摩擦发电机引发能源革命-应用智能鞋及智能衣服
蓝色能源梦想的艺术概念图：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。小图是设计的球形纳米发电机。
想象一下，公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对洗涤剂和水温的要求；搬运人员卸货时，一只包装货物可能会大叫“请你对我温柔一点”……想着这些充满科幻感的物联网场景，你是否也期待着物联网时代的到来？
不过，实现物联网的前提是，我们得先拥有传感网。传感器就像物联网的神经末梢，安装在物品和机器上，能实时采集物体的信息。要实现物与物、物与人、人与人的智能连接，需要数以亿计的传感器。如何给这些数量巨大的传感设备供能，是人类步入物联网时代需要克服的挑战。网络解决方案供应商思科公司（Cisco）就曾说过，“没有自驱动（也就是自我供能），90%的物联网都实现不了”。
但另一方面，在我们身边，其实有着无处不在的摩擦能源。在自然界，风摩挲树叶，雨拍打屋顶时，存在摩擦；人走路，脚与地面、肢体与衣服接触，也存在摩擦；此外环境中的机械振动、嗓音等，也都能产生摩擦。能否将这些不起眼的摩擦能源收集起来，为传感器供能呢？中国科学院纳米能源与系统研究所首席科学家、美国佐治亚理工学院讲席教授王中林的团队研发的摩擦发电机，为实现自驱动传感器提供了一种有潜力的解决方案。
2011年，一次实验中偶然出现的多余电能，引起了王中林的注意，经过几个月的分析，他和团队发现，这些电能居然是由摩擦效应产生的。随后，研究团队通过设计的合理器件结构，成功研发出了具有实际应用价值的摩擦发电机，并利用原子力显微镜，初步分析了摩擦起电的原理。与传统的电磁感应发电机不同，摩擦发电机是利用摩擦起电和静电感应的耦合，配合薄层式电极的设计，实现电流和有效输出的。
“科学地讲，摩擦起电应该叫‘接触起电’（contract electrification），只要接触就能起电，并不一定要摩擦，只是摩擦的时候会增加接触的面积和频率，电荷增加得更明显，”王中林介绍说。为了适用于生活中的多种场景，充分收集身边的声音、行走、水流、微风等各种机械能，研究团队给发电机设计了四种模式（接触-分离式、滑动式、单电极式、带电体感应式）。
摩擦发电机是如何产生电流的？以接触-分离式为例，给两种材料接上金属电极，通过外电路连接起来，材料接触之后，内表面会摩擦起电；分开后，随着两个物体的间距慢慢增加，电极上会感应出异性电荷，产生电势差，从而驱动电子在外电路流动；而当两种材料再次接触时，由于电势差消失，电子又会流回来。重复这个过程，就可以得到连续的交流电。目前，这种摩擦纳米发电机的机械能转化效率达50%~80%，输出功率最高可达500W/m2， 输出电流达3mA，最高平均稳定输出功率达1.5W，方法看似简单，效率却非常高。
由于体积小、重量轻、能量密量高、成本低廉，摩擦发电机除了应用在自驱动传感器中，还能为移动设备、可穿戴设备和柔性设备供能。从2012年的柔性摩擦发电机，到2014年的旋转式直流摩擦发电机（可实现恒定电流输出），2015年的自充电能源包，再到最近发明的透明、可拉伸仿皮肤式摩擦发电机、可高效收集水下超声波的水能摩擦发电机，王中林团队的摩擦发电机家族正在不断扩大，并向大规模应用迅速迈进。
在纳米能源与系统研究所的iScience创新科普实验园中，你可以看到用摩擦发电机制作的各种传感器和能量收集装置的原型：水滴落在模型屋顶，屋里的LED灯会被点亮；对着一排塑料片吹口气，产生的电流能点亮数十个LED小灯。还有与地面接触就会发光的智能鞋、利用汽车排气口动能设计的汽车尾气处理装置、无线感应的踩踏式摇控灯，这些贴近生活的应用让人脑洞大开。
其中最吸引人的，可能是一个网球大小的波浪能摩擦发电机，只要随着波浪轻轻摆动，就能将自己点亮。这也是研究团队希望摩擦发电机可以涉足的另一个应用方向——大规模收集“蓝色能源”。与传统的电磁感应发电机相比，摩擦发电机在收集海洋中水能方面更具优势，因为海洋中的波浪、潮汐和洋流等，运动频率均较低（0.1~2Hz），而在收集低频能量时，摩擦纳米发电机的输出效率远高于电磁发电机。未来，科学家如果能把多个摩擦发电机单元，集成到网络结构中，收集海洋蕴含的巨大水能，必将引发一场能源的革命。
“摩擦发电机从发明到现在，短短四五年的时间，在稳定性方面已经达到了70分（总分100），未来，我们希望继续提高它的可靠性和效率，同时找到一些只有这个技术可以解决的特殊的应用，”谈到摩擦发电机的未来，王中林充满信心，“接下来，我们将大力推进摩擦发电机的产业化。今年下半年，一款结合了摩擦发电原理的空气净化器就会上市，同时，利用摩擦发电的智能鞋和智能衣服也正在商业化设计中。”
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