见过 '天然电池' 吗?
在亿万年前的自然界, 一类体内装有 '活发电机' 的生物是历史上利用电能的 '先驱者' . 它们被统称为 '电鱼' , 囊括了电鳐, 电鲶, 电鳗和长颔鱼等五百种不同种类. 这些鱼或利用电能来捕食, 或用电信号彼此联络. 通过模仿电鱼的发电器官, 人类造出了世界上第一个人工电池——伏打电池. 随后, 科学家们就发现, 所有自然生物的生命活动都会发出电流, 包括人类自己!
利用身体肌肉自然运动产生能量
据美国《物理》杂志官网10月2日报道, 德国最顶尖理工科大学之一的卡尔斯鲁厄理工学院已将人体发电列为重点研究课题, 目标是利用生命运动的方式, 实现人体自主发电.
产生电能的途径很多, 为何一定要将人体变成 '发电机' ?
科学家们指出, 日常生活中, 越来越多的电子智能设备正变为人类不可或缺的 '同伴' , 比如手机, 便携音乐播放器, 脉冲测量仪, 血压跟踪器以及眼压计, 心脏起搏器和胰岛素泵等. 从体育电子器件到身体保健设备, 都带来了无数便捷体验, 但它们在使用过程中的电力供应却是个难题.
为了让人们在任意时间都能自如使用智能设备, 卡尔斯鲁厄理工学院应用信息学研究所的研究团队提出, 将人体肌肉自然运动产生的能量利用起来. 通过能量转换装置, 将动能化为电能. 这听起来有点费力, 但实际发电过程不需要用户输入任何额外功率.
克里斯琴·帕里塔克是研究团队成员之一, 他指出, 目前已开发出两种系统用以实现人体发电, 一种是下肢附着设备, 它能感应人体行走时的重心变化, 用设备中的旋转质量弹簧储存能量. 与机械发条不同, 它利用移动磁铁和线圈组成的感应电动机发电. 其缺陷在于发电的最大功率不够高, 甚至无法让助听器运行, 或为智能手机充电.
另一种是足底液垫设备, 它安装在鞋里面. 人们只要穿上鞋, 地面的起伏变化和摩擦滚动就能让设备内部的液体在软管内来回流动, 由此自然形成液压泵. 这就仿佛一个微型潮汐发电场, 在反复压缩的活塞运动中, 驱动电机发电.
只要流体运动不停, 电荷梯度就会一直存在下去
当然, 将发电装置固定在身体表面并不是唯一选择, 人体血管中的纳米级发电装置也被提上了研究进程. 外媒 '华尔街深井' 就在9月14日的报道中指出, 水力发电的原始概念已延展进入生物领域. 成功利用血液流动发电, 已成为人体发电研究历程中的另一重要里程碑.
与体外发电不同, 体内发电方式主要利用了 '纤维状流体纳米发电机' . 这种装置的原材料是碳纳米管, 后者具有许多异常的力学, 电学和化学性能, 是种极轻, 极小的一维纳米材料. 加之具备完美的六边形结构, 它已算是当前地球上最强大的物质材料之一.
通过旋转和有序排列的方式, 碳纳米管可以被制成特殊薄片, 之后再包裹到充当核心的聚合物上, 形成结构纤维. 起初, 研究者先制作出了厚度不足1厘米的试验品. 当把纤维全部浸润到流动的盐水溶液中时, 能量便产生了.
原来, 碳纳米管不仅结构稳定, 有韧性, 而且还具有电活性. 当处于完全氧化或还原状态时, 它表现得像绝缘体一样. 一旦状态打破, 它在氧化态和还原态之间转换时, 便能与溶液发生离子交换, 实现充放电过程, 成为电导体.
当研究者把纳米发电机两端与电极相连, 再放入盐水流体中时, 溶液接触碳纳米管纤维的同时, 也打破了双层材料内部原本平衡的电荷分布状态. 由此, 外层与内层之间出现电荷梯度, 就产生了电. 只要流体运动不停, 电荷梯度就会一直存在下去, 从而产生不间断的电流.
研究者指出, 早在2010年, 史蒂文斯理工学院的科学家们就制造出能附着在体表的压电纳米发电机. 它通过感应血液在经脉中流动的 '推力' 输出能量. 2011年, 来自瑞士伯尔尼应用科学大学的研究团队又制造出一款能够感应血流量的发电涡轮机. 如今, 人们发现安置在体内的纳米发电机用起来更方便. 它伸缩灵活, 持续变形100万次后依然保持良好性能. 一组青蛙活体实验数据表明, 与太阳能电池和其它小型能量收集装置相比, 新型纳米发电机的能量转换效率要高出22.3%.
能源发展史上的一个重大突破
媒体表示, 自电子智能设备产生以来, 就为电池打开了销售渠道. 尽管已有无数研究致力于提高电池的使用寿命, 但迄今为止电池的进步未能与其价格增长幅度相匹配. 在便携成为主流的大环境下, 研究者不得不转换思路, 探索从用户身上直接收集能量的新方式.
除了以上提到的运动发电和血液发电, 体热发电也是一个值得关注的研究方向. 因为人是温血动物, 体温总保持在37摄氏度左右, 皮肤和空气之间始终有温差存在. 如果用胶带或胶水将微型热电发电机固定在皮肤表面, 温差就会在电路中产生电流. 这种能量转换方式不仅能为可穿戴设备供电, 还能把人体变成手机充电器.
卡尔斯鲁厄理工学院提出的体外运动发电设备, 虽然充电效果不够理想, 但研究者表示他们正开发一个更强大的消费版本, 预计今年年底就能出结果. 而体内纳米发电机尽管具备诸多理想特征, 但会带来心肌肥大或血液黏滞等潜在健康威胁.
外媒评论认为, 将人体变为电力来源的设备本就不多, 如果该领域的技术发展成熟, 将是能源发展史上的一个重大突破. 过去太阳能, 地热能, 风能, 水能由于绿色清洁, 受到环保人士的推崇. 而人体发电设备不仅具备清洁能源的优势, 还突破了地域环境条件的限制. 它们不依赖于天气, 只要生命在运动, 它们就可以在任意时间被使用. 未来只要输出电量足够大, 人们甚至不再需要充电器或插头就能使用手机等便携电子设备.
