摩擦發電機引發能源革命？

撰文 | 《環球科學》記者 廖紅艷

藍色能源夢想的藝術概念圖：網狀聯結數以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發電機。小圖是設計的球形納米發電機。

想像一下，公文包會提醒主人忘帶了什麼東西；衣服會「告訴」洗衣機對洗滌劑和水溫的要求；搬運人員卸貨時，一隻包裝貨物可能會大叫「請你對我溫柔一點」……想著這些充滿科幻感的物聯網場景，你是否也期待著物聯網時代的到來？

不過，實現物聯網的前提是，我們得先擁有感測網。感測器就像物聯網的神經末梢，安裝在物品和機器上，能實時採集物體的信息。要實現物與物、物與人、人與人的智能連接，需要數以億計的感測器。如何給這些數量巨大的感測設備供能，是人類步入物聯網時代需要克服的挑戰。網路解決方案供應商思科公司（Cisco）就曾說過，「沒有自驅動（也就是自我供能），90%的物聯網都實現不了」。

但另一方面，在我們身邊，其實有著無處不在的摩擦能源。在自然界，風摩挲樹葉，雨拍打屋頂時，存在摩擦；人走路，腳與地面、肢體與衣服接觸，也存在摩擦；此外環境中的機械振動、嗓音等，也都能產生摩擦。能否將這些不起眼的摩擦能源收集起來，為感測器供能呢？中國科學院納米能源與系統研究所首席科學家、美國喬治亞理工學院講席教授王中林的團隊研發的摩擦發電機，為實現自驅動感測器提供了一種有潛力的解決方案。

2011年，一次實驗中偶然出現的多餘電能，引起了王中林的注意，經過幾個月的分析，他和團隊發現，這些電能居然是由摩擦效應產生的。隨後，研究團隊通過設計的合理器件結構，成功研發出了具有實際應用價值的摩擦發電機，並利用原子力顯微鏡，初步分析了摩擦起電的原理。與傳統的電磁感應發電機不同，摩擦發電機是利用摩擦起電和靜電感應的耦合，配合薄層式電極的設計，實現電流和有效輸出的。

「科學地講，摩擦起電應該叫『接觸起電』（contract electrification），只要接觸就能起電，並不一定要摩擦，只是摩擦的時候會增加接觸的面積和頻率，電荷增加得更明顯，」王中林介紹說。為了適用於生活中的多種場景，充分收集身邊的聲音、行走、水流、微風等各種機械能，研究團隊給發電機設計了四種模式（接觸-分離式、滑動式、單電極式、帶電體感應式）。

摩擦發電機是如何產生電流的？以接觸-分離式為例，給兩種材料接上金屬電極，通過外電路連接起來，材料接觸之後，內表面會摩擦起電；分開後，隨著兩個物體的間距慢慢增加，電極上會感應出異性電荷，產生電勢差，從而驅動電子在外電路流動；而當兩種材料再次接觸時，由於電勢差消失，電子又會流回來。重複這個過程，就可以得到連續的交流電。目前，這種摩擦納米發電機的機械能轉化效率達50%~80%，輸出功率最高可達500W/m2， 輸出電流達3mA，最高平均穩定輸出功率達1.5W，方法看似簡單，效率卻非常高。

由於體積小、重量輕、能量密量高、成本低廉，摩擦發電機除了應用在自驅動感測器中，還能為移動設備、可穿戴設備和柔性設備供能。從2012年的柔性摩擦發電機，到2014年的旋轉式直流摩擦發電機（可實現恆定電流輸出），2015年的自充電能源包，再到最近發明的透明、可拉伸仿皮膚式摩擦發電機、可高效收集水下超聲波的水能摩擦發電機，王中林團隊的摩擦發電機家族正在不斷擴大，並向大規模應用迅速邁進。

在納米能源與系統研究所的iScience創新科普實驗園中（http://najiekeji.com/），你可以看到用摩擦發電機製作的各種感測器和能量收集裝置的原型：水滴落在模型屋頂，屋裡的LED燈會被點亮；對著一排塑料片吹口氣，產生的電流能點亮數十個LED小燈。還有與地面接觸就會發光的智能鞋、利用汽車排氣口動能設計的汽車尾氣處理裝置、無線感應的踩踏式搖控燈，這些貼近生活的應用讓人腦洞大開。

其中最吸引人的，可能是一個網球大小的波浪能摩擦發電機，只要隨著波浪輕輕擺動，就能將自己點亮。這也是研究團隊希望摩擦發電機可以涉足的另一個應用方向——大規模收集「藍色能源」。與傳統的電磁感應發電機相比，摩擦發電機在收集海洋中水能方面更具優勢，因為海洋中的波浪、潮汐和洋流等，運動頻率均較低（0.1~2Hz），而在收集低頻能量時，摩擦納米發電機的輸出效率遠高於電磁發電機。未來，科學家如果能把多個摩擦發電機單元，集成到網路結構中，收集海洋蘊含的巨大水能，必將引發一場能源的革命。

「摩擦發電機從發明到現在，短短四五年的時間，在穩定性方面已經達到了70分（總分100），未來，我們希望繼續提高它的可靠性和效率，同時找到一些只有這個技術可以解決的特殊的應用，」談到摩擦發電機的未來，王中林充滿信心，「接下來，我們將大力推進摩擦發電機的產業化。今年下半年，一款結合了摩擦發電原理的空氣凈化器就會上市，同時，利用摩擦發電的智能鞋和智能衣服也正在商業化設計中。」

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