在格致论道讲坛上，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士讲述了纳米发电机的研究故事。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。
格致论道讲坛是中国科学院计算机网络信息中心与中国科学院科学传播局联合主办的科学文化讲坛，每月一期线下活动，分享科技文化新知、观点和思想！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。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。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。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。
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。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 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。