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我們生活的環(huán)境中充滿了各種各樣的能量，例如振動(dòng)能、形變能、肌肉活動(dòng)能、化學(xué)能、生物能、微風(fēng)能、太陽(yáng)能、熱能等。如果利用納米技術(shù)可以把這些無(wú)時(shí)不有處處有的能量轉(zhuǎn)換為電能來(lái)帶動(dòng)一些小型的電子器件，就可以制造出自驅(qū)動(dòng)的微納系統(tǒng)。為了解決這個(gè)納米技術(shù)中的瓶頸問(wèn)題，2006 年王中林小組成功地在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機(jī)——納米發(fā)電機(jī)，并提出自驅(qū)動(dòng)納米技術(shù)的新思想。之后，世界上掀起了能量收集技術(shù)研究的熱潮。過(guò)去的七年間，作者研究組在這一研究領(lǐng)域系統(tǒng)發(fā)表了一系列相關(guān)論文。為了給出一個(gè)關(guān)于納米發(fā)電機(jī)發(fā)展的全面并且連貫的回顧與闡釋?zhuān)髡呔帉?xiě)了這部專(zhuān)著，王中林編著的《自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的納米發(fā)電機(jī)》涵蓋了這方面的基本理論、機(jī)理研究、丁程放大以及納米發(fā)電機(jī)的潛在應(yīng)用。《自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的納米發(fā)電機(jī)》共11章，內(nèi)容系統(tǒng)、深入淺出、圖文并茂，適合納米科技領(lǐng)域及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的廣大科研工作者、大專(zhuān)院校師生參考閱讀。

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第1章緒論
1.1 納米器件的電源
在全球變暖和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的形式下，對(duì)于綠色可再生能源的探索成為維持人類(lèi)文明可持續(xù)發(fā)展最為緊迫的挑戰(zhàn)之一［1，2］。在宏觀能源方面，除了當(dāng)今世界正在使用的石油、煤、水力、天然氣、核能等為大家所熟知的傳統(tǒng)能源之外，人們也在積極地研究和開(kāi)發(fā)一些可替代能源，如太陽(yáng)能、地?zé)�、生物質(zhì)能、核能、風(fēng)能、氫氣等。在更小的尺度范圍，植入式生物傳感器、超靈敏的化學(xué)和生物分子傳感器、納米機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、遠(yuǎn)程移動(dòng)環(huán)境傳感器、國(guó)土安全乃至便攜式或可穿著個(gè)人電子設(shè)備等供能器件的獨(dú)立、持久、長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)連續(xù)運(yùn)行等都對(duì)能源技術(shù)提出了非常迫切的需求。參見(jiàn)圖1.1。例如，納米機(jī)器人將是一種可以感知環(huán)境、適應(yīng)環(huán)境、操縱物體、采取行動(dòng)并且完成一些復(fù)雜功能的智能機(jī)器，但是其中一項(xiàng)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何找到一種電源在不增加太多重量的前提下驅(qū)動(dòng)納米機(jī)器人。又如，植入式無(wú)線生物傳感器需要的電源是可以通過(guò)直接或間接地向電池充電來(lái)提供的。通常來(lái)說(shuō)，電池的尺寸遠(yuǎn)大于納米器件自身的尺寸，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的大小。
在不遠(yuǎn)將來(lái)的研究將是如何把多功能納米器件集成為一個(gè)納米系統(tǒng)，使其像生物一樣具有感知、控制、通信以及激勵(lì)/響應(yīng)功能。這種納米系統(tǒng)不僅由納米器件組成，還包括納米電源（或納米電池）。但是納米電池小的尺寸極大地限制了它的使用壽命。無(wú)需電池的自驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)于無(wú)線器件來(lái)說(shuō)是非常值得期待的一種技術(shù)，對(duì)于植入式生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)甚至是必需的一種技術(shù)，它不僅可以極大地提高器件的適應(yīng)性，而且可以大幅度地減小系統(tǒng)的尺寸和重量。因此，開(kāi)發(fā)一種可以從周?chē)h(huán)境中收集能量來(lái)驅(qū)動(dòng)納米器件的自驅(qū)動(dòng)納米技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急［3］。納米技術(shù)的目標(biāo)是建立一個(gè)自驅(qū)動(dòng)的納米系統(tǒng)，它具有超小的尺寸、超高的靈敏度、卓越的多功能性以及極低的功耗。因此，從周?chē)h(huán)境中收集的能量足以為這一系統(tǒng)提供電源供應(yīng)。
1.2 自驅(qū)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)
納米系統(tǒng)是多功能納米器件的集成系統(tǒng)，具有感知、控制、通信和激勵(lì)/響應(yīng)等多種功能。系統(tǒng)的低功耗決定了可以從外界環(huán)境中收集能量來(lái)驅(qū)動(dòng)這一納米系統(tǒng)。對(duì)于那些獨(dú)立、可持續(xù)工作、無(wú)需維護(hù)的植入式生物傳感器、遠(yuǎn)程移動(dòng)環(huán)境傳感器、納米機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)乃至便攜式/可穿著個(gè)人電子器件來(lái)說(shuō)，通常需要微瓦量級(jí)的功耗。參見(jiàn)圖1.2。舉例來(lái)說(shuō)，納米機(jī)器人可以感知適應(yīng)環(huán)境、操控物體、采取行動(dòng)并完成一些復(fù)雜的功能，但一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是找到一種可以在不增加太多重量的情況下驅(qū)動(dòng)納米機(jī)器人的電源。同時(shí)，自驅(qū)動(dòng)傳感器對(duì)于遠(yuǎn)距離油/氣輸運(yùn)線的監(jiān)控來(lái)說(shuō)也是必要的。
容錯(cuò)傳感器網(wǎng)絡(luò)利用諸如射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及激光掃描儀等信息傳感設(shè)備來(lái)將物體和互聯(lián)網(wǎng)鏈接在一起，實(shí)現(xiàn)通信、識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的功能，而自驅(qū)動(dòng)傳感器是容錯(cuò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心構(gòu)件。用大量獨(dú)立移動(dòng)傳感器取代區(qū)域內(nèi)散布的有限數(shù)量傳統(tǒng)類(lèi)型傳感器后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)這些大量傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行收集并統(tǒng)計(jì)分析后就可以得到準(zhǔn)確可靠的信息。
物聯(lián)網(wǎng)可以把日常的物體和器件與大的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）關(guān)聯(lián)起來(lái)，是醫(yī)療保健、醫(yī)療監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施/環(huán)境監(jiān)控、產(chǎn)品跟蹤和智能住宅的未來(lái)希望。參見(jiàn)圖1.3和圖1.4。
但是，由于數(shù)量巨大以及環(huán)境和健康方面的原因，如果每個(gè)傳感器都用一個(gè)電池為其供電，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)將難以實(shí)現(xiàn)。參見(jiàn)圖1.5。然而，一種可以從外界環(huán)境中收集能量的可持續(xù)、自供型微納電源為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)可能的電源解決方案。不過(guò)，我們周?chē)h(huán)境中可利用的機(jī)械能具有頻率分布寬和振幅隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。這種能量稱(chēng)為“隨機(jī)能量”，可以來(lái)源于不規(guī)則振動(dòng)、輕微的空氣流動(dòng)、噪聲以及人類(lèi)活動(dòng)。
無(wú)線傳感器具有激活的工作模式，但更為重要的是，它還具有待機(jī)的工作模式，在這種待機(jī)模式下，傳感器處于能量消耗最低的“休眠”狀態(tài)。能量收集器所產(chǎn)生的電力可能不足以驅(qū)動(dòng)一個(gè)器件連續(xù)工作，但它長(zhǎng)時(shí)間所積累的電量足以驅(qū)動(dòng)器件工作幾秒鐘。這在具有待機(jī)和激活工作模式的器件方面具有實(shí)際的用途，比如可以用于下列器件：葡萄糖和血壓傳感器乃至藍(lán)牙傳輸器（驅(qū)動(dòng)功率約5mW，數(shù)據(jù)傳輸速率約500kbits/s，功率消耗10nW/bit）等個(gè)人電子器件，它們只需要周期性地處于激活狀態(tài)。器件待機(jī)時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的能量可以為激活工作模式下驅(qū)動(dòng)器件提供足夠的電源供應(yīng)。
1.3 機(jī)械能的收集
光伏、熱電和電磁感應(yīng)都是非常完善的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，為什么我們還需要收集機(jī)械能呢？現(xiàn)在我們來(lái)考慮一下這些場(chǎng)合：?jiǎn)蝹€(gè)傳感器很難布置的情況（如敵方戰(zhàn)場(chǎng)），或者如果傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布于廣大地區(qū)的大量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這使得在需要的時(shí)候進(jìn)行電池更換變得不太可能。一個(gè)自維持的電源從環(huán)境中汲取能量，因而無(wú)需任何維護(hù)，這無(wú)疑是非常吸引人的。為了使得任何系統(tǒng)都能成為自維持的系統(tǒng)，系統(tǒng)必須能從其周?chē)h(huán)境中收集能量，并且把這些收集的能量存儲(chǔ)起來(lái)以備后用。
例如，納米機(jī)器人將是一種可以感知適應(yīng)環(huán)境、操控物體、采取行動(dòng)并且完成復(fù)雜功能的一種智能機(jī)器，然而納米機(jī)器人尚未解決的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是如何找到一種在不增加太多重量前提下可以驅(qū)動(dòng)它的一個(gè)電源。如果想把納米機(jī)器人放入體內(nèi)執(zhí)行傳感、診斷以及治療功能，人們很容易把它導(dǎo)入體內(nèi)，但是要把它從體內(nèi)取出來(lái)更換電池卻很難，有時(shí)甚至是不可能的。在軍事應(yīng)用背景下，傳感/監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置可能是在難以到達(dá)的地點(diǎn)，可能需要隱蔽，也可能會(huì)在臟亂、有雨、黑暗以及/或者茂密的森林環(huán)境中工作。因?yàn)楣庠丛谶@些環(huán)境下不可獲得，從而排除了使用太陽(yáng)能技術(shù)的可能性。適用于解決這種問(wèn)題的能源收集方法可能包括利用隨機(jī)振動(dòng)（例如公路附近的各種振動(dòng)），利用溫度梯度（例如地表以下通常是常溫，地表與地下通常存在溫度梯度），或者利用任何其他一些現(xiàn)象來(lái)提供能量的系統(tǒng)。因此，開(kāi)發(fā)機(jī)械能收集的技術(shù)是非常必需的。
在我們生活的環(huán)境中存在大量的、各種類(lèi)型的機(jī)械能，如微風(fēng)、身體運(yùn)動(dòng)、肌肉拉伸、聲波/超聲波、噪聲、機(jī)械振動(dòng)以及血液流動(dòng)，參見(jiàn)表1.1和表1.2。但什么類(lèi)型的機(jī)械能是我們想要收集的呢？我們著眼于具有以下特點(diǎn)的一些機(jī)械能。首先，能量微弱，不能驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，因此不能用傳統(tǒng)的能量收集技術(shù)進(jìn)行收集；其次，頻率范圍寬，大部分能量處于低頻。這就需要一種可以從幾赫茲的低頻到幾千赫茲相對(duì)高頻的寬頻率范圍工作的能量收集技術(shù)。最后，環(huán)境狀況可以改變。
這需要一種具有很高適應(yīng)性的能量收集技術(shù)。針對(duì)具有上述特點(diǎn)的機(jī)械能，我們?cè)谶^(guò)去七年里所研發(fā)的納米發(fā)電機(jī)是一種非常有潛力的能量收集技術(shù)。
1.4 納米發(fā)電機(jī)
我們于2006年首先提出了自驅(qū)動(dòng)納米技術(shù)，并且為自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)了納米發(fā)電機(jī)。這種納米發(fā)電機(jī)利用壓電氧化鋅納米線陣列把隨機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)制依賴(lài)于在外部應(yīng)變下納米線上產(chǎn)生的壓電勢(shì)：納米線的動(dòng)態(tài)應(yīng)變使得外部負(fù)載電路中的電子在壓電電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)作用下發(fā)生瞬時(shí)的流動(dòng)。利用納米線的優(yōu)勢(shì)在于它們可以被微弱的物理運(yùn)動(dòng)激發(fā)，并且激發(fā)頻率可以從一赫茲到幾千赫茲，這對(duì)于收集環(huán)境中的隨機(jī)能量來(lái)說(shuō)是非常理想的。通過(guò)把幾千根納米線的發(fā)電輸出集成起來(lái)，一個(gè)輕微的應(yīng)變可以產(chǎn)生1.2V的電壓，這足以驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)小型液晶顯示器。
納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明，被中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院院士評(píng)為2006年度世界十大科技進(jìn)展之一；2008年，基于纖維的納米發(fā)電機(jī)被英國(guó)《物理世界》（PhysicsWorld）評(píng)選為物理領(lǐng)域重大進(jìn)展之一；英國(guó)《新科學(xué)家》（NewScientist）期刊把納米發(fā)電機(jī)評(píng)為在未來(lái)十到三十年以后可以和手機(jī)的發(fā)明具有同等重要性和影響的十大重要技術(shù)之一［4］；2009年，納米壓電電子學(xué)被麻省理工學(xué)院《科技創(chuàng)業(yè)》（MITTechnologyReview）評(píng)選為十大創(chuàng)新技術(shù)之一［5］；2010年，納米發(fā)電機(jī)被《探索》（Discovery）雜志評(píng)為納米技術(shù)領(lǐng)域的20項(xiàng)重大發(fā)明之一；2011年，納米發(fā)電機(jī)被歐盟委員會(huì)評(píng)為六大未來(lái)新興技術(shù)之一，將在下一個(gè)十年里受到資助［6］。

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