今天我们的科学故事要从摩擦起电讲起。相信在座所有现场观众都应该知道这样一个小试验，拿丝绸摩擦一下玻璃棒或者琥珀就能够产生电，而这个被摩擦过琥珀或者玻璃棒就能够吸引轻小的东西，背后的原理就是摩擦起电。更有意思的是，后来科学家发现琥珀和玻璃棒带的电居然是性质不相同的，可以把它叫做正电或者负电，如果用一根导线把正极和负极连接起来的话，还能产生奇妙的电流，这些大概是两三百年前的科学家已经搞清楚了。
可是现在我们知道电改变了世界，电从哪里来。今天我们所有用的电都不是摩擦起电的电，而是像火电、风电、核电，这些地方发出来的电。摩擦起电这个科学实验，可能在最近这几百年当中，除了在中小学课堂做做试验外，好像就没有什么其它太大用处了。但是这个事情到2006年发生了变化，2006年有一个非常有意思的也是非常重量级的发明被科学家们做了出来，这个发明叫做“纳米发电机”，这是全世界最小的发电机。
不怕大器晚成 前期的学习积累都是在为后来的成功做铺垫
我博士毕业的时候不到26岁，从25岁到40岁之间我做了很多事情，一直在寻找我在科学领域内的定位，在寻找自己的席位。可以说那之前我做了大量的研究工作。我的研究实现了“三年一小变、五年一大变”，三转两不转，大家把我以前做的工作给忘了，所以说王老师你是40多岁开始做出现在的研究的。但说明我们做研究的时候要学会（改）变自己，要学会自己能调整找（到）新的方向，这样才导致大家认为我40多岁才做出突出的研究。确实从40多岁到现在做的工作，我认为是我做的最好、最精彩的工作。在我自己看来，前期的寻找、学习、积累都很重要，如果没有那个过程是没有后来重大进展的。
大概1992年、1993年的时候，我已经毕业了6、7年，我一直梦想在美国的大学里当教授，因为我喜欢自由的学术活动，我不愿意在公司里面工作，为什么呢？我觉得我的个性适合于大学当老师。但是那一段我的事业走的不顺，我就在想我的项目该怎么办。我当时这么想。我觉得我做了一个方面的研究，特别是电子显微方面的研究，我还是有很多理论见解的。我说现在开始写一本书，（等）我的书写完了，我可能就不从事科学研究了。准备写这个书的时候我27岁，32岁开始写，34岁写完。书写完了，教授职位就到了，更重要的，这本书已经发表了快30年了，到现在还被我们内行认为是经典之作，欧洲人亲口跟我这么说，因为那个书的封面是黑字黄底，所以叫“Yellow Bible”。他首先确认王老师这是你的书吗？我说是啊。他说我们读了很多这方面的书，发现这个书太有用了，我们把它叫做“Yellow Bible”。作为经典，我也很欣慰。
每个人在自己的科研道路上、生活道路上，都会遇到很多的困难，但是有的困难是暂时的，很多时候你做的事情被别人质疑、怀疑，特别是科学研究，如果你是世界上第一个提出这个效应的，别人首先的反映你的发现肯定是错的，首先是否定。在这个情况下，很多人会嘲讽你做的没有用，欧洲人都说他那个是错的。这时候别人可以对你没信心，你自己可对自己要有信心。所以在任何情况下一定要对自己有信心，使自己的团队有信心。
纳米发电机究竟是什么？
能源是人类赖以生存的基础，能源是一切，国家之间为能源而战、为资源而战。最早的时候，从我们烧煤到后来用油，蒸汽机的发现，电力的发现，都是我们现在的基础。随着石油的出现，航空业、汽车业发展起来，到现在我们都是赖以生存的化石能源。化石能源现在面临的危机是什么？化石能源过量的使用，一个是储量有限，一个是对环境造成巨大影响。
造成什么影响呢？我们看看能源怎么来的？不管烧煤、烧气，都是热供，通过转热供到机械就是带动蒸汽机，蒸汽机带着发动机，两步走变成电力，所以从大电厂里通过引线到千家万户，这是主流能源。我们把可以烧的烧了，可以用的用了。后果是什么呢？我们环境发生了巨大变化，（图）我们从1978年的地球到2012年的地球，从过去的绿地到逐渐失去的绿地，塌陷的地表面都是使用化石能源的结果，特别是我们国家以煤为主，从地下挖出来煤，所以很多地方塌陷了。
造成现在北极的雪融化，造成气候变化，所以碳中和变得非常重要，影响到未来发展。那我们不用化石能源，用什么呢？有没有其它的能源呢？我们来探索一下它的可能性。
现在我们国家80%多的电力还是煤发电，必然有二氧化碳的释放，如果实现碳中和，发展可再生能源，分布式能源是必不可少的。因为产生氢气，氢气可以中和使得我们实现碳中和。所以未来的希望部分寄托在可再生能源方面。
可再生能源就是自然界的可以反复利用的一次性能源，如风能、太阳能，还有另一种就是分布式能源，当地产生当地用。大家别小看这个，当地产生当地用，也能解决很大一部分能源，特别是在物联网传感网络、大数据、人工智能时代，分布式能源变得越来越重要。这是我们的能源结构。
现在看，能源的分布发生什么样的变化。过去是以烧煤、烧油为主。逐步的从发电厂输到千家万户，所以现在我们随着物联网时代的到来，我们有很多的，首先是分布式的电子产品，需要用蓄电池驱动。这个能源分布从过去密集型能源到分布型，从有序到无序的，从有线到无线。
从物理学角度来讲这些能源叫低熵能源，这个叫高熵能源。什么叫熵？咱们看一个视频。这是一杯水，一滴墨汁滴下去以后，它是聚集型的，随着时间的消逝，墨汁在溶液里发生什么变化呢？分散了。总能量没有变化，总分子数没有变化，但是从聚集型到发散型，回不去了。在物理学上叫熵在增加，无序度在增加。能源也是一样，从聚集型的化石能源到分布式能源到环境里，我们每天车耗的能量，回不去了。这是分布式能源必然要面临的现实，所以叫高熵能源，已经散发在环境里，总能量守恒，但是很难再利用的能源。所以怎么把这些废能、低质能源重新用起来就是我做的事儿。我做的这个事儿就是逆“熵增”而行，反着常规走的。为什么难？难在这。
我给大家介绍一下我们怎么做的。故事从2005年讲起，那时候我们在做纳米材料生长，当时想能不能测纳米材料的压电性能。我们就去测了，我做了一个假设，如果拿原子类显微镜触摸纳米线能出电流信号的话，那么能不能算出来它的一些性能。后来发现算的性能和我预计值差了100倍。我就想是什么错了，后来知道是我的假设错了，能量转换不可能百分之百，只能一点。从此我说不要再测压电性能了，反回来用纳米材料把微小的机械功转为电功，所以叫纳米发电机。
随着时间迁移到今天，升到了物理的内涵。我跟你们慢慢讲，当时是怎么想到纳米发电机把微小的机械功转成电功。怎么转成电功的？放在手指头上去，这是2009年做的，手指头动，就出现了交变信号，这是自己发出的电。后来说能不能把杂乱无章的电也用起来呢？怎么用呢，把发电机做好，给仓鼠做个背心穿上让它跑，仓鼠的运动是不规则的，能够变成电力，我们开始探索这个道路。这是开始，最重要的是我们没有停止我们的步伐，一直在追梦，越追梦就发现的越多。
刚才主持人问我面对很多困境是怎么渡过的。当时发表文章的时候，发表了以后，人家说我们的输出低，我说那咱们提高。一步一步提高，虽然提高幅度不大，但是一路走过来有很多新的发明，后来都成了领域。所以如果你在别人质疑面前一旦停下脚步，你可能就错过了很多原创的机会。你不被别人质疑，说明你做的东西没新意。
怎么追梦的？我一直在提高纳米发电机的输出，这时候突然一个机会出现了。其实是一个错误导致了重大的发明。什么错误？当时人家说我们器件输出低，我们已经达到10-30伏的输出了，已经不低了，我们的压电式纳米发电机做的可以触发生物神经，但是出了一个问题。2011年3月份，整整十年以前，学生做试验的时候，当时的压电输出信号大概只有1伏，有一天学生跟我说，王老师我们看到了3伏。我说怎么是3伏？1到3提升了3倍，不大可能。回去重复去实验。过两天（学生跟我）说是5伏，我说再重复。过两天又跟我说10伏，不断的提高，我当时说是不是犯了啥错误。后来我说把我们的样品重复做100个，100个做好了后把它们切开。到底哪些是给好的信号，哪些给不好的信号。结果后来发现，给比较大的输出信号的那个里面有一个小气泡，按过去的设计这是错的，有气泡是不行的，要没有气泡，才叫正确的封装技术。比如说封装芯片，里面封装个气泡，那早被公司解雇了。我们是在无意中发现了气泡，因为我们的学生并不是专家。那为什么只有气泡的东西有这么大输出呢？就想到了摩擦起电效应。后来这个文章写出来了。出来以后很难发表，为什么？人家不信。我左投、右投，经过八个月努力，在走投无路的情况下发表在一个刚创刊的、还没有影响因子的期刊上。但是大家知道这个就是今天我之所以能站到讲台上给大家讲蓝色大能源的开始，不是一定发表在高档次的期刊上就一定重要，也不是发表在其它的期刊上不重要，它是这里面的内涵。
由此诞生了摩擦纳米发电机，它和传统技术的区别是什么？首先看，传统的发电是电磁发电，大家很熟悉，读过初中的都知道。我们是摩擦纳米发电机，这两个发明相差180年。区别是什么？电磁发电机要转得快，为什么转得快，转得慢的时候频率低，频率低的时候输出电压低，不可以克服二极管的整流，所以电流输不出来。转速慢的时候电压太低功率输不出来，只有转得快的时候才有电力出来。而摩擦纳米发电机不管转得快、转得慢，它输出的电压是一样的。这就是为什么摩擦纳米发电机能把低质量能源能够有效的变成电力，它的物理核心就在这儿。电压和频率没有关系，电流和频率有关系，这是一个物理上的区别。这是讲技术从发明到现在物理上的比较。
摩擦纳米发电机的核心是摩擦起电。讲到摩擦起电，别说读理工科的，只要上过学的都知道。但是这个是2600年老的科学现象，缺乏现代科学解释。举例来讲为什么，我们读课本的时候，玻璃棒摩擦毛皮起静电。玻璃棒为什么带负电，毛皮为什么带正电，教科书上从来不解释，这是我们上的电的第一节课。这个现象很古老，大家认为这个东西早就知道了，实际我们并不理解它。看这个现象多普遍，我们教第一节课的时候讲电荷怎么出现，下面就是静电，静电器，下面就是讲放电现象，一讲到这一步，就讲到法拉第发明发电机，又跳了一步。静电荷不流动为什么会有电流？它又跳了一步。如果不仔细想，就把你忽悠过去了。
咱们看这个基础问题，静电荷是如何产生的？怎么来的？静电荷的属性是电子还是离子？别看这个问题争论了多少年，一直到最近才搞清楚。那是怎么回事儿呢？为什么要摩擦一下？到了原子级发生什么，在原子级两原子形成键合的时候，它们的距离基本上是固定，化学上叫键长。如果说这么一摩一擦，在局部它的原子实现距离比较短，它的电子云或者波函数实现了高度重叠。重叠的时候，试验发现就是这个时候，电子就从这边跳到那边去了。它为什么跳？因为两个距离近了以后，中间隔离它们的势垒墙就低了，低了以后就可以顺利跳过去，跳过去以后就把电子从这边转移到这边去，再分开的时候回不去了。这就是我们经常接触的起电现象。这种跨原子的跃迁就是电子转移的结果。
那么有啥用？王老师你的研究是从0到1的。我给你讲在哪儿用。主要分三大领域：微纳能源、自驱动传感，最后讲到和碳中和有关系的蓝色能源。先讲微纳能源，我们做的第一个事情是心脏起搏器。心脏起搏器能不能实现自驱动。如果心脏起搏器要换电池，大概三到五年换一次。所以我们开始做模拟小动物呼吸，能够驱动心脏起搏器。这是2014年当时做的，最早是2009年做的，直到2019年我们首次实现了利用大动物的呼吸产生的能量，能够驱动整个商用的心脏起搏器。这个工作当时是非常受关注的，这是首次能够对未来的植入式健康医疗提供可持续的能源需求。微纳能源，这个能量是不大，但是能量没了，咱命就没了，人命关天。这是第一个，自驱动的心脏起搏器。
第二个是在环境中，早上去到北京的地铁口看人流多了去了，能不能利用自由行走产生电力？几瓦的电就出来了，这是自由行走，放在地板上，它是一个平的。坐这个小滑梯上，灯在亮，不用做别的动作，滑就够了。我给大家演示一下。
这是一个麦克斯韦创新科普园的Logo。我们讲风吹草动，你们看这个灯亮不亮？我们做的这个只要微风就可以亮。
这个可以用在很多方面，把同样的原理用在滑梯上是一样的道理，只是设计不一样。
下面，雨水发电。雨滴下来以后就可以驱动小灯泡。这个有什么用呢？我们最近把这个东西要和光伏板结合在一起。南方雨水多，一下雨太阳能板不好使，我们把它做到光伏板上，有雨水收集雨水能，没有雨水能收光伏能，两个都有同时收，这就利用这个原理。光伏板可以全天候的、复合型的能源回收。
我们有很多分布式电子产品，其中一个是环境监测，环境中一氧化碳的含量，利用这个技术，大家看我们这个风力发电，里面是这样的结构，它是高分子材料，风的作用这个“舌头”上下振动，振动的时候就出电力了，这个电力放到盒子里面以后就可以驱动一氧化碳的探测器，同时把信号无线发出去，每10分钟发一次，几公里外能收到信号。大家可以想想在环境里我们把它分布式，把它布起来就形成了环境水质、火灾、自然灾害监测的网络，这叫自驱动传感网络。这个用途大了去了。
还有自驱动传感。现在讲大数据，如果没有传感，数据从哪儿来。人工智能没有大数据、没有高速运算，怎么人工智能。所以最核心的前端还是传感器。什么叫自驱动传感？就是这个传感器不用通电，自己给你信号。举个例子，我们这屋里装的烟雾探测器，你要把那两根线剪了，什么都不探测了。我们这个不通电，也可以把信号送进来，所以叫自驱动传感。
怎么自驱动？每个人天天离不开手机，离不开电脑，打字的时候记载着我们很多信号，你的打字习惯，像语音识别一样，我讲话的音频是我个人个性的反映，打字也是一样，跟你写字一样。我们在键盘下做个性识别。我们播放一下视频。
前一段时间，北京台录的一个视频。它识别你打字的习惯，在这26个字母键下做的纳米发电机。所以你知道我的密码也没用。
这个简短的片子是智能键盘。
大家有时做体育运动，打球有有效球和无效球，一个人的打球习惯能不能做成智能体育。我们选材不限，木材、纸张都可以，把这个做到这以后就可以做到乒乓球桌上，可以研究一个选手打球的习惯，这个球是有效球还是无效球，比如这个球如果碰到上边沿是有效球，碰到下边是无效球，怎么知道的呢？就是把发电机做在这儿，球触它的一瞬间有信号出来。很多体育运动上，我们做到羽毛球网、排球网上都可以，都是智能体育，已经可以通过纤维来完成。
图书馆有多少万本书，过去有图书管理专业，图书动一下，谁动这个书就能发现。现在纸张可以作发电机，你翻动一下就知道它动了。你不动它没有信号，一动它，房间装一个接收器可以监管所有的书本。你10年不动，装的电池早没了，这是你不动它，它没有信号，一动才有信号。所以对文件的管理，说有人家里收藏东西，你用我们的技术，保证字画丢不了。这是文件监控。
下面讲触感，就是安防上的应用，只要触动它，信号就会出来。这个东西我们做在地毯上，我在地毯上走路你就知道脚踩哪里去了，这对老年人监护很重要。
还有健康医疗，做成监测心跳和脉搏，同时能测出血压。能测出血压我最感兴趣，因为有大量需求。中医怎么号脉的？能不能使号脉过程数字化？我们做了自驱动传感。
还有大装置运转，高铁等大型装置的运转，是不是螺丝松了？螺丝松了能不能监测到？这么大的工厂哪儿松了我们怎么知道？就是基础设施安全的监测，桥梁安全，还有高铁安全，铁路安全等等都可以做自驱动传感，利用振动，变成电力以后可以测它是不是有螺丝松动或者其它状况。
这个是用纸张做的，纸张做的助听器作为一个麦克风录制，录制以后再反放。拿纸张做的麦克风你看它的保真度能到多少。我们做这个放在助听器里面，不用放大的。音频信号变成电信号以后，音频保真度可以达到90%。没有做任何信号处理，就是两片纸，你可以想想这可以做多少智能的东西，在家居里面。做这个东西贴到我喉咙上，我讲话10米以外无线信号出去。机器人的交换，也是它可以和机器人连接信号。所以选材不限，这个有巨大市场，因为选材不限，应用场所就不限。
蓝色能源大能源
刚才我讲了在海洋表面有巨大的能量，全球海洋能总量76 TW（760亿千瓦），我们现在全世界的总功耗是16 TW。但是海洋能量大，很难收集。我们传统发电机要转得快，转的慢就无电力输出。所以尽管有能量，很难用得上。造价高，环境复杂，而且输出特低。怎么办呢？那我们提个思路。
在海洋环境里，首先是浩大的，深一下、浅一
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