天才发明：迪安·卡门的发明如何为数百万人带来洁净水

乍一看，约翰内斯堡郊外贫民窟路边的鲜红色集装箱看起来不像是可以改变数百人命运的东西。两扇滑动门打开后，映入眼帘的是一个小商店柜台，柜台后面摆放着一排排罐头食品、卫生纸、食用油和急救用品。屋顶上的太阳能电池板为无线网络和电视供电，偶尔可以观看足球比赛。两个水龙头为任何需要的人免费提供纯净饮用水。

这个集装箱主要由可口可乐和 Deka Research and Development 公司（由发明家 Dean Kamen 在新罕布什尔州创立的公司）共同打造，旨在成为一种“盒子里的市中心”：一个可以投放到世界各地欠发达村庄的联网杂货店兼社区中心。可口可乐称之为 Ekocenter。这个名字简洁明了，但却掩盖了隐藏在集装箱内的变革性技术。

大红盒子里面还有一个小一点的，大约有宿舍冰箱那么大，叫做 Slingshot。它是由卡门开发的，卡门是数十项医疗设备发明的策划者，最著名的是 Segway 个人交通工具。卡门是最接近现代托马斯·爱迪生的人。他拥有数百项专利，他的发明改善了无数人的生活。他目前的项目包括为 DARPA 开发机器人假肢和斯特林发动机，斯特林发动机利用“任何燃烧的东西”作为燃料来产生廉价电力。Slingshot 的研发历时 10 多年，其影响力可能比他所有其他发明的总和还要大。

一台 Slingshot 设备采用蒸汽压缩蒸馏工艺，每年可净化超过 25 万升水，足以满足约 300 人的用水需求。而且，无论水源有多脏，它都可以净化水源，包括污水、海水、化学废料等。

对于缺乏清洁水的社区来说，其好处显而易见，但要发挥其潜力，Slingshot 需要首先惠及这些社区。这正是可口可乐的用武之地：该公司不仅仅是一家软饮料销售商；它可以说是世界上最大、最复杂的分销系统。这一点很重要，因为世界面临的水危机规模是前所未有的。

水资源似乎如此丰富，以至于人们很容易忘记有多少人没有干净的水源。根据世界卫生组织的数据，近十亿人无法随时获得安全的饮用水，每年有数十万人因此死亡。还有许多人患上重病。

当然，市面上有很多净水工具，比如氯片、反渗透设备，但它们都有缺点。要么它们不便于携带，要么它们需要更换零件，而零件很难买到；或者，最让人恼火的是，它们只能去除某些类型的杂质，而其他杂质则会毒害不知情的人。

卡门将全球水危机称为“巨人歌利亚”式的问题，这暗示他就是大卫。他快速回顾了一下圣经传说：值得记住的是，大卫用弹弓打败了巨人歌利亚。

“在我的生活中，没有什么事情是简单或容易的，”卡门说。“我不会在某一天醒来后说，‘哇，全球面临水资源问题。我想我会努力解决这个问题。’”他坐在新罕布什尔州曼彻斯特梅里马克河畔一座旧砖厂大楼的办公室里。一个真人大小的纸板达斯维达靠在一面墙上，一把画成类似阿尔伯特·爱因斯坦坐姿的木椅放在一圈皮革转椅中间。墙上挂着卡门各种直升机的照片（多年来他拥有多架直升机，偶尔会从山顶庄园飞往德卡），而他父亲为《疯狂杂志》和《地穴传说》做插画时的一些花絮则装饰着外面的走廊。

我们第一次坐下来时，我问了卡门一个简单的问题：你是如何对水危机产生兴趣的？答案变成了他成名或致富之前的职业生涯亮点之旅。卡门天生就是个讲故事的人，他的故事叙述速度很快。现年 63 岁的他在纽约长岛长大，最终他于 1976 年离开大学，创办了自己的第一家公司 AutoSyringe，以解决他从医学院学生哥哥那里听说的一个问题：某些病人需要频繁治疗，以至于去医院的次数阻碍了他们过上富有成效的生活。卡门的解决方案是世界上第一台可穿戴输液泵，它可以自动给药。这款产品大获成功，卡门将 AutoSyringe 卖给了医疗保健公司 Baxter International。他当时才 30 岁。

卡门突然成了百万富翁，他搬到了曼彻斯特，创办了 Deka（源于他的名字和姓氏）。除了现在随处可见的 Segway 等少数例外，该公司的大部分工作都集中在解决生活方式问题的医疗创新上。20 多年前开始的一项此类项目是为肾衰竭患者重新发明透析机。百特国际公司制造了一种用于进行腹膜透析的设备，该设备需要用无菌盐溶液填充腹部，并使用人体自身的膜过滤血液。与需要让血液通过外部过滤器的血液透析相比，这种设备创伤更小，但这种装置噪音大、体积大。该公司要求卡门对其进行改进。

只要我们为人们提供干净的水，世界上一半的病床就会空出来。

卡门的设计名为 HomeChoice，体积小到可以放在病人的床头柜上，而且噪音小到病人可以在机器工作时睡觉。然而，这台机器需要大量的纯净水——每个病人每天要用好几加仑——而且成本不低。卡门的直觉是：发明一种医用级净水器，这样病人就可以用自来水作为透析液的基础。他知道现有的净化系统大多基于过滤，不够精确，无法满足他的需求，所以他转向蒸馏。在卡门看来，蒸馏的神奇之处在于它的简单性。“太阳会把露天厕所里的水蒸发掉，留下所有的生物负荷、隐孢子虫和贾第鞭毛虫，”他说。“它甚至可以在化学废物处理场将水中的砷和六价铬分离出来。”

就像通常的情况一样，创新在出现时，往往是看似完全不同的想法之间回想起来显而易见的联系。卡门的独特天才之处在于他能够识别这些联系，并在别人看不到的地方看到它们的潜力。

但是，将地球上最精妙的系统之一装入家用电器并非没有挑战。要使他的蒸馏机工作，它每小时需要烧开许多加仑的水，而这所需的能量比典型美国家庭中所有其它东西的总和还要多。因此卡门和他的工程师们利用了另一项基本的科学原理。要蒸发，水必须变热，而要做到这一点，它就需要吸收能量。当蒸汽凝结回液体时，能量就会释放出来。卡门推断，如果团队能够回收利用这些能量，他们就会有一个更加高效的流程。他们设计了一种“逆流热交换器”，让流入的冷液体流过已经蒸发和压缩的过热蒸馏水。温差会同时冷却流出的水并使流入的液体闪蒸。他们所需要的只是足够的能量来沸腾一些水和一点额外的能量来驱动压缩机。

卡门倾身向前，咧嘴一笑，将他的故事的第一章串联起来。“我们说，‘等等，我们可以制造一个装置，可以接收任何输入的水，无论它含有生物负载、有机物、无机物还是铬……然后我们可以生产出纯净水？我们可以把它放在某人的家里，供应符合美国药典标准的注射用水，耗电量比手持式吹风机还小，而且我们每天可以生产一千升？’”想象一下这有多么有价值。

随着净水器计划的成型，卡门发现自己开始思考救灾问题。每当地震或海啸来袭时，救援组织都会优先要求提供净水，因为当地的供水受到污水或化学物质的污染。卡门想：“我一直在尝试制作一个足够小的盒子，以便随身携带进行移动透析，它每天可以生产 250 加仑水——足以满足 100 名处于危机中的人们的需求。”更重要的是，为什么不使用这台机器来帮助整个村庄，甚至整个国家，满足他们持续的用水需求呢？

“世界上有近十亿人每天早上起床，他们的主要目标就是找水，”卡门说。“许多人长途跋涉寻找不会杀死他们的水。可悲的是，每年有数十万次水会夺去他们的生命，其中大部分是孩子。”有了卡门的净化器，人们只需将软管插入脏衣服的水、受污染的河流，甚至是他们自己的厕所坑中，清澈无菌的水就会从机器中流出。

问题是如何批量生产净化器并送到需要的人手中。卡门首先联系了全球援助组织。德卡公司业务开发部门的吉姆·斯科特 (Jim Scott) 说，这些组织根本没有能力扩大这项技术的规模。“我认为，如果你是一家不这样做的组织，那可能会非常令人畏惧，”他说。

卡门多年来合作过的医疗和制药公司也帮不上什么忙。他们在发达国家有基础设施，但在他希望看到这项技术得到应用的 100 多个国家却没有。

沮丧之余，卡门又有了另一个回想起来显而易见的见解。“你和经常旅行的人交谈，他们会说，‘如果世界上有一样东西你可以买到，那就是可乐。’你知道这个笑话：一个人花了三个星期爬到珠穆朗玛峰的顶峰；他到了山顶，给自己买了一瓶可乐。所以我想，可乐是可以喝的东西，他们的冷却器和我们的机器差不多大，他们在世界各地都有装瓶合作伙伴。我要去说服他们这么做。”

可口可乐对卡门非传统的提议的回应是：很高兴收到你的来信，但先做另一个项目怎么样？那是在 2005 年，当时公司面临的挑战之一是开发更好的冷饮机。卡门与可口可乐研究实验室前负责人尼朗·帕特尔 (Nilang Patel) 合作。他们借鉴了卡门开发的用于精确注射胰岛素和化疗药物的医疗设备，发明了 Freestyle。这款独立式分配器将储存在小盒中的浓缩成分（而不是五加仑的糖浆袋）与碳酸水和甜味剂混合，可以制作多达 100 种不同的饮料。

2009 年，Freestyle 开始投产，卡门提醒可口可乐，握手协议是为了追求他当时称之为 Slingshot 的产品。不过，在此期间，可口可乐迎来了新任首席执行官兼董事长穆泰康 (Muhtar Kent)。卡门担心他不得不“卑躬屈膝地乞求”支持，但他说，“在与穆泰康见面几分钟后，我就意识到他不像个会计，他是一个有全局观、有全球思维的人。”

“‘迪恩，’他对我说，‘如果我们能制造水，为什么我们不能做其他事情？’”提供清洁水可能是发展中市场金字塔底层战略的基石。通过为世界上最贫穷的人提供新技术、服务和机会，公司可以帮助他们摆脱贫困，并将他们转变为可行的客户。因此，Ekocenter 概念至少在某些市场作为净水器的配套产品而成型。

“我们认为，可口可乐的业务只有与其所属社区一样健康才能发展，因此社区的福祉对我们的长期战略至关重要，”Ekocenter 项目总经理 Derk Hendriksen 说道。值得注意的是，该公司不会直接从该计划中获利；每个“盒装市中心”都将作为独立企业运营，由可口可乐挑选和培训的当地企业家（通常是女性）经营。（不言而喻，这家汽水巨头在此过程中获得了形象提升。）

2011 年，可口可乐和 Deka 向加纳运送了 15 台 Slingshots，进行为期六个月的实地测试，为五所农村学校提供清洁饮用水。2013 年秋季，可口可乐及其合作伙伴宣布了一项目标，即到 2015 年底在非洲、亚洲和拉丁美洲安装多达 2,000 台 Slingshots（独立 Slingshots 或 Ekocenters）。“我们承诺每年为有需要的社区提供 5 亿升安全饮用水，”亨德里克森说。这意味着每年将改善 50 万人的生活。

卡门就是卡门，他认为可口可乐合作的当前目标是迈向更大目标的第一步。“发展中国家 50% 的人口患有水传播病原体，”他说。“如果我们能给人们提供干净的水，全世界所有医院的一半床位就能空出来。”卡门说，Slingshot 不会成为所有这些人的解决方案，但他认为没有理由不为此而努力。

扩展 Slingshot 用途的一种方法是将其与节能斯特林发电机配对，后者是另一个长期热衷的项目。斯特林发动机不是通过内燃机工作，而是通过加热和冷却封闭系统中的气体来膨胀和收缩。这一概念可以追溯到 19 世纪初，但从未得到太多实际应用。卡门发电机中的发动机只需要废物、树叶或其他易燃材料作为燃料；孟加拉国的一个测试装置以牛粪为燃料运行了六个月。与 Slingshot 结合使用，斯特林发电机可以在任何地方净化水，无论是否接入电网或 Ekocenter 上的一堆太阳能电池板。

这一点至关重要，因为许多缺乏清洁水的地方也缺乏可靠的电力。卡门已经与 NRG Energy（为 Ekocenters 提供太阳能电池板的同一家公司）建立了合作关系，以讨论开发事宜。“我们可以为超过 10 亿人提供基础电力，”他说。这是他仅凭 Slingshot 所能帮助的人数的两倍多，占全球人口的近四分之一。当然，迪恩·卡门永远不会想到就此止步。

Dean Kamen 概览

教育程度：大学辍学

公司： Deka 研究与开发

你为什么听说过他：他开发了 Segway 以及数十种医疗设备

激情：他创办了 FIRST，赞助学生机器人竞赛。去年，全球有 35 万名儿童（和 28,800 个机器人）参赛。

工作原理：Slingshot 净水器

该系统只需要足够的能量来启动第一次沸腾，再多一点的能量来为压缩机和泵供电。这些能量由插座或太阳能电池板提供；所有后续的沸腾和冷却过程都是自我延续的。

一：用户将软管插入任何脏水源（例如污染的河流或水井），然后小型泵将液体抽入沸腾室。当水温达到约 100°C 时，它会变成蒸汽，留下任何污染物。它们通过单独的软管流出沸腾室。

第二：蒸汽上升到压缩机，压缩机挤压蒸汽，从而使其压力和温度再升高约 10°C。高压蒸汽现在具有更高的沸点，这意味着它可以在高于 100°C 的温度下凝结回水。

三：逆流热交换器将过热水流过流入的脏水。该过程加热流入的水，并将热水冷却至室温。蒸馏水即可饮用，而脏水则蒸发并重新开始整个过程​​。

本文最初刊登于《大众科学》杂志2014年6月号。

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