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“虽然纳米发电机的发明是从一个不‘经意’的故事开始的，但是我们还提出了从2017年到2027年的发展技术路线图。这就有待于年轻学生投入这一行，将其发扬光大。”
科普非常重要，因为它能激发我们对科学的热情。这次，我们就用发明的故事来讲解从摩擦起电到新时代能源的原创、技术和应用。
我们提到科学研究，其实就是在聊原创，那么什么是原创？
例如我们日常使用的电脑，就是一大发明。1976年苹果的第一款到1987年的中间的一款，再到2020年的最新款，是经过了几十年的发展。
苹果电脑是一个原创，但它不是最早的原创。
而最早的原创离不开二极管、三极管和集成电路。我们可以先来了解一下从0到1的研究，这些发明当时是怎么出来的？
图片是世界上第一个晶钛三极管和世界上第一块集成电路。从第一个微处理器到第一个小计算器Intel，再到现在的集成电路，都是原创。
并且这些原创给我们生活带来了翻天覆地的变化，但是每一个原创后面都有动人的故事。
我想分享的其中一个故事是关于纳米发电机的发明过程，以及它对未来技术的影响。
纳米发电机的发明
提到能源，大家都会对煤、油、气非常地熟悉。而能源的变革就是人类历史上重大技术革命的根本。
从蒸汽机时代到电力时代，从电报、电话到现在的手机时代，我们人类的文明一步步地往前发展。
到现在，我们也有更新的发明——微纳技术。
什么是微纳技术？例如你的手机里就有上亿个小的三极管。
我们很多的发明都是和这一技术有关的。因为当器件越来越小的时候，它需要的功耗就越来越小。
那么这个小的功耗，就是与前面提到的微纳能源有关。
2005年，我带着学生开始做纳米材料——生长纳米材料，并且用这纳米材料来测它的力学性能。
有一天，我们想着光测它的力学性能还不够，能不能测它的压电系数？
有些材料在应力作用下，会发生微小的形变，并且产生了小电压。那么这种材料就叫压电材料。
所以我们就用原子力显微镜来测，当时的输出是5毫伏。因为当时用的是纳米材料，输出的是毫伏级的电压，所以我们叫它纳米发电机。
后来，我们就一直提升它的输出。这是我们第一次把单根纳米线放到人的手指上的时候，用手指的动作来收集能量。
这种能量原是杂乱无章的、散落在我们环境中、无法再利用的低质量能源。之前我们做不到把这种杂乱的功变成电力，但用纳米材料做的纳米发电机有可能将其实现。
2009年，我们就想着能不能用动物的无规则运动发电。利用小发电机，将这只小仓鼠的运动转变成一个小电力。这就是我们的第二步。
在继续提升的过程中，我们就发现了输出是可以被不断提升的。
上面中间的照片是当完成第一步的时候，我和学生的合照。这张照片一直引导着我们从2006年走到了现在。
2011年，纳米发电机有了50伏的输出。从5毫伏到50伏是一万倍的增加。
同时，压电式纳米发电机、摩擦纳米发电机、压电电子学、压电光电子学、蓝色能源等等新领域、新理论也出现了。
而利用这50伏的输出，我们就可以做一些生物上的刺激。例如神经元的刺激。
在这一阶段，我们不断坚持、不断寻找如何使器件能够更好地输出，所幸，我们最终有了一个重大发明——把小小的现象变成一个伟大的发明。
有一天，一个学生告诉我这个纳米发电机的输出有3到5伏，比预计的要高3到5倍。
我说我不大相信，就再重复做20个——5个有、15个没有，再重复20个——7个有、13个没有。
但是我们没有放弃，通过6个月的研究，我们发现是摩擦起电在这里边起了作用。因此，我们把它叫做摩擦纳米发电机。
虽然这是一个偶然的机会，是从一个错误的实验中总结出来的。尽管刚开始只有3到5伏的电压，但也是一个新的发现。
摩擦纳米发电机
什么叫摩擦起电？无人不知，无人不晓。
我们知道玻璃棒和毛皮摩擦就起电荷，这个就是静电的产生。
而电子流动产生电流，但静电荷是静止的电荷，电荷怎么会流动呢？我想大多数的中学教材都没有解释。
所以尽管摩擦起电具有2600年的历史，但是关于它的科学解释仍然不太清楚。这是一个被科学遗忘的角落。
雷电是最典型的摩擦起电，秋冬早上穿毛衣时啪啪地放电也是由于摩擦起电。
我们利用摩擦纳米发电机，就能够把用嘴吹出的微风变成一个小的电力。第二个是利用人的自由行走就能产生几瓦的电。
这些都是我们以前做不到的，但利用摩擦纳米发电就可以做到。
对于生物工程来说，不管是什么器件，只要植入到体内，电源都是必需的。
例如心脏起搏器。摩擦纳米发电机可以被做成片状的、然后被植入体内，这就是首个运用摩擦纳米发电机驱动的商用的心脏起搏器。
制作这个心脏起搏器的自驱动，总共耗费了12年的时间。
自驱动是利用人体的活动或者呼吸来产生微小能量。目前一次呼吸所产生的能量，已经能够驱动这个心脏起搏器运行一次半，这是一个很重要的里程碑。
因为对于人体的监测来说，不管体内、体外，都是需要这种微小的能源，也就是微纳能源。
这个能源不大，但也无法离开他，这也是小能源、大用途。
特别是现在的医疗健康和护理，例如日常穿戴的电子产品是离不开电源的，所以微纳能源技术的发明，提供一个全新的获取能源的方式。
2014年，我和团队首次用雨水滴下来的这一活动成功发电。这样一来，我们可以做一把伞，在下雨的时候，伞可以闪闪发光。
因此，雨水也可以发电。也有人问我，微纳能源什么时候能够驱动这个世界？
我说这个需要比较长的时间，但是，回过头去看以前的水力发电，电磁发电机的应用，你很难想象到1831年电磁感应现象所用的设备，后来能制造出如此大的涡轮机来发电，并且带动了全世界。
而电磁发电机调用的是高质量的能源，我们带动涡轮机来转，用的是散落在环境的低质量能源。
它的频率低，并且杂乱无章，有一下、没一下的，不太好利用。我们的发明正好弥补了电磁发电机的短板。
因为在这个慢动作情况下，电磁发电机的效率很低，而微纳能源技术的发电效率是较高的。
所以从理论上讲，利用微纳能源发电是一个崭新的领域。
我们每天用的石油、煤气和天然气，那些热都跑哪儿去了？都散落在环境了，这也就是为什么全球会变暖，因为总能量是守恒的。
所以，能源的分布是一个熵增加的概念——就是趋向于平衡、趋向于发散。在这种前提下，很多能源一旦放出去就回收不回来了。
微纳能源技术的应用
因此，微纳能源技术能够再利用散落在环境中的能量，那怎么能够将其大规模的应用呢？
例如海水的运动是有一下、没一下，我们可以模拟海浪，将摩擦纳米的球形发电机放进水里发电。
又或者运用网格式结构的发电网，放置于海岸线进行发电。它可产生75太瓦的能源！这是全世界总能耗的四倍多。
但现在，我们无法运用这个有效的技术，迈向海洋、迈向蓝色能源，还有很长一段路要走。
而纳米发电机不光是产出能源，还可以传感。只要你触动一下，它就有一个信号输出，并且不需要任何的放大和外界的功力源。
例如自驱动传感器，它给你信号，但不需要你再加其他任何信号。同时，我们人工智能最近在做的一个工作就是和乒乓球相关。
乒乓球的落点是有大数据的，这需要高速摄像机去捕捉、测量。我们也可以用这个去分析一个人打球的习惯。
我们还可以测那些有效球和无效球。球有无碰到上沿或边缘，有时候光凭眼睛是很困难的。
利用放置在球桌边缘/上边沿的摩擦纳米发电机，可以判断它的电信号是否有效，从而判断是否是有效球。
它和人工智能的大数据采集相关，这就是智能体育。
摩擦纳米发电机的传感功能还可以应用于图书馆资料的监护。
但如果放个电池进去，可能三个月就没电了，这时我们就需要摩擦纳米发电机，来产生一个自己的无线信号。
只要一个轻微的触碰，即使是指尖划过一行字，都可以产生微小的功力以无线传输信号。
摩擦纳米发电机用的材料是非常多样的，例如头发、衣料、塑料和纸张。
这是用纸张做的一个声音触发的助听器，还有一个可以记录声音的麦克风。
它可以把音频变成电子信号，然后记录下来，同时也可以回放。不仅没有任何其他功耗，还保证信号90%不失真。
以及人机对话，机器识人的部分就是应用到了纸张做的摩擦纳米发电机。
所以纳米发电机的发明有四大应用领域：微纳能源、自驱动传感、蓝色能源和高压电源。
虽然纳米发电机的发明是从一个不“经意”的故事开始的，但是我们还提出了从2017年到2027年的发展技术路线图。
这就有待于年轻学生投入这一行，将其发扬光大。
传感网络应用对能源的影响
那么传感器对能源有什么影响？
为了给移动通信供电，我们做的工作中包括分布式能源。
分布式能源就是小器件。全世界的物联网传感器，都是靠小的器件来实现分布式能源的分布式的应用。
这正是我们能源回收所干的事——新时代能源。
它是应用于物联网和传感网络时代的分布式、移动式的能源。它虽然功率小，但数目巨多。
我们生活在新时代，所以提到能源，不要一想就是大电站。
我们现在还有微纳能源。而微纳能源有多大的市场的价值？
根据美国公司idtechex对它的估值，摩擦纳米发电机到2040年至少有10亿美元的市值，分布式能源到2040年有3500亿美元的市值。
科学原创
那么它的科学原创是什么？
我们现在的发电机是电磁池发电。电子在金属棒的流动能够产生电流这叫传导电流。
而另外还有一种电流叫什么呢？是1861年麦克斯韦提出的位移电流。
麦克斯韦说“位移电流不是电子产生的电流而是随时间变化的电场产生的电流。”
说的通俗一点，手机能收到信号，就是因为位移电流。它使我们的生活发生了翻天覆地的变化。
所以对于纳米发电机来说，2017年，我们做到的是拓展了麦克斯韦方程组，以适应新时代能源的理论。
最早提出这个位移电流的时候，是同一电磁场，位移电流才引出来我们现在无线通信，广播、光的理论、电磁感应激光等等。
电磁发电机用的是传导电流，纳米发电机用的是位移电流。所以，位移电流就是我们纳米发电机的基本的理论基础，它还有待于进一步的发扬广大。
早期1831年，法拉第做电磁感应定律的时候，好多人是不大相信的，人对这种东西不能接受，我相信他可能都没想到，它后来能对世界产生这么大的影响。
我们今天拥有这么美好的生活，是来自很多科学家的贡献，一个微小的效应能够有这么大的社会效应，当时是想不到的，这是上百年多少代科学家和工程师的努力，而不是靠一个人就能努力到的。
所以，原创发明和社会发展是非常密切相关的。
1926年特斯拉做了一个预言，他说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的一个颗粒或部分，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，我们就好像面对面谈话一样。
晶钛三极管是1947年、1948年发明的，集成电路是1956年发明的。几十年前，特斯拉这些伟大的科学预言经过100年的努力到现在都实现了。
推进科学发展的思想
如果我们到瑞典去，诺贝尔纪念馆有四大条幅。
第一个是Louis AgassizLOUIS AGASSIZ，19世纪的一个科学家。他说过，每一个科学真理要经过三个阶段。首先，人们说它是和圣经相抵触;
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。
第二个是爱因斯坦。他说，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。
摩擦起电，没有比这再老的现象，我们从新的角度去看它，重新理解它，就有新的能源的产生。老的现象，新的角度来看它，就是一种创造，这就叫科学。
那么当然，爱迪生说的1%的灵感加99%的汗水，它不光是加的关系，是乘积关系。
只有灵感，不下工夫，白有灵感。没有灵感，白下苦工，那么汗水白流了。
还有一个使科学进展的是新思想，甚至包括错误的思想。
最后一个，当你解决一个困难和一个问题的时候，开始的方案是非常复杂的。
绝大部分人就停止了，但是如果你继续寻找，锲而不舍，金石可镂，最后你可以发现一个非常简单而且巧妙的方法，这是Steve Jobs说的名言。
未来需要年轻人创造
全世界有56个国家和地区，800多单位，4700人在跟随我们做摩擦纳米发电机的研究，可以说风靡全球，我们国家是原创和领先的。
从一个小的现象，我们可以做出这么大的引领。我们还需要更多的年轻的学生，投入到这个研究里边去，使它更能发扬广大。
所以，预测未来，不如去创造未来。
怎么创造，靠谁来创造，是靠我们一代一代的学生我们的年轻人去创造，这才叫创造。
科普很重要，科普是为了培养下一代更优秀的科学家。在曹霞老师几年的努力下，我们做了一个Maxwell创新科普园，这个创新科普园就利用摩擦纳米发电机的发明的原理，做出了一系列原创的科普展品。
目的是什么，第一个我们要使我们的研究要上到书架子。第二个使我们的研究上到货架子。
怎么上到书架子？科学原理要新，才能上书架子。
怎么上货架子？能用到千家万户老百姓里边，更重要的是要深入到我们年轻的学生的心目中去。这才是我们做这个科普园的一个初衷。
