编者按: 大多数可穿戴和可植入设备的一个主要缺点仍然是它们的电池, 其有限的容量限制了它们的长期使用. 《大西洋月刊》发表了一篇文章, 介绍了科学家正在尝试解决这个缺点的各种方法. 包括压电, 摩擦电, 生物电等, 但思路都一样, 让设备从宿主体内获取能量.
压电扬声器.
在《ISingtheBodyElectric》中, 诗人沃尔特·惠特曼(WaltWhitman)抒发了 '美丽, 好奇, 呼吸, 欢笑的肉体' 的 '行动和力量' . 150多年后, 麻省理工学院的材料科学家, 工程师卡纳·达德维伦 (CananDagdeviren) 和她的同事们给惠特曼的诗赋予了新的意义, 他们发明了一种设备, 可以通过对心脏跳动的反应而扭曲发电.
电子技术如今非常强大, 一部智能手机的计算能力超过了NASA在1969年把第一批人送上月球时所拥有的计算能力. 随着时间的推移, 技术取得了非凡的进步, 人们希望戴在身上甚至植入体内的装置也能变得越来越强大.
大多数可穿戴和可植入设备的一个主要缺点仍然是它们的电池, 其有限的容量限制了它们的长期使用. 当心脏起搏器电量耗尽时, 你最不想做的事情就是为了替换电池而给一个病人做手术. 解决这一问题的办法可能在人体内部——因为它在能量, 化学, 热和机械方面都很丰富. 这促使科学家们研究了多种方法, 让设备从宿主体内获取能量, 达德维伦和她的同事在2017年《生物医学工程年度评论》中对此做了详细介绍.
例如, 人在呼吸时作出的风箱状运动可以产生0.83瓦的能量; 来自人体的热量, 高达4.8瓦; 一个人手臂的运动带来的能量, 最高达60瓦. 如果你考虑到起搏器只需要五千万分之一瓦特就能维持七年, 助听器需要千分之一瓦特就能维持五天, 智能手机需要一瓦特就能维持五小时的时候, 这并不是没有意义的.
现在, 达德维伦和其他人正在设计使用人体本身作为能量来源的机器. 越来越多的研究人员在动物模型和人体中测试这种可穿戴或可植入的设备.
一种能量收集策略涉及将能量从振动, 压力和其它机械应力转换成电能. 这种方法产生所谓的压电效应, 通常用于扬声器和麦克风.
一种常用的压电材料是锆钛酸铅, 它的铅含量引起人们的担忧, 它可能对人体毒性太大. '但想让铅从结构中分解出来, 就必须将它们加热到700摄氏度以上的温度, ' 达德维伦说. '你体内永远达不到这样的温度. '
为了利用压电效应, 达德维伦和她的同事们开发了一种扁平的设备, 可以粘贴在心脏, 肺和膈肌等器官和肌肉上. 这些装置是 '机械不可见的' , 因为它们的机械性能与它们被叠层的物质相似, 所以它们在运动时不会阻碍这些组织.
到目前为止, 这种设备已经在牛, 羊和猪身上进行了测试, 所有动物的心脏都与人的心脏大致相同. '当这些装置机械地扭曲时, 它们会产生正负电荷, 电压和电流——你可以收集这些能量来给电池充电, ' 达德维伦解释说. '你可以用它们来运行像心脏起搏器这样的生物医学设备, 而不是在电池耗尽时每六七年更换一次. '
科学家还在开发可穿戴的压电能量采集器, 这种采集器可以用在膝盖或肘部等关节上, 也可以附在鞋子, 裤子或内衣上. 这样, 一个人可以在走路或弯曲手臂时为电子设备发电.
当设计压电设备时, 人们可能会反直觉地不想使用最擅长发电的材料. 例如, 你可能只想要一种只有2%或更低效率的材料, 而不是选择一种能将5%的机械能转换成电能的材料, 如果它转换得更多, '它可能会给身体增加更多的负荷, 你不希望它使你疲劳, ' 达德维伦说.
一种不同的能量收集方法是使用热电材料将身体热量转换成电能. '你的心跳每年超过4000万次, ' 达德维伦说. 所有这些能量都以热量的形式在体内散发出来——这是一个丰富的潜在能量来源, 可以用于其他用途.
热电发电机确实面临着一些关键挑战. 它们依赖于温差, 但是人们的身体通常保持着相当恒定的温度, 所以其产生的温差通常不足以产生大量的电. 但是, 如果在身体保持恒定温度的时候, 设备还暴露于相对冷的空气中, 这就不成问题了.
科学家们正在探索用于可穿戴设备的热电装置, 例如为手表供电. 原则上, 来自人体的热量可以产生足够的电力, 为无线健康监测器, 耳蜗植入器和深脑刺激器提供能量, 以治疗帕金森氏病等疾病.
科学家们还试图利用日常静电背后的效应为设备供电. 当两种不同的材料相互反复碰撞或摩擦时, 一种材料的表面会从另一种材料的表面窃取电子, 积累电荷, 这种现象称为摩擦电. 摩擦电的一个关键优点是, 几乎所有的材料, 无论是天然的还是合成的, 都能够创造它, 给研究人员提供了设计设备的各种可能性.
'我对摩擦电的研究越多, 它就越令人兴奋, 它的应用也就越多, ' 该报告的合著者, 佐治亚理工大学的纳米技术专家王中林说. '我可以看到自己在接下来的20年里, 一直致力于此. '
摩擦电装置的表面不同, 它们能产生的电的量有也会不同, 因此科学家正在试验各种形式和结构. 研究人员已经制造出类似于微观城市街区的立方体网格, 类似于竹林的纳米线场以及类似于吉萨金字塔的阵列. 王中林说, 这些材料不仅 '看起来很漂亮' , 而且很有效果, 用金字塔覆盖一个表面, 与平板相比, 可以增加5倍的发电量.
心脏起搏器, 心脏监视器和其他由呼吸和心跳摩擦供电的可植入设备已经在老鼠, 兔子和猪身上进行了测试. '我们也在观察摩擦电是否可以在体内用于刺激细胞生长和促进伤口愈合, ' 王中林说. '此外, 我们已经开始进行摩擦电刺激神经的实验, 看看我们能否对神经科学做出贡献. '
王中林和他的同事还设计了摩擦电驱动的可穿戴设备. 例如, 他他们制造了一种可以为含有锂离子电池的柔性带充电的摩擦电布. 这可以为可穿戴式心跳仪供电, 该仪器使用蓝牙技术将其数据无线传输到智能手机. '人类日常运动的机械能可以通过我们的布转换成电能, ' 王中林说.
另一种策略依赖于被称为生物燃料电池的设备, 该设备通过酶与体内的燃料分子(例如血液中的葡萄糖)之间的化学反应来发电, 或者通过从体内释放的燃料分子(例如汗液中分泌的乳酸盐)来发电. 例如, 来自真菌Phanerochaetesordida的酶纤维二糖脱氢酶可以分解糖并在粘附到只有纳米(十亿分之一米)宽的碳管上时产生电流.
酶的选择可能会很棘手. 例如, 几组科学家已经发现, 葡萄糖氧化酶可以在植入实验室大鼠体内的生物燃料电池中产生电能, 但这种酶也产生过氧化氢, 一种常见的漂白剂. 这可能会降低的性能, 并从长远来看, 这也对身体有害.
碳纳米管的扫描电子显微照片, 用于从人体产生电能的实验生物燃料电池中. 管子上覆盖有处理天然燃料的酶, 如汗液中的乳酸盐或血液中的葡萄糖. 它们是电活性的, 并为酶的沉积提供了广阔的表面积, 允许从给定体积产生更多的电.
法国科学家已经研制出一种生物燃料电池, 这种电池是用涂有酶的碳纳米管制成的, 体积大约只有半茶匙, 植入老鼠体内后, 它可以从血糖中产生足够的电能, 为LED或数字温度计供电. 实验还表明, 编织在头饰带和腕带等服装上的生物燃料电池可以很容易地通过与乳酸汗液的化学反应产生足够的电能, 为手表提供动力.
据达德维伦所知, 这些设备目前还没有上市. 但她预计, 它们上市销售可能还不到10年. 将来, 能量收集设备可能会变得更适合身体. 达德维伦和她的同事们甚至正在研究他们设备的可溶解版本.
'想象一下, ' 她说, '把一个设备插入你的身体, 在它工作一段时间后, 它会分解到你体液中的分子水平. 你不需要剖你的胸部就可以取出来: 我们可以使用可生物降解的材料, 比如丝绸和氧化锌, 它们可以随着时间的推移而分解. '