Anmerkung des Herausgebers: Einer der Hauptnachteile der meisten tragbaren und implantierbaren Geräte sind immer noch ihre Batterien, deren begrenzte Kapazität ihre langfristige Nutzung einschränkt. "The Atlantic Monthly" veröffentlicht einen Artikel, der Wissenschaftler beschreibt, die versuchen, dieses Problem zu lösen. Nachteile der verschiedenen Methoden, einschließlich Piezo, Triboelektrizität, Bioelektrizität, etc., aber die Idee ist die gleiche, so dass das Gerät Energie aus dem Host-Körper zu erhalten.
Piezoelektrische Lautsprecher.
In „ISingtheBodyElectric“, zu der Dichter Walt Whitman (Walt Whitman) drücken die ‚schön, neugierig, zu atmen, zu lachen Fleisch‘ der ‚Aktion und Stärke‘. Nach 150 Jahren hat sich die MIT Materialwissenschaftler, Ingenieur Fabio · Candan Dagdeviren und ihre Kollegen gaben Whitmans Gedichten eine neue Bedeutung: Sie erfanden ein Gerät, das die Energieerzeugung verzerren kann, indem es auf den Herzschlag reagiert.
Elektronische Technologie ist jetzt sehr stark, eine Smartphone Rechenleistung Rechenleistung als die NASA im Jahr 1969, als die ersten Menschen auf dem Mond hat. Im Laufe der Zeit Technologie bemerkenswerte Fortschritte gemacht hat, wollen die Menschen tragen Geräte, die sogar in den Körper implantiert werden, können auch leistungsfähiger werden.
Einer der Hauptnachteile der meisten tragbaren und implantierbaren Geräte sind immer noch ihre Batterien, deren begrenzte Kapazität ihre langfristige Nutzung einschränkt.Wenn der Schrittmacher erschöpft ist, ist der letzte Schritt, den Sie tun möchten, der Austausch der Batterie. Eine Lösung für dieses Problem könnte sich im menschlichen Körper befinden, da es reich an Energie, Chemie, Wärme und Mechanik ist, was die Wissenschaftler dazu veranlasste, eine Vielzahl von Möglichkeiten zu untersuchen, um Geräte vom Wirt zu bekommen Energy, Daddwellen und ihre Kollegen haben dies im Jahresbericht 2017 Biomedical Engineering ausführlich beschrieben.
Zum Beispiel kann die balgenartige Bewegung, die eine Person während des Atmens erzeugt, 0,83 Watt Energie erzeugen, die Wärme vom Körper bis zu 4,8 Watt, die Energie der Armbewegung eines Menschen bis zu 60 Watt, wenn man nur den Herzschrittmacher berücksichtigt Es dauert fünf Millionstel Watt, um es für sieben Jahre zu halten.Hörmittel benötigen ein Tausendstel Watt für fünf Tage.Ein Smartphone braucht ein Watt, um fünf Stunden zu halten.Dies ist nicht bedeutungslos.
Heutzutage entwickeln Daddillen und andere Maschinen, die den Körper als Energiequelle nutzen, und immer mehr Forscher testen dieses tragbare oder implantierbare Gerät in Tiermodellen und Menschen.
Eine Energiesammlungsstrategie bezieht Energie aus der Vibration, Druck und anderen mechanischen Belastungen in elektrische Energie umzuwandeln. Dieser Prozess erzeugt einen sogenannten piezoelektrischen Effekt, in der Regel ein Mikrofon und einen Lautsprecher.
Ein gemeinsames piezoelektrische Material Blei-Zirkonat-Titanat, dessen Bleigehalt Grund zur Besorgnis ist, kann es für den Menschen zu toxisch sein. ‚Aber die Führung lassen sich von der Zersetzung der Struktur ist es notwendig, sie auf 700 Grad Celsius zu erhitzen Temperatur, ‚Dade sagte Circuit Gilles.‘ du bist Körper wird so nie erreichen eine Temperatur. '
Um den piezoelektrischen Effekt nutzen zu können, haben Daddwillen und ihre Kollegen ein flaches Gerät entwickelt, das auf Organe, Muskeln wie Herz, Lunge und Zwerchfell angewendet werden kann Die mechanischen Eigenschaften ähneln denen der Materialien, auf die sie laminiert sind, so dass sie diese Gewebe während des Trainings nicht behindern.
Bislang wurden diese Geräte an Rindern, Schafen und Schweinen getestet.Alle Tiere haben ungefähr das gleiche Herz wie das menschliche Herz. "Wenn diese Geräte mechanisch verzerrt sind, erzeugen sie positive und negative Ladungen, Spannungen und Ströme. "Sie können diese Energie sammeln, um den Akku aufzuladen", erklärt Dadvenen. "Sie können damit ein biomedizinisches Gerät wie einen Herzschrittmacher betreiben, anstatt alle sechs oder sieben Jahre zu wechseln, wenn der Akku leer ist. Einmal. "
Darüber hinaus entwickeln die Wissenschaftler tragbare piezoelektrische Energie-Erntemaschinen, die an Gelenken wie Knien oder Ellbogen sowie an Schuhen, Hosen oder Unterwäsche verwendet werden können und so den Arm gehen oder beugen können Stromerzeugung für elektronische Geräte.
Wenn Sie ein piezoelektrisches Gerät konstruieren, können die Menschen kontraintuitiv nicht die Materialien verwenden, die am besten zur Stromerzeugung geeignet sind: Sie möchten vielleicht nur ein Material, das nur 2% oder weniger effizient ist, anstatt ein Material zu wählen, das 5% sein kann Ein Material, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, wenn es mehr umgewandelt wird, "es kann dem Körper mehr Last zuführen, du willst nicht, dass es dich müde macht", sagte Daddwillen.
Eine andere Energiegewinnungsmethode ist die Verwendung von thermoelektrischen Materialien, um die Körperwärme in Elektrizität umzuwandeln: "Sie haben jedes Jahr mehr als 40 Millionen Herzschläge", sagte Daddillen. All diese Energie wird im Körper in Form von Wärme freigesetzt - dies Ist eine reiche Quelle potenzieller Energie, die für andere Zwecke genutzt werden kann.
Thermoelektrische Generatoren stehen vor einigen wichtigen Herausforderungen: Sie beruhen auf Temperaturunterschieden, aber die Körper der Menschen halten normalerweise eine ziemlich konstante Temperatur aufrecht, so dass der resultierende Temperaturunterschied normalerweise nicht ausreicht, um große Mengen an Elektrizität zu erzeugen, wenn der Körper jedoch auf einer konstanten Temperatur gehalten wird Das Gerät ist auch relativ kalter Luft ausgesetzt, was kein Problem darstellt.
Wissenschaftler erforschen thermoelektrische Geräte für tragbare Geräte wie zum Beispiel das Antreiben von Uhren.Im Prinzip kann die Wärme des Körpers genug Energie erzeugen, um drahtlose Gesundheitsüberwachungsgeräte, Cochlea-Implanter und Tiefenhirnstimulatoren zu versorgen. Behandlung von Krankheiten wie der Parkinson-Krankheit.
Die Wissenschaftler versuchen auch, die Effekte der alltäglichen statischen Elektrizität zu nutzen: Wenn zwei verschiedene Materialien wiederholt aneinander stoßen oder aneinander reiben, stiehlt die Oberfläche eines Materials Elektronen von der Oberfläche des anderen und akkumuliert die Ladung Für die Triboelektrizität Ein Hauptvorteil der Triboelektrizität ist, dass fast alle Materialien, ob natürlich oder synthetisch, sie erzeugen können, was den Forschern die Möglichkeit gibt, Geräte zu konstruieren.
"Je mehr ich über Triboelektrizität studiere, desto aufregender ist es und desto mehr Anwendungen gibt es", sagte Wang Zhonglin, Nanotechnologie-Experte am Georgia Institute of Technology, "und ich sehe, dass ich selbst pflücke In den nächsten 20 Jahren habe ich daran gearbeitet.
Die Oberfläche der triboelektrischen Geräte ist unterschiedlich, und die Menge an Elektrizität, die sie erzeugen können, variiert auch, so dass Wissenschaftler mit verschiedenen Formen und Strukturen experimentieren: Forscher haben kubische Gitter ähnlich mikroskopischen städtischen Blöcken geschaffen, ähnlich den Nanodrähten von Bambuswäldern. Felder und Anordnungen ähnlich der Giza Pyramide Wang Zhonglin sagte, dass diese Materialien nicht nur "schön aussehen", sondern auch sehr effektiv sind. Sie bedecken eine Oberfläche mit Pyramiden und können die Energieerzeugung im Vergleich zu flachen Platten um das 5-fache erhöhen.
Herzschrittmacher, Herz und andere Leistungsmonitor Atmung und Herzschlag durch Reibung implantierbares Gerät hat bei Mäusen, Kaninchen und Schweinen getestet. ‚Wir auch, ob beobachten triboelektrischen verwendet werden, um Zellwachstum zu stimulieren und in vivo Wundheilung fördern „sagte Zhong Lin Wang.“ Darüber hinaus haben wir elektrische Nervenstimulation Reibung zu experimentieren begonnen, und sehen, ob wir dazu beitragen, Neurowissenschaft kann. "
Wang Zhonglin und seine Kollegen entwickelten auch triboelektrisch angetriebene tragbare Geräte: Sie erzeugten zum Beispiel ein triboelektrisches Tuch, mit dem man flexible Bänder mit Lithium-Ionen-Batterien aufladen kann, die einen tragbaren Herzfrequenzmesser versorgen können. Das Gerät nutzt Bluetooth-Technologie, um seine Daten drahtlos an ein Smartphone zu übertragen. "Die mechanische Energie der täglichen menschlichen Bewegung kann durch unser Tuch in Elektrizität umgewandelt werden", sagte Wang Zhonglin.
Eine weitere Strategie hängt vom Gerät bio-Brennstoffzelle genannt, und der Vorrichtungskörper durch ein Enzym Brennstoffmolekül (beispielsweise Glukose im Blut) zwischen der chemischen Reaktion Elektrizität oder durch Kraftstoffmoleküle aus dem Körper (z.B. Schweiß freigesetzt zu erzeugen sezerniert Lactat) zur Stromerzeugung, beispielsweise ein Enzym, abgeleitet von einem Pilz Phanerochaetesordida Cellobiose-Dehydrogenase kann auf die Zersetzung von Zucker und nur Nanometer (Milliardstel eines Meters eingehalten werden) breit auf der Röhrenstrom Kohlenstoff erzeugt wird.
Die Auswahl von Enzymen kann schwierig sein.Zum Beispiel haben mehrere Gruppen von Wissenschaftlern entdeckt, dass Glukoseoxidase Elektrizitätin Biotreibstoffzellen erzeugen kann, die in Laborratten implantiert sind, aber dieses Enzym produziert auch Wasserstoffperoxid, ein verbreitetes Enzym Bleichmittel: Dies kann die Leistung beeinträchtigen und auf lange Sicht auch schädlich für den Körper sein.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Kohlenstoff-Nanoröhren für den Einsatz in experimentellen Biotreibstoffzellen, die elektrische Energie aus dem menschlichen Körper erzeugen Röhren sind mit Enzymen bedeckt, die natürliche Brennstoffe wie Laktat im Schweiß oder Glukose im Blut behandeln und elektrisch aktiv sind. und bieten eine breite Oberfläche für die Enzymabscheidung, wodurch mehr Elektrizität aus einem gegebenen Volumen erzeugt werden kann.
Die Französisch Wissenschaftler eine Bio-Brennstoffzelle entwickelt haben, diese Zelle von Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Enzym beschichtet wurde, das Volumen von nur etwa einem halben Teelöffel, in Mäuse, kann es ausreichend Energie von der Glukose erzeugen, eine LED Macht oder digitales Thermometer. die Experimente zeigen auch, dass die gestrickten Stirnbänder und Armbänder Zelle Kleidung Biokraftstoff leicht ausreichend Leistung durch chemische Reaktion mit Säure Schweiß erzeugen kann, die Stromversorgung der Uhr.
Nach Jacques Dade Wissen sind diese Geräte noch nicht aufgeführt, aber sie erwarten, dass Verkauf weniger als 10 Jahre sein kann. In Zukunft kann die Energiegewinnungsvorrichtung fitter Körper worden. Dade Circuit Gilles und ihre Kollegen Sie untersuchen sogar die lösbare Version ihres Geräts.
"Stell dir vor", sagte sie, "lege ein Gerät in deinen Körper, nachdem es eine Weile funktioniert hat, wird es auf molekularer Ebene in deinen Körperflüssigkeiten abgebaut. Du musst deine Brust nicht schneiden, um es herauszubekommen Biologisch abbaubare Materialien wie Seide und Zinkoxid, die im Laufe der Zeit abgebaut werden können.