【儀表網 儀表新概念】四個現代化即“工業現代化、農業現代化、國防現代化、科學技術現代化”，簡稱“四化”，是中國共產黨1960年代提出的國家戰略目標。1964年，周恩來總理提出把中國建設成為一個具有現代農業、現代工業、現代國防和現代科學技術的社會主義強國。改革開放三十年來，中國銳意進取逐步實現了“四個現代化”。

　　
　　而在信息技術（IT）發展的百年歷程中，從摩爾斯電碼到“埃尼阿克”計算機，從晶體管到集成電路，從移動通信和Wi-Fi網到人工智能和物聯網，這些技術革新深刻地改變著人類現代社會。回顧過去展望未來，中國科學院北京納米能源與系統研究所科學家、美國佐治亞理工學院終身教授王中林提出了信息科學和物聯網領域的“四化”：即微小集成化、無線移動化、功能智能化和全自驅動化，相關文章發表于新一期的《今日材料》（Materials Today，DOI: 10.1016/j.mattod.2016.12.001）期刊。
　　
　　信息技術的發展經歷了一個漫長的時期，可以概括為計算機通信技術、微電子技術和網絡技術的歷程。1836年，美國的摩爾斯發明了電報，成為通信技術的開山鼻祖。到了1946年，賓夕法尼亞大學成功研制出臺計算機設備，“埃尼阿克”標志著計算機通信技術的問世。然后，人類于1948年發明了個晶體管，又于1958年研制出塊集成電路，短短十年時間，便引發了一場波及的微電子技術革命。
　　
　　微電子技術能夠將日益復雜的電子信息系統集成在一個小小的硅片上，使電子設備向著微型集成化發展，同時促進了集成電路從中、小規模逐步發展為大規模和超大規模集成電路。緊接著1969年，美國成功組建了世界上采用分組交換技術的計算機網絡，到了1986年，美國國家科學基金網NSFNET建成并于1991年促成因特網進入商業應用領域，從而使互聯網得到飛躍性的發展，給整個信息技術產業以及人類社會的進步帶來了重大影響。
　　
　　21世紀以來，基于移動互聯技術的快速發展，物聯網“Internet of things（IoT）”成為新一代信息技術的重要組成部分和發展階段。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網是將互聯網和世界各地的任何東西（例如航運對象，貨物運輸商和人等）鏈接起來的技術驅動力，它需要廣泛分布的傳感器例如射頻識別、紅外感應器、定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，用于健康監測、平安家居、智能交通、物流供應、環境保護、基礎設施監測和安全等領域。而驅動這些數以億計傳感器的能源供應是亟待解決的問題。考慮到傳統電池技術有限的壽命、高維護成本和環境問題，這不是物聯網供能的佳解決方案。通過從工作環境收集能量（如風、摩擦、聲學、超聲波、生物、流體）使設備自供電，并可持續地操作和運轉，這是王中林基于2006年和2012年分別發明壓電納米發電機和摩擦納米發電機提出自驅動系統(self-powered system)的原始動機。基于位移電流時變電場和壓電/靜電感應原理的納米發電機有以下優點：低頻下的高能量轉化效率、小體積低成本、多種工作模式、材料的多樣性、多領域應用等，使得納米發電機在微/納能源收集、小型化傳感器和未來物聯網等方面得到廣泛的應用。
　　
　　通過對現階段移動互聯發展趨勢的深刻認識和總結，王中林提出了信息科學和物聯網領域的“四化”（圖1）：即微小集成化（1958-）、無線移動化（1973-）、功能智能化（~2000-）、全自驅動化（2006-），其中第四化支撐前三化。首先，在過去的半個世紀中，電子產品的小型化一直遵循摩爾定律，即芯片上的器件數量每18個月就翻倍。固態電子器件使得在單個芯片上集成許多組件成為可能。集成電路為提高可靠性、減小尺寸、提高計算速度、降低功耗等提供了基礎。其次，下一個革命性的進步是無線/移動通信技術的發展。通過基于光纖的信息傳輸和計算機科學相結合，互聯網的發展已經改變了世界的每一個角落。從1973年摩托羅拉公司推出的部手提電話到目前覆蓋、人手一部的手機和GPS定位系統的普及，人們生活中無處沒有移動通信。第三，在過去幾十年中，通過向移動設備中添加與個人醫療保健密切相關的功能，例如隨時檢查心跳、測量血糖和血液、及時報道霧霾和紫外線等，人們可以充分利用現代傳感器技術獲得更加安全和健康的生活。
　　
　　近年來的人工智能和大數據的出現，更使人們進入了功能和智能的時代。后，有一點可以確信，那就是沒有能源供給，所有的電子設備都無法工作！因此，如果能夠使移動電子設備自供電，使得系統可以連續地無中斷地操作，這既是物聯網的迫切需要，又是現代信息科學的一個巨大的驅動力。早在2006年，王中林就在《科學》雜志上撰文并提出了“自驅動”的概念（Wang,Science,312(2006)242-246），緊接著在2008年，王中林又在《科學美國人》上進一步闡述了“全自驅動化”的理論基礎、實驗模型和應用展望（Z.L. Wang，Scientific American，Jan.(2008)82-87）。全自驅動化擺脫了電子器件外部供能的桎梏，是未來物聯網發展微小集成化、無線移動化、功能智能化的重要技術支撐和理論基礎，預示著自驅動納米科技在傳感、機器人、微系統、復合能源等方面廣泛的應用前景。
　　
　　王中林發明的納米發電機的初心就是支撐全自驅動系統。在文章中王中林發表了納米發電機的三大應用方向（圖2）：微納能源，自驅動傳感，藍色能源。具體闡述為作為可持續的納/微功率電源用于微小型設備（如電子皮膚、可植入醫療器件、可穿戴柔性電子器件等）的自供電；作為自驅動傳感器用于健康監測、生物傳感、人機交互、環境監測、基礎設施安全等；并作為基礎網絡單元，在低頻下收集海水運動能量直至實現藍色無污染能源的偉大夢想。從微觀尺度的能源收集到宏觀高能量密度的發電，從微小的機械振動到浩瀚的海洋，納米發電機能源系統為實現集成納米器件和大規模能源供應打下了堅實的理論和技術基礎，并將應用于物聯網、衛生保健、醫藥科學、環境保護、國防安全乃至人工智能等諸多領域，有可能影響人類社會生活的方方面面。
　　
　　（原標題：北京納米能源所提出信息科學和物聯網領域的“四化”）