納米技術(shù)系列文章：借助納米發(fā)電機(jī)從汽車、海浪和人體獲得電能

 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備結(jié)合了多種技術(shù)，如無線通信、軟件、傳感器——當(dāng)然，它也以某種形式利用了電力技術(shù)。

當(dāng)今市面上的大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都是靠電池或電力電纜供電。但對納米物聯(lián)網(wǎng)(IoNT)而言，汽車發(fā)動機(jī)的震動、海浪甚至是簡單的人體運(yùn)動都可作為電力來源。

信不信由你，這種電力在不久的將來即可面市——這要感謝王中林博士的不懈努力。王中林博士任美國佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程高塔講席(Hightower Chair)教授及董事講席教授，是納米科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)和全球領(lǐng)導(dǎo)者。納米科學(xué)和納米技術(shù)研究的是原子或分子尺度功能結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和使用，這些功能結(jié)構(gòu)至少有一個(gè)以納米衡量的特征尺寸。以人體毛發(fā)為參照點(diǎn)，人體毛發(fā)直徑通常為50微米，而1納米則只有毛發(fā)直徑的八萬分之一。

自2005年開始，王中林博士在該領(lǐng)域的工作重點(diǎn)之一就是自發(fā)電納米技術(shù)設(shè)備的研究。這種設(shè)備從周圍環(huán)境中吸收能量——來源可以是汽車、人體，也可以是開闊的水域。

為了捕捉振動、聲波、風(fēng)、水力或人體運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械能，王中林博士和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了體積小到幾毫米的納米發(fā)電機(jī)。王中林博士在該領(lǐng)域的成就激發(fā)了全球?qū)W術(shù)界和納米行業(yè)研究微納系統(tǒng)能源的熱潮。

王中林博士表示：“納米設(shè)備有廣闊的應(yīng)用空間，日常生活處處都能用到它。納米設(shè)備可以改造成任何一種有運(yùn)動物體作為自供電來源的電子系統(tǒng)。”

納米發(fā)電機(jī)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用前景尤其廣闊，無線納米設(shè)備和納米系統(tǒng)可現(xiàn)場應(yīng)用于實(shí)時(shí)可植入式生物傳感器。比如，王中林博士和他的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一款可植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)(iTENG)，可吸收活體成年動物產(chǎn)生的生物機(jī)械能。

簡單地說，這款可植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)使用的是兩塊不同的材料——一張電子供體和一張電子受體。兩塊材料接觸時(shí)，電子由一張材料流向另一張材料。而當(dāng)兩塊材料分離時(shí)，其中一塊材料保有電荷，電荷由兩塊材料之間的空隙隔離開來。接下來，如果將一個(gè)電負(fù)載連接到兩塊材料表面外緣的兩個(gè)電極上，就會產(chǎn)生小股電流流動，從而平衡電荷。

王中林博士和他的研究團(tuán)隊(duì)將這款可植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)植入了一頭豬的心臟。該設(shè)備利用豬的心跳產(chǎn)生的電能來監(jiān)測豬心臟傳輸給設(shè)備的心臟生理數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測時(shí)長達(dá)72小時(shí)以上。該發(fā)電機(jī)不但提供了監(jiān)測所需的電能，還為豬心臟和傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的處理信號提供了電能。

由于這種發(fā)電機(jī)是活體內(nèi)(在活生物體內(nèi))設(shè)備，所以是采用包裹法構(gòu)造而成，即用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚對二甲苯薄膜等生物相容性材料包裹發(fā)電機(jī)。因此，該設(shè)備經(jīng)久耐用，不泄漏，不腐蝕，反應(yīng)也十分靈敏。一經(jīng)食藥監(jiān)局批準(zhǔn)并投入商用，這類設(shè)備將有望用于自發(fā)電無線醫(yī)療監(jiān)測。

王中林博士的另一個(gè)研究領(lǐng)域是將人體轉(zhuǎn)化為自發(fā)電系統(tǒng)。他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了多個(gè)用于健康手環(huán)和智能腕表的能量管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠從跑步、行走或輕敲手指等人體運(yùn)動中獲取能量。

研究人員還嘗試通過紡織品從人的活動中獲取能量——穿上這種特殊的“發(fā)電”襯衫或外套，軍人、遠(yuǎn)足愛好者之類的人群就可以在運(yùn)動時(shí)獲得能量。他們研發(fā)了首臺微光纖-納米線復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)利用織物纖維將人體運(yùn)動、肌肉收縮或血壓等機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)化為能量。王中林博士稱：“試想一下，如果帽子通過太陽能獲得電能，或者鞋子通過行走獲得電能，這樣就能追蹤走失兒童或者癡呆癥患者的位置了。”

王中林博士認(rèn)為，自發(fā)電系統(tǒng)對納米物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展至關(guān)重要，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)會產(chǎn)生多種全新的傳感器應(yīng)用方法，尤其是在需要使用微型設(shè)備的情況下。說到該技術(shù)的商業(yè)化，王中林博士認(rèn)為已經(jīng)為時(shí)不遠(yuǎn)。他表示：“非醫(yī)療用納米發(fā)電機(jī)未來幾年內(nèi)即可上市。而需獲食藥監(jiān)局批準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備上市時(shí)間可能稍長，大約需要5年左右。”

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