研环境和氛围建设好,激活、释放科研人员自身的能动性和创造力,提升科学至上的学风,谨防浮躁和盲目的跟风。

资料参考:新京报等。

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