Примечание редактора: Одним из основных недостатков большинства носимых и имплантируемых устройств по-прежнему остаются их батареи. Их ограниченная емкость ограничивает их долгосрочное использование. Atlantic Monthly публикует статью, объясняющую, что ученые пытаются решить эту проблему. Недостатки различных методов. Включая пьезо, трибоэлектричество, биоэлектричество и т. Д., Но идея такая же, чтобы устройство получало энергию от тела хозяина.
Пьезоэлектрический динамик.
В «ISingtheBodyElectric» поэт Уолт Уитмен выразил «действие и силу» «красивого, любопытного, дышащего, смеющегося тела». Спустя более 150 лет, ученый-исследователь MIT, инженер Канна · Кандан Дагдевирен и ее коллеги придавали новый смысл стихам Уитмена. Они изобрели устройство, которое может искажать выработку энергии, реагируя на сердцебиение.
В настоящее время электронная технология очень мощная. Мощность вычислительной мощности смартфона превышает вычислительную мощность, которую NASA имела, когда она поставила первую группу людей на Луну в 1969 году. Со временем технологии добились необычайного прогресса. Люди хотят носить Устройства, которые даже имплантированы в организм, также могут стать более мощными.
Один из основных недостатков большинства носимых и имплантируемых устройств - все еще их батареи. Их ограниченная способность ограничивает их длительное использование. Когда кардиостимулятор истощается, последнее, что вы хотите сделать, это заменить батарею. И для выполнения операции над пациентом. Решение этой проблемы может быть внутри человеческого организма, потому что оно богато энергией, химией, теплом и механикой. Это побудило ученых изучить различные методы получения оборудования у хозяина Energy, Daddwellen и ее коллеги рассказали об этом в Ежегодном обзоре биомедицинской инженерии в 2017 году.
Например, люди делают, когда дыхание гофрированного движения может производить 0,83 ватт энергии, тепло от тела, до 4,8 Вт, энергия движения человеческой руки воспитывалась до 60 Вт, если принять во внимание только кардиостимулятор. Вт будет в состоянии поддерживать необходимые 1/50000000 семь лет, слуховые аппараты должны быть в состоянии поддерживать тысячные Вт в течение пяти дней, смартфон требует один ватта, способного поддерживать пять часов, когда он не без значения.
Теперь Дада Жак и другие предназначены для использования в качестве источника энергии собственных машин организма. Все больше и больше исследователей для тестирования оборудования, таких носимый или имплантируемый в моделях животных и человеке.
Стратегия сбора энергии включает в себя преобразование энергии из вибраций, давлений и других механических напряжений в электрическую энергию. Этот метод дает так называемые пьезоэлектрические эффекты, обычно используемые в динамиках и микрофонах.
Обычно используемый пьезоэлектрический материал представляет собой титанат цирконата свинца. Его содержание свинца вызывает опасения, что он может быть слишком токсичным для человека ». Но если вы хотите привести к разложению из структуры, вы должны нагреть их выше 700 градусов по Цельсию. Температура, - сказал Даддвилл, - вы никогда не достигнете этой температуры в своем теле.
Чтобы воспользоваться пьезоэлектрическим эффектом, Даддвилл и ее коллеги разработали плоское устройство, которое можно наносить на органы, мышцы, такие как сердце, легкие и диафрагмы. Эти устройства являются «механически невидимыми» из-за их Механические свойства аналогичны механическим свойствам материалов, на которых они ламинируются, поэтому они не мешают этим тканям во время физических нагрузок.
До сих пор это устройство тестировалось на крупный рогатый скот, овец и свиней. Все животные имеют примерно такое же сердце, как и человеческое сердце ». Когда эти устройства механически скручены, они генерируют положительные и отрицательные заряды, напряжения и токи. - Вы можете собрать эту энергию, чтобы зарядить батарею, - объясняет Дардевелен, - вы можете использовать их для запуска биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы, вместо того, чтобы каждые шестьдесят семь лет менять батарею. Однажды.
Ученые также разрабатывают пригодные для носки пьезоэлектрические энергосборщики, которые могут использоваться на суставах, таких как колени или локти, а также на обуви, брюках или нижнем белье. Таким образом, человек может ходить или сгибать руку Выработка электроэнергии для электронных устройств.
При проектировании пьезоэлектрического устройства люди могут противно не использовать материалы, которые лучше всего подходят для производства электроэнергии. Например, вам может потребоваться только материал, который составляет всего 2% или менее, вместо выбора материала, который может составлять 5% Материал, который преобразует механическую энергию в электрическую энергию, если он преобразуется больше, «он может добавить больше нагрузки на тело, вы не хотите, чтобы он заставил вас устать», - сказал Даддвилл.
Другой метод сбора энергии заключается в использовании термоэлектрических материалов для преобразования тепла тела в электрическую энергию: «Ваше сердце бьется более 40 миллионов раз в год», - сказал Даддвиллен. Вся эта энергия испускается в организме в виде тепла - это Является богатым источником потенциальной энергии, которая может использоваться для других целей.
Термоэлектрические генераторы действительно сталкиваются с некоторыми ключевыми проблемами: они полагаются на температурные различия, но тела людей обычно поддерживают довольно постоянную температуру, поэтому результирующая разница температур обычно недостаточна для генерирования большого количества электроэнергии. Однако, если тело поддерживается при постоянной температуре Устройство также подвержено относительно холодному воздуху, что не является проблемой.
Ученые изучают термоэлектрические устройства для носимых устройств, таких как силовые часы. В принципе, тепло от тела может генерировать достаточное количество энергии для питания беспроводных мониторов здоровья, кохлеарных имплантатов и глубоких стимуляторов мозга. Лечение таких заболеваний, как болезнь Паркинсона.
Ученые также пытаются использовать эффекты ежедневного статического электричества для питания устройства. Когда два разных материала неоднократно сталкиваются или тряхнут друг с другом, поверхность одного материала похищает электроны с поверхности другого, накапливая заряд. Это явление называется Для трибоэлектричества. Ключевым преимуществом трибоэлектричества является то, что почти все материалы, будь то натуральные или синтетические, могут создавать его, что дает исследователям возможность проектирования оборудования.
«Чем больше я изучаю трибоэлектричество, тем более захватывающим оно является и тем больше приложений, которые он имеет», - сказал соавтор доклада Ван Чжунлинь, эксперт по нанотехнологиям в Технологическом институте Джорджии. «Я вижу, В течение следующих 20 лет я работаю над этим.
Поверхность трибоэлектрических устройств различна, и количество электричества, которое они могут производить, также варьируется, поэтому ученые экспериментируют с различными формами и структурами. Исследователи создали кубические сетки, подобные микроскопическим городским блокам, похожие на нанопроволки из бамбуковых лесов. Поля и массивы, похожие на пирамиду Гизы, Ван Чжунлинь сказал, что эти материалы не только «красивы», но и очень эффективны. Они покрывают поверхность пирамидами и могут увеличить производство энергии в 5 раз по сравнению с плоскими панелями.
Кардиостимуляторы, сердечные мониторы и другие имплантируемые устройства, работающие на трение от дыхания и сердцебиения, были протестированы на крысах, кроликах и свиньях ». Мы также наблюдаем, можно ли использовать трибоэлектричество in vivo для стимулирования роста клеток и Продвигайте заживление ран, - сказал Ван Чжунлин. «Кроме того, мы начали эксперименты с трибоэлектрическим стимуляцией нервов, чтобы увидеть, можем ли мы способствовать нейронауке».
Ван Чжунлинь и его коллеги также разработали трибоэлектрические носимые носимые устройства. Например, они создали трибоэлектрическую ткань, которая может использоваться для зарядки гибких ремней, содержащих литий-ионные батареи. Это может привести к износу устройства для биения. Инструмент использует технологию Bluetooth для беспроводной передачи своих данных на смартфон. «Механическая энергия ежедневного движения человека может быть преобразована в электричество через нашу ткань», - сказал Ван Чжунлин.
Другая стратегия основана на оборудовании, называемом ячейкой биотоплива, которая генерирует электричество путем химической реакции между ферментом и молекулами топлива в организме, таких как глюкоза в крови, или через молекулы топлива, которые высвобождаются из организма (такие как пот (Лактат, выделяемый в среде) для выработки электричества. Например, ферментативная целлобиозодегидрогеназа из гриба Phanerochaetesordida может разрушать сахар и вырабатывать электричество, когда он прилипает к углеродной нанотрубке, которая составляет всего лишь нанометрическую (миллиардную часть метра) ширину.
Выбор ферментов может быть сложным. Например, несколько групп ученых обнаружили, что глюкозооксидаза может продуцировать электричество в клетках биотоплива, имплантированных на лабораторных крысах, но этот фермент также продуцирует перекись водорода, общую Отбеливатель. Это может ухудшить производительность, и в конечном итоге это также вредно для организма.
Сканирование электронных микрофотографий углеродных нанотрубок для использования в экспериментальных клетках биотоплива, которые генерируют электрическую энергию из организма человека. Трубы покрыты ферментами, которые обрабатывают природные топлива, такие как лактат в поту или глюкозе в крови. Они электрически активны. , и обеспечивают широкую площадь поверхности для осаждения ферментов, позволяя генерировать больше электричества из заданного объема.
Французские ученые разработали биотопливо, изготовленное из углеродных нанотрубок с ферментным покрытием, которые составляют всего около половины чайной ложки. После имплантации у мышей они могут генерировать достаточное количество энергии из сахара в крови. Эксперименты также показали, что клетки биотоплива, сплетенные в одежде, такие как головные повязки и браслеты, могут легко генерировать достаточное количество электричества через химическую реакцию с пот молочной кислоты для питания часов.
По словам Даддвилла, эти устройства еще не вышли на рынок, однако она ожидает, что они будут доступны на рынке менее 10 лет. В будущем оборудование для сбора энергии может стать более подходящим для тела. Дадвелен и ее коллеги Они даже изучают растворимую версию своего устройства.
«Представьте себе, - сказала она, - поставьте устройство в свое тело, после того, как оно какое-то время работает, оно сломается до молекулярного уровня в ваших жидкостях организма. Вам не нужно вырезать сундук, чтобы вытащить его: мы можем использовать Биоразлагаемые материалы, такие как шелк и оксид цинка, которые могут со временем ухудшаться.