Nota del redattore: Uno dei maggiori svantaggi della maggior parte dei dispositivi indossabili e impiantabili è ancora la loro batteria, la cui capacità limitata limita il loro uso a lungo termine.Il Atlantic Monthly pubblica un articolo in cui spiega che gli scienziati stanno cercando di risolvere questo problema. Svantaggi di vari metodi, tra cui piezoelettrico, triboelettricità, bioelettricità, ecc., Ma l'idea è la stessa, in modo che il dispositivo ottenga energia dal corpo ospite.
Altoparlante piezoelettrico
In "ISingtheBodyElectric", il poeta Walt Whitman (Walt Whitman) per esprimere il 'bello, curioso, la respirazione, ridendo carne' del 'azione e la forza'. Dopo 150 anni, la materiali scienziato del MIT, ingegnere Fabio · Dadeweilun (CananDagdeviren) ed i suoi colleghi alla poesia di Whitman dà un nuovo significato, hanno inventato un dispositivo, è possibile reagire al cuore pulsante e la generazione contorta.
La tecnologia elettronica è ora molto forte, un telefono di calcolo di potenza potenza di calcolo intelligente di quanto la NASA nel 1969, quando le prime persone sulla Luna ha. Nel corso del tempo, la tecnologia ha compiuto notevoli progressi, la gente vuole indossare Anche i dispositivi che vengono impiantati nel corpo possono diventare più potenti.
Uno dei principali svantaggi della maggior parte dei dispositivi indossabili e impiantabili è ancora la loro batteria, la cui capacità limitata limita il loro uso a lungo termine.Quando il pacemaker è esaurito, l'ultima cosa che si vuole fare è sostituire la batteria. E per eseguire un'operazione su un paziente.La soluzione a questo problema potrebbe essere all'interno del corpo umano perché è ricca di energia, chimica, calore e meccanica.Questo ha spinto gli scienziati a studiare una varietà di metodi per ottenere attrezzature dall'ospite Energy, Daddwellen e i suoi colleghi hanno dettagliato questo aspetto nell'Annual Review of Biomedical Engineering 2017.
Ad esempio, il movimento a mantice fatto da una persona mentre respira può produrre 0,83 watt di energia, il calore dal corpo, fino a 4,8 watt, l'energia del movimento del braccio di una persona, fino a 60 watt. Ci vogliono cinque milionesimi di watt per tenerlo per sette anni Gli apparecchi acustici hanno bisogno di un millesimo di watt per durare cinque giorni Uno smartphone ha bisogno di un watt per mantenere le cinque ore Questo non è privo di significato.
Oggigiorno, Daddwillen e altri stanno progettando macchine che usano il corpo come fonte di energia: sempre più ricercatori stanno testando questo dispositivo indossabile o impiantabile in modelli animali e umani.
Una strategia di energy harvesting consiste nel convertire l'energia da vibrazioni, pressioni e altri stress meccanici in energia elettrica.Questo metodo produce i cosiddetti effetti piezoelettrici, comunemente usati negli altoparlanti e nei microfoni.
Un materiale piezoelettrico di uso comune è il titanato di zirconato di piombo, il cui tenore di piombo solleva preoccupazioni che potrebbe essere troppo tossico per gli esseri umani. "Ma se vuoi che il piombo si decomponga dalla struttura, devi scaldarli sopra 700 gradi Celsius. La temperatura », disse Daddwillon,« non raggiungerai mai questa temperatura nel tuo corpo ».
Per trarre vantaggio dall'effetto piezoelettrico, Daddwillen e i suoi colleghi hanno sviluppato un dispositivo piatto che può essere applicato a organi, muscoli come cuore, polmoni e diaframmi: questi dispositivi sono "meccanicamente invisibili" a causa della loro Le proprietà meccaniche sono simili a quelle dei materiali su cui sono laminati, quindi non ostacolano questi tessuti durante l'esercizio.
Finora, tali dispositivi sono stati fatti nella prova bovini, ovini e suini, cuore ogni animale sono sostanzialmente lo stesso come il cuore umano. 'Quando questi dispositivi sono distorte meccanicamente, generano carica positiva e negativa, la tensione e la corrente - è possibile raccogliere energia per ricaricare la batteria, 'spiega Dade circuito Gilles "è possibile utilizzare per eseguire dispositivi biomedicali quali pacemaker, e non sostituito quando la batteria si esaurisce ogni sei o sette anni. una volta '.
Gli scienziati stanno sviluppando un indossabili raccolta di energia piezoelettrici, tale collettore può essere utilizzato nelle articolazioni come il ginocchio o il gomito può essere attaccato alla scarpe, pantaloni o biancheria intima. In questo modo, quando una persona può camminare o piegare il braccio dispositivi elettronici di potenza.
Quando si progetta un dispositivo piezoelettrico, le persone potrebbero controintuitamente non voler utilizzare i materiali che sono i migliori per generare elettricità, ad esempio, si può desiderare solo un materiale che sia solo del 2% o meno efficiente, invece di scegliere un materiale che può essere del 5% Un materiale che converte energia meccanica in energia elettrica, se converte di più, "può aggiungere più carico al corpo e non vuoi che ti faccia stancare", ha detto Daddwillen.
Un diverso metodo di raccolta di energia consiste nell'utilizzare materiali termoelettrici per convertire il calore corporeo in energia elettrica: "Il tuo cuore batte più di 40 milioni di volte all'anno", ha detto Daddwillen.Tutta questa energia viene emessa nel corpo sotto forma di calore - questo È una ricca fonte di energia potenziale che può essere utilizzata per altri scopi.
I generatori termoelettrici affrontano alcune sfide chiave: fanno affidamento sulle differenze di temperatura, ma i corpi delle persone mantengono di solito una temperatura abbastanza costante, quindi la differenza di temperatura risultante di solito non è sufficiente per generare grandi quantità di elettricità, tuttavia, se il corpo viene mantenuto a una temperatura costante Il dispositivo è anche esposto ad aria relativamente fredda, il che non è un problema.
Gli scienziati stanno esplorando dispositivi termoelettrici per dispositivi indossabili, come l'alimentazione di orologi: in linea di principio, il calore del corpo può generare energia sufficiente per alimentare monitor wireless per la salute, impianti cocleari e stimolatori cerebrali profondi. Trattamento di malattie come il morbo di Parkinson.
Gli scienziati cercano anche di usare gli effetti dell'elettricità statica quotidiana per alimentare il dispositivo: quando due materiali diversi si scontrano ripetutamente o si sfregano l'uno contro l'altro, la superficie di un materiale ruba gli elettroni dalla superficie dell'altro, accumulando la carica. Per il triboelettricità Un vantaggio chiave della triboelettricità è che quasi tutti i materiali, sia naturali che sintetici, possono crearlo, offrendo ai ricercatori una varietà di possibilità per la progettazione di apparecchiature.
"Più studio sulla triboelettricità, più è eccitante e più le sue applicazioni", ha detto il co-autore del rapporto, Wang Zhonglin, un nanotecnologo del Georgia Institute of Technology. Per i prossimi 20 anni, ho lavorato su questo.
La superficie dei dispositivi triboelettrici è diversa e anche la quantità di elettricità che possono produrre varia, quindi gli scienziati stanno sperimentando varie forme e strutture.I ricercatori hanno creato griglie cubiche simili a blocchi urbani microscopici, simili ai nanofili delle foreste di bambù. Campi e array simili alla Piramide di Giza. Wang Zhonglin ha detto che questi materiali non sono solo "belli", ma anche molto efficaci: coprono una superficie con piramidi e possono aumentare la produzione di energia di 5 volte rispetto ai pannelli piatti.
Pacemaker, cardiofrequenzimetri e altri dispositivi impiantabili alimentati da attrito respiratorio e battito cardiaco sono stati testati su ratti, conigli e maiali. "Stiamo anche osservando se la triboelettricità può essere utilizzata in vivo per stimolare la crescita cellulare e Promuovere la guarigione delle ferite ", ha detto Wang Zhonglin," Inoltre, abbiamo iniziato gli esperimenti con la stimolazione triboelettrica dei nervi per vedere se possiamo contribuire alle neuroscienze. "
Wang Zhonglin e i suoi colleghi hanno anche progettato dispositivi indossabili basati sul triboelettrico, ad esempio, hanno realizzato un panno triboelettrico che può essere utilizzato per caricare cinghie flessibili contenenti batterie agli ioni di litio, in grado di alimentare un cardiofrequenzimetro indossabile. Lo strumento utilizza la tecnologia Bluetooth per trasmettere i suoi dati in modalità wireless a uno smartphone. "L'energia meccanica del movimento quotidiano umano può essere convertita in elettricità attraverso il nostro tessuto", ha detto Wang Zhonglin.
Un'altra strategia dipende dal dispositivo è chiamato cella bio-combustibile, e il corpo del dispositivo da un enzima molecole di combustibile (ad esempio, glucosio nel sangue) tra la reazione chimica per generare elettricità o da molecole di combustibile rilasciati dal corpo (ad esempio il sudore secreto lattato) per generare elettricità, per esempio, un enzima derivato da un fungina Phanerochaetesordida cellobiose deidrogenasi può essere fatto aderire alla decomposizione di zucchero e solo nanometri (miliardesimi di metro) largo sulla corrente del tubo viene generato carbonio.
La scelta degli enzimi può essere complicata: per esempio, diversi gruppi di scienziati hanno scoperto che la glucosio ossidasi può produrre elettricità nelle cellule di biocarburante impiantate nei ratti di laboratorio, ma questo enzima produce anche perossido di idrogeno, un comune Candeggina: questo può degradare le prestazioni e, a lungo andare, è anche dannoso per il corpo.
Micrografie elettroniche a scansione di nanotubi di carbonio per l'uso in cellule sperimentali di biocarburanti che generano energia elettrica dal corpo umano.Le provette sono ricoperte di enzimi che trattano i combustibili naturali, come il lattato nel sudore o il glucosio nel sangue. e fornire un'ampia superficie per la deposizione di enzimi, che consente di generare più elettricità da un determinato volume.
Scienziati francesi hanno sviluppato una cellula di biocarburante prodotta da nanotubi di carbonio rivestiti di enzimi che sono solo circa mezzo cucchiaino e dopo l'impianto nei topi possono generare abbastanza energia dallo zucchero nel sangue. Oppure l'alimentazione del termometro digitale Gli esperimenti hanno anche dimostrato che le cellule di biocarburanti tessute in abiti come fasce per la testa e braccialetti possono facilmente generare abbastanza elettricità attraverso la reazione chimica con il sudore dell'acido lattico per alimentare l'orologio.
Secondo Daddwillen, questi dispositivi non sono ancora sul mercato, ma si aspetta che siano disponibili sul mercato da meno di 10 anni.In futuro, le attrezzature per la raccolta di energia potrebbero diventare più idonee per il corpo Dadvelen e i suoi colleghi Stanno anche studiando la versione dissolvibile del loro dispositivo.
'Immagina,' ha detto, 'metti un dispositivo nel tuo corpo, dopo che funziona per un periodo di tempo, si romperà fino al livello molecolare nel tuo fluido corporeo.Puoi tirarlo fuori senza tagliare il petto: possiamo usare Materiali biodegradabili, come la seta e l'ossido di zinco, che possono degradarsi nel tempo.