見過 '天然電池' 嗎?
在億萬年前的自然界, 一類體內裝有 '活發電機' 的生物是曆史上利用電能的 '先驅者' . 它們被統稱為 '電魚' , 囊括了電鰩, 電鯰, 電鰻和長頷魚等五百種不同種類. 這些魚或利用電能來捕食, 或用電訊號彼此聯絡. 通過模仿電魚的發電器官, 人類造出了世界上第一個人工電池——伏打電池. 隨後, 科學家們就發現, 所有自然生物的生命活動都會發出電流, 包括人類自己!
利用身體肌肉自然運動產生能量
據美國《物理》雜誌官網10月2日報道, 德國最頂尖理工科大學之一的卡爾斯魯厄理工學院已將人體發電列為重點研究課題, 目標是利用生命運動的方式, 實現人體自主發電.
產生電能的途徑很多, 為何一定要將人體變成 '發電機' ?
科學家們指出, 日常生活中, 越來越多的電子智能設備正變為人類不可或缺的 '同伴' , 比如手機, 便攜音樂播放器, 脈衝測量儀, 血壓跟蹤器以及眼壓計, 心臟起搏器和胰島素泵等. 從體育電子器件到身體保健設備, 都帶來了無數便捷體驗, 但它們在使用過程中的電力供應卻是個難題.
為了讓人們在任意時間都能自如使用智能設備, 卡爾斯魯厄理工學院應用資訊學研究所的研究團隊提出, 將人體肌肉自然運動產生的能量利用起來. 通過能量轉換裝置, 將動能化為電能. 這聽起來有點費力, 但實際發電過程不需要用戶輸入任何額外功率.
克裡斯琴·帕裡塔克是研究團隊成員之一, 他指出, 目前已開發出兩種系統用以實現人體發電, 一種是下肢附著設備, 它能感應人體行走時的重心變化, 用設備中的旋轉質量彈簧儲存能量. 與機械發條不同, 它利用移動磁鐵和線圈組成的感應電動機發電. 其缺陷在於發電的最大功率不夠高, 甚至無法讓助聽器運行, 或為智能手機充電.
另一種是足底液墊設備, 它安裝在鞋裡面. 人們只要穿上鞋, 地面的起伏變化和摩擦滾動就能讓設備內部的液體在軟管內來迴流動, 由此自然形成液壓泵. 這就彷彿一個微型潮汐發電場, 在反覆壓縮的活塞運動中, 驅動電機發電.
只要流體運動不停, 電荷梯度就會一直存在下去
當然, 將發電裝置固定在身體表面並不是唯一選擇, 人體血管中的納米級發電裝置也被提上了研究進程. 外媒 '華爾街深井' 就在9月14日的報道中指出, 水力發電的原始概念已延展進入生物領域. 成功利用血液流動發電, 已成為人體發電研究曆程中的另一重要裡程碑.
與體外發電不同, 體內發電方式主要利用了 '纖維狀流體納米發電機' . 這種裝置的原材料是碳納米管, 後者具有許多異常的力學, 電學和化學性能, 是種極輕, 極小的一維納米材料. 加之具備完美的六邊形結構, 它已算是當前地球上最強大的物質材料之一.
通過旋轉和有序排列的方式, 碳納米管可以被製成特殊薄片, 之後再包裹到充當核心的聚合物上, 形成結構纖維. 起初, 研究者先製作出了厚度不足1厘米的試驗品. 當把纖維全部浸潤到流動的鹽水溶液中時, 能量便產生了.
原來, 碳納米管不僅結構穩定, 有韌性, 而且還具有電活性. 當處於完全氧化或還原狀態時, 它表現得像絕緣體一樣. 一旦狀態打破, 它在氧化態和還原態之間轉換時, 便能與溶液發生離子交換, 實現充放電過程, 成為電導體.
當研究者把納米發電機兩端與電極相連, 再放入鹽水流體中時, 溶液接觸碳納米管纖維的同時, 也打破了雙層材料內部原本平衡的電荷分布狀態. 由此, 外層與內層之間出現電荷梯度, 就產生了電. 只要流體運動不停, 電荷梯度就會一直存在下去, 從而產生不間斷的電流.
研究者指出, 早在2010年, 史蒂文斯理工學院的科學家們就製造出能附著在體表的壓電納米發電機. 它通過感應血液在經脈中流動的 '推力' 輸出能量. 2011年, 來自瑞士伯爾尼應用科學大學的研究團隊又製造出一款能夠感應血流量的發電渦輪機. 如今, 人們發現安置在體內的納米發電機用起來更方便. 它伸縮靈活, 持續變形100萬次後依然保持良好性能. 一組青蛙活體實驗數據表明, 與太陽能電池和其它小型能量收集裝置相比, 新型納米發電機的能量轉換效率要高出22.3%.
能源發展史上的一個重大突破
媒體表示, 自電子智能設備產生以來, 就為電池開啟了銷售渠道. 儘管已有無數研究致力於提高電池的使用壽命, 但迄今為止電池的進步未能與其價格增長幅度相匹配. 在便攜成為主流的大環境下, 研究者不得不轉換思路, 探索從用戶身上直接收集能量的新方式.
除了以上提到的運動發電和血液發電, 體熱發電也是一個值得關注的研究方向. 因為人是溫血動物, 體溫總保持在37攝氏度左右, 皮膚和空氣之間始終有溫差存在. 如果用膠帶或膠水將微型熱電發電機固定在皮膚表面, 溫差就會在電路中產生電流. 這種能量轉換方式不僅能為可穿戴設備供電, 還能把人體變成手機充電器.
卡爾斯魯厄理工學院提出的體外運動發電設備, 雖然充電效果不夠理想, 但研究者表示他們正開發一個更強大的消費版本, 預計今年年底就能出結果. 而體內納米發電機儘管具備諸多理想特徵, 但會帶來心肌肥大或血液黏滯等潛在健康威脅.
外媒評論認為, 將人體變為電力來源的設備本就不多, 如果該領域的技術發展成熟, 將是能源發展史上的一個重大突破. 過去太陽能, 地熱能, 風能, 水能由於綠色清潔, 受到環保人士的推崇. 而人體發電設備不僅具備清潔能源的優勢, 還突破了地域環境條件的限制. 它們不依賴於天氣, 只要生命在運動, 它們就可以在任意時間被使用. 未來只要輸出電量足夠大, 人們甚至不再需要充電器或插頭就能使用手機等便攜電子設備.
