編者按: 大多數可穿戴和可植入設備的一個主要缺點仍然是它們的電池, 其有限的容量限制了它們的長期使用. 《大西洋月刊》發表了一篇文章, 介紹了科學家正在嘗試解決這個缺點的各種方法. 包括壓電, 摩擦電, 生物電等, 但思路都一樣, 讓設備從宿主體內獲取能量.
壓電揚聲器.
在《ISingtheBodyElectric》中, 詩人沃爾特·惠特曼(WaltWhitman)抒發了 '美麗, 好奇, 呼吸, 歡笑的肉體' 的 '行動和力量' . 150多年後, 麻省理工學院的材料科學家, 工程師卡納·達德維倫 (CananDagdeviren) 和她的同事們給惠特曼的詩賦予了新的意義, 他們發明了一種設備, 可以通過對心臟跳動的反應而扭曲發電.
電子技術如今非常強大, 一部智能手機的計算能力超過了NASA在1969年把第一批人送上月球時所擁有的計算能力. 隨著時間的推移, 技術取得了非凡的進步, 人們希望戴在身上甚至植入體內的裝置也能變得越來越強大.
大多數可穿戴和可植入設備的一個主要缺點仍然是它們的電池, 其有限的容量限制了它們的長期使用. 當心臟起搏器電量耗盡時, 你最不想做的事情就是為了替換電池而給一個病人做手術. 解決這一問題的辦法可能在人體內部——因為它在能量, 化學, 熱和機械方面都很豐富. 這促使科學家們研究了多種方法, 讓設備從宿主體內獲取能量, 達德維倫和她的同事在2017年《生物醫學工程年度評論》中對此做了詳細介紹.
例如, 人在呼吸時作出的風箱狀運動可以產生0.83瓦的能量; 來自人體的熱量, 高達4.8瓦; 一個人手臂的運動帶來的能量, 最高達60瓦. 如果你考慮到起搏器只需要五千萬分之一瓦特就能維持七年, 助聽器需要千分之一瓦特就能維持五天, 智能手機需要一瓦特就能維持五小時的時候, 這並不是沒有意義的.
現在, 達德維倫和其他人正在設計使用人體本身作為能量來源的機器. 越來越多的研究人員在動物模型和人體中測試這種可穿戴或可植入的設備.
一種能量收集策略涉及將能量從振動, 壓力和其它機械應力轉換成電能. 這種方法產生所謂的壓電效應, 通常用於揚聲器和麥克風.
一種常用的壓電材料是鋯鈦酸鉛, 它的鉛含量引起人們的擔憂, 它可能對人體毒性太大. '但想讓鉛從結構中分解出來, 就必須將它們加熱到700攝氏度以上的溫度, ' 達德維倫說. '你體內永遠達不到這樣的溫度. '
為了利用壓電效應, 達德維倫和她的同事們開發了一種扁平的設備, 可以粘貼在心臟, 肺和膈肌等器官和肌肉上. 這些裝置是 '機械不可見的' , 因為它們的機械性能與它們被疊層的物質相似, 所以它們在運動時不會阻礙這些組織.
到目前為止, 這種設備已經在牛, 羊和豬身上進行了測試, 所有動物的心臟都與人的心臟大致相同. '當這些裝置機械地扭曲時, 它們會產生正負電荷, 電壓和電流——你可以收集這些能量來給電池充電, ' 達德維倫解釋說. '你可以用它們來運行像心臟起搏器這樣的生物醫學設備, 而不是在電池耗盡時每六七年更換一次. '
科學家還在開發可穿戴的壓電能量採集器, 這種採集器可以用在膝蓋或肘部等關節上, 也可以附在鞋子, 褲子或內衣上. 這樣, 一個人可以在走路或彎曲手臂時為電子設備發電.
當設計壓電設備時, 人們可能會反直覺地不想使用最擅長發電的材料. 例如, 你可能只想要一種只有2%或更低效率的材料, 而不是選擇一種能將5%的機械能轉換成電能的材料, 如果它轉換得更多, '它可能會給身體增加更多的負荷, 你不希望它使你疲勞, ' 達德維倫說.
一種不同的能量收集方法是使用熱電材料將身體熱量轉換成電能. '你的心跳每年超過4000萬次, ' 達德維倫說. 所有這些能量都以熱量的形式在體內散發出來——這是一個豐富的潛在能量來源, 可以用於其他用途.
熱電發電機確實面臨著一些關鍵挑戰. 它們依賴於溫差, 但是人們的身體通常保持著相當恒定的溫度, 所以其產生的溫差通常不足以產生大量的電. 但是, 如果在身體保持恒定溫度的時候, 設備還暴露於相對冷的空氣中, 這就不成問題了.
科學家們正在探索用於可穿戴設備的熱電裝置, 例如為手錶供電. 原則上, 來自人體的熱量可以產生足夠的電力, 為無線健康監測器, 耳蝸植入器和深腦刺激器提供能量, 以治療帕金森氏病等疾病.
科學家們還試圖利用日常靜電背後的效應為設備供電. 當兩種不同的材料相互反覆碰撞或摩擦時, 一種材料的表面會從另一種材料的表面竊取電子, 積累電荷, 這種現象稱為摩擦電. 摩擦電的一個關鍵優點是, 幾乎所有的材料, 無論是天然的還是合成的, 都能夠創造它, 給研究人員提供了設計設備的各種可能性.
'我對摩擦電的研究越多, 它就越令人興奮, 它的應用也就越多, ' 該報告的合著者, 喬治亞理工大學的納米技術專家王中林說. '我可以看到自己在接下來的20年裡, 一直致力於此. '
摩擦電裝置的表面不同, 它們能產生的電的量有也會不同, 因此科學家正在試驗各種形式和結構. 研究人員已經製造出類似於微觀城市街區的立方體網格, 類似於竹林的納米線場以及類似于吉薩金字塔的陣列. 王中林說, 這些材料不僅 '看起來很漂亮' , 而且很有效果, 用金字塔覆蓋一個表面, 與平板相比, 可以增加5倍的發電量.
心臟起搏器, 心臟監視器和其他由呼吸和心跳摩擦供電的可植入設備已經在老鼠, 兔子和豬身上進行了測試. '我們也在觀察摩擦電是否可以在體內用於刺激細胞生長和促進傷口癒合, ' 王中林說. '此外, 我們已經開始進行摩擦電刺激神經的實驗, 看看我們能否對神經科學做出貢獻. '
王中林和他的同事還設計了摩擦電驅動的可穿戴設備. 例如, 他他們製造了一種可以為含有鋰離子電池的柔性帶充電的摩擦電布. 這可以為可穿戴式心跳儀供電, 該儀器使用藍芽技術將其數據無線傳輸到智能手機. '人類日常運動的機械能可以通過我們的布轉換成電能, ' 王中林說.
另一種策略依賴於被稱為生物燃料電池的設備, 該設備通過酶與體內的燃料分子(例如血液中的葡萄糖)之間的化學反應來發電, 或者通過從體內釋放的燃料分子(例如汗液中分泌的乳酸鹽)來發電. 例如, 來自真菌Phanerochaetesordida的酶纖維二糖脫氫酶可以分解糖並在粘附到只有納米(十億分之一米)寬的碳管上時產生電流.
酶的選擇可能會很棘手. 例如, 幾組科學家已經發現, 葡萄糖氧化酶可以在植入實驗室大鼠體內的生物燃料電池中產生電能, 但這種酶也產生過氧化氫, 一種常見的漂白劑. 這可能會降低的性能, 並從長遠來看, 這也對身體有害.
碳納米管的掃描電子顯微照片, 用於從人體產生電能的實驗生物燃料電池中. 管子上覆蓋有處理天然燃料的酶, 如汗液中的乳酸鹽或血液中的葡萄糖. 它們是電活性的, 並為酶的沉積提供了廣闊的表面積, 允許從給定體積產生更多的電.
法國科學家已經研製出一種生物燃料電池, 這種電池是用塗有酶的碳納米管製成的, 體積大約只有半茶匙, 植入老鼠體內後, 它可以從血糖中產生足夠的電能, 為LED或數字溫度計供電. 實驗還表明, 編織在頭飾帶和腕帶等服裝上的生物燃料電池可以很容易地通過與乳酸汗液的化學反應產生足夠的電能, 為手錶提供動力.
據達德維倫所知, 這些設備目前還沒有上市. 但她預計, 它們上市銷售可能還不到10年. 將來, 能量收集設備可能會變得更適合身體. 達德維倫和她的同事們甚至正在研究他們設備的可溶解版本.
'想象一下, ' 她說, '把一個設備插入你的身體, 在它工作一段時間後, 它會分解到你體液中的分子水平. 你不需要剖你的胸部就可以取出來: 我們可以使用可生物降解的材料, 比如絲綢和氧化鋅, 它們可以隨著時間的推移而分解. '