หมายเหตุบรรณาธิการ: อุปกรณ์ที่สวมใส่มากที่สุดและปลูกถ่ายยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญคือแบตเตอรี่ความจุ จำกัด จำกัด การใช้งานในระยะยาวของพวกเขา "แอตแลนติกเดือน" ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับนักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามที่จะแก้ปัญหานี้ ข้อเสียของวิธีการต่างๆรวมทั้ง piezoelectric, triboelectric และชีวภาพไฟฟ้าอื่น ๆ แต่ความคิดที่เหมือนกันดังนั้นพลังงานจากโฮสต์อุปกรณ์ที่
ลำโพง Piezoelectric
ในหนังสือ "ISingtheBodyElectric" กวีวอลต์วิทแมนได้แสดงการกระทำและพลังของ 'ความสวยงามขี้สงสัยหายใจและหัวเราะ' หลังจากกว่า 150 ปีนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุของ MIT วิศวกร Canna · Dadeweilun (CananDagdeviren) และเพื่อนร่วมงานของเธอที่จะบทกวีของวิทแมนให้ความหมายใหม่ที่พวกเขาคิดค้นอุปกรณ์ที่คุณสามารถตอบสนองต่อการเต้นของหัวใจและการสร้างบิด
เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์คือตอนนี้แข็งแรงมากเป็นคอมพิวเตอร์โทรศัพท์พลังในการคำนวณพลังงานสมาร์ทกว่านาซาในปี 1969 เมื่อคนแรกบนดวงจันทร์ได้. เมื่อเวลาผ่านไปเทคโนโลยีมีความก้าวหน้าที่น่าทึ่งคนต้องการที่จะสวมใส่ แม้ร่างกายไปยังอุปกรณ์ฝังอยู่ในร่างกายสามารถมากขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ข้อบกพร่องประการสำคัญประการหนึ่งของอุปกรณ์สวมใส่และอุปกรณ์ฝังส่วนใหญ่ได้ก็คือแบตเตอรี่ของพวกเขาความจุที่ จำกัด ของพวกเขาจะ จำกัด การใช้งานในระยะยาวของพวกเขาเมื่อเครื่องกระตุ้นหัวใจหมดสมรรถนะแล้วสิ่งสุดท้ายที่คุณต้องทำคือเปลี่ยนแบตเตอรี่ และเพื่อดำเนินการกับผู้ป่วยการแก้ปัญหานี้อาจอยู่ภายในร่างกายมนุษย์เพราะอุดมไปด้วยพลังงานเคมีความร้อนและกลศาสตร์ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาวิธีการต่างๆในการรับอุปกรณ์จากโฮสต์ Energy, Daddwellen และเพื่อนร่วมงานของเธอให้รายละเอียดเกี่ยวกับเรื่องนี้ในบททบทวนประจำปีของวิศวกรรมชีวการแพทย์ประจำปี 2560
ตัวอย่างเช่นการเคลื่อนไหวของ bellows ที่ทำโดยบุคคลเมื่อหายใจสามารถผลิต 0.83 วัตต์พลังงานความร้อนจากร่างกายได้ถึง 4.8 วัตต์พลังงานของการเคลื่อนไหวแขนของบุคคลถึง 60 วัตต์หากคุณคำนึงถึงเครื่องกระตุ้นหัวใจเท่านั้น ใช้เวลาห้าล้านของวัตต์เพื่อรักษาเป็นเวลาเจ็ดปีเครื่องช่วยฟังจำเป็นต้องใช้หนึ่งในพันวัตต์เพื่อรักษาห้าวันโทรศัพท์สมาร์ทต้องการวัตต์หนึ่งเพื่อรักษาห้าชั่วโมงนี้ไม่ได้เป็นความหมาย
วันนี้ Daddwillen และคนอื่น ๆ กำลังออกแบบเครื่องที่ใช้ร่างกายเป็นแหล่งพลังงานนักวิจัยมากขึ้นกำลังทดสอบอุปกรณ์สวมใส่หรือฝังเทียมนี้ในสัตว์และมนุษย์
กลยุทธ์การเก็บเกี่ยวพลังงานเกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานจากแรงสั่นสะเทือนแรงกดดันและความเค้นทางกลอื่น ๆ เป็นพลังงานไฟฟ้าวิธีการนี้ก่อให้เกิดผลกระทบที่เรียกว่า piezoelectric มักใช้สำหรับลำโพงและไมโครโฟน
วัสดุพาโซอิเล็คทริกที่นิยมใช้กันคือ lead zirconate titanate เนื้อหาของสารตะกั่วทำให้เกิดความกังวลว่ามันอาจเป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ 'แต่ถ้าคุณต้องการนำไปสู่การสลายตัวจากโครงสร้างคุณต้องทำให้ความร้อนสูงกว่า 700 องศาเซลเซียส อุณหภูมิ 'Daddwillon กล่าว' คุณจะไม่ไปถึงอุณหภูมินี้ในร่างกายของคุณ '
เพื่อใช้ประโยชน์จากผลกระทบ piezoelectric, Daddwillen และเพื่อนร่วมงานของเธอได้พัฒนาอุปกรณ์แบนที่สามารถนำไปใช้กับอวัยวะต่างๆเช่นกล้ามเนื้อหัวใจปอดและไดอะแฟรมอุปกรณ์เหล่านี้ 'ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกลไกทางกล' สมบัติทางกลคล้ายคลึงกับของวัสดุที่เคลือบบนจึงไม่เป็นอุปสรรคต่อเนื้อเยื่อเหล่านี้ในระหว่างการออกกำลังกาย
เพื่อให้ห่างไกลอุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการทำในวัวแกะและสุกรทดสอบหัวใจของสัตว์เป็นอย่างมากเช่นเดียวกับหัวใจมนุษย์. 'เมื่ออุปกรณ์เหล่านี้จะบิดเบือนกลไกพวกเขาสร้างประจุบวกและลบที่แรงดันและกระแส - คุณสามารถเก็บพลังงานเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ 'เดดวงจรกิลส์อธิบายว่า "คุณสามารถใช้พวกเขาให้ทำงานอุปกรณ์ชีวการแพทย์เช่นเครื่องกระตุ้นหัวใจและไม่เปลี่ยนเมื่อแบตเตอรี่หมดทุกหกหรือเจ็ดปี. ครั้งเดียว '
นักวิทยาศาสตร์ยังมีการพัฒนาที่สวมใส่เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน piezoelectric เช่นนักสะสมสามารถนำมาใช้ในข้อต่อเช่นหัวเข่าหรือข้อศอกสามารถแนบไปกับรองเท้ากางเกงหรือชุดชั้นใน. ด้วยวิธีนี้เมื่อคนสามารถเดินหรือโค้งงอแขน การผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
เมื่อมีการออกแบบอุปกรณ์ piezoelectric คนอาจไม่ต้องการที่จะใช้มากที่สุดเคาน์เตอร์สังหรณ์ใจที่ดีในการสร้างวัสดุ. ตัวอย่างเช่นคุณอาจเพียงต้องการวัสดุเพียง 2% หรือมีประสิทธิภาพน้อยลงมากกว่าจะสามารถที่จะเลือก 5% วัสดุที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าถ้าจะแปลงมากขึ้นมันอาจจะทำให้ร่างกายมากขึ้นเพื่อเพิ่มภาระคุณไม่ต้องการให้คุณที่จะให้มันเมื่อยล้า 'กิลเดดกล่าวว่า
ชนิดที่แตกต่างของการเก็บเกี่ยวพลังงานคือการใช้วัสดุเทอร์โมในการแปลงความร้อนในร่างกายเป็นไฟฟ้า 'หัวใจของคุณมากกว่า 40 ล้านครั้งต่อปีกล่าวว่าฌาเดดทั้งหมดเหล่านี้เป็นพลังงานในรูปของความร้อนในร่างกายออกมา - นี้ เป็นแหล่งที่มีศักยภาพที่อุดมไปด้วยพลังงานที่สามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่น ๆ
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมแน่นอนเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญบางอย่าง. พวกเขาขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ แต่ร่างกายของผู้คนมักจะรักษาอุณหภูมิค่อนข้างคงที่เพื่อให้แตกต่างของอุณหภูมิที่สร้างไม่เพียงพอที่จะผลิตจำนวนมากของการผลิตไฟฟ้า. แต่ถ้าคุณรักษาอุณหภูมิคงที่ในร่างกายเมื่อ อุปกรณ์สัมผัสต่อไปที่ที่มีอากาศค่อนข้างเย็นซึ่งไม่เป็นปัญหา
นักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจอุปกรณ์เทอร์โมสำหรับอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้เช่น. ในหลักการความร้อนจากร่างกายมนุษย์สามารถผลิตไฟฟ้าเพียงพอที่จะใช้พลังงานนาฬิกาเพื่อให้พลังงานสำหรับอุปกรณ์ไร้สายตรวจสอบสุขภาพ, ประสาทหูเทียมและกระตุ้นสมองส่วนลึกไป การรักษาโรคพาร์กินสันและโรคอื่น ๆ
นักวิทยาศาสตร์ยังพยายามที่จะใช้ผลกระทบของไฟฟ้าสถิตในชีวิตประจำวันเพื่อเป็นกำลังให้กับอุปกรณ์เมื่อสองวัสดุที่แตกต่างกันซ้ำ ๆ ชนกันหรือถูกับอีกคนหนึ่งพื้นผิวของวัสดุหนึ่ง ๆ จะขโมยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของวัสดุอื่น ๆ ซึ่งสะสมค่าใช้จ่ายปรากฏการณ์นี้เรียกว่า สำหรับ triboelectricity ประโยชน์หลักของ triboelectricity คือเกือบทุกวัสดุไม่ว่าจะเป็นธรรมชาติหรือสังเคราะห์สามารถสร้างมันทำให้นักวิจัยมีความเป็นไปได้ในการออกแบบอุปกรณ์
ผู้ร่วมเขียนรายงานวังจงลินผู้เชี่ยวชาญด้านนาโนเทคโนโลยีของสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจียกล่าวว่า "ยิ่งฉันศึกษาเกี่ยวกับเรื่องเกี่ยวกับ triboelectricity มากเท่าไรก็ยิ่งมีความตื่นเต้นเรื่อย ๆ สำหรับ 20 ปีข้างหน้าฉันได้รับการดำเนินการเกี่ยวกับเรื่องนี้
พื้นผิวที่แตกต่างกัน triboelectric ของอุปกรณ์จำนวนไฟฟ้าที่พวกเขาผลิตยังแตกต่างกันดังนั้นนักวิทยาศาสตร์การทดสอบรูปแบบที่แตกต่างกันและโครงสร้าง. นักวิจัยได้มีการผลิตคล้ายลูกบาศก์ตารางกล้องจุลทรรศน์ของบล็อกเมืองคล้ายกับ nanowires ไม้ไผ่ สนามแห่งกิซ่าและอาเรย์เช่น. จงหลินหวังวัสดุเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียง 'ดูสวยงาม' และมีประสิทธิภาพมากที่มีพื้นผิวที่ครอบคลุมพีระมิดเมื่อเทียบกับแผ่นแบน, สามารถเพิ่มจำนวนเงิน 5 เท่าของการผลิตกระแสไฟฟ้า
เครื่องวัดความดันโลหิตและอุปกรณ์ฝังตัวอื่น ๆ ที่ขับเคลื่อนโดยแรงเสียดทานของระบบทางเดินหายใจและการเต้นของหัวใจได้รับการทดสอบบนหนูกระต่ายและสุกร "เรายังได้ตั้งข้อสังเกตว่าสามารถใช้ไตรกลีเซอไรด์ในร่างกายเพื่อกระตุ้นการเจริญเติบโตของเซลล์และ ส่งเสริมการรักษาแผล 'วัง Zhonglin กล่าวว่า' นอกจากนี้เราได้เริ่มทดลองกับการกระตุ้น triboelectric ของเส้นประสาทเพื่อดูว่าเราสามารถมีส่วนร่วมในระบบประสาท. '
Wang Zhonglin และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ออกแบบอุปกรณ์สวมใส่แบบ triboelectrically ด้วยเช่นพวกเขาสร้างผ้า triboelectric ที่สามารถใช้เพื่อชาร์จเข็มขัดนิรภัยที่มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ซึ่งจะเป็นตัวกระตุ้นอุปกรณ์ heartbeat ที่สามารถสวมใส่ได้ เครื่องมือนี้ใช้เทคโนโลยีบลูทู ธ เพื่อส่งข้อมูลไปยังสมาร์ทโฟนแบบไร้สาย "พลังงานทางกลของการเคลื่อนไหวในชีวิตประจำวันของมนุษย์สามารถเปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้าผ่านผ้าของเราได้" นายวัง Zhonglin กล่าว
กลยุทธ์หนึ่งขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพและร่างกายอุปกรณ์โดยโมเลกุลของน้ำมันเชื้อเพลิงเอนไซม์ (เช่นน้ำตาลในเลือด) ระหว่างปฏิกิริยาทางเคมีในการผลิตไฟฟ้าหรือโมเลกุลของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ปล่อยออกมาจากร่างกาย (เช่นเหงื่อ หลั่งน้ำนม) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเช่นเอนไซม์มาจากเชื้อรา Phanerochaetesordida cellobiose dehydrogenase สามารถยึดติดกับการสลายตัวของน้ำตาลและเพียงนาโนเมตร (พันล้านของหนึ่งเมตร) ที่กว้างในหลอดในปัจจุบันถูกสร้างคาร์บอน
ตัวอย่างเช่นนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มได้ค้นพบว่าน้ำตาลกลูโคสออกซิเดสสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ปลูกในหนูทดลอง แต่เอนไซม์นี้ยังผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ซึ่งเป็นสารที่พบได้ทั่วไป Bleach ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงและในระยะยาวก็เป็นอันตรายต่อร่างกาย
การสแกนอิเล็กตรอน micrographs ของท่อนาโนคาร์บอนสำหรับใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพทดลองที่สร้างพลังงานไฟฟ้าจากร่างกายมนุษย์หลอดถูกปกคลุมด้วยเอนไซม์ที่ใช้ในการบำบัดเชื้อเพลิงธรรมชาติเช่นนมในเหงื่อหรือกลูโคสในเลือดพวกเขาใช้พลังงานไฟฟ้า และให้พื้นที่ผิวกว้างสำหรับการสะสมของเอนไซม์ทำให้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นจากปริมาณที่กำหนด
นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ผลิตขึ้นจาก nanotubes คาร์บอนที่เคลือบด้วยเอนไซม์ซึ่งมีเพียงประมาณครึ่งช้อนชาหลังจากฝังไว้ในหนูแล้วพวกเขาสามารถสร้างพลังงานได้เพียงพอจากน้ำตาลในเลือดเพื่อทำ LEDs หรือเครื่องวัดอุณหภูมิเครื่องวัดอุณหภูมิแบบดิจิตอลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่สวมใส่ในเสื้อผ้าเช่นแถบคาดศีรษะและสายรัดข้อมือสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เพียงพอโดยผ่านปฏิกิริยาทางเคมีกับเหงื่อกรดแลคติกเพื่อช่วยให้นาฬิกาดูแข็งแรง
ตามที่ Daddwillen อุปกรณ์เหล่านี้ยังไม่ได้อยู่ในตลาดอย่างไรก็ตามเธอคาดว่าพวกเขาจะสามารถใช้ได้ในตลาดน้อยกว่า 10 ปีในอนาคตอุปกรณ์การเก็บเกี่ยวพลังงานอาจกลายเป็นพอดีสำหรับร่างกาย Dadvelen และเพื่อนร่วมงานของเธอ พวกเขากำลังศึกษาเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่สามารถละลายได้
"ลองนึกภาพ" เธอกล่าว "ใส่อุปกรณ์ในร่างกายของคุณหลังจากที่ทำงานมาชั่วระยะเวลาหนึ่งแล้วมันจะพังลงสู่ระดับโมเลกุลในของเหลวในร่างกายคุณไม่จำเป็นต้องตัดทรวงอกเพื่อให้ออก: เราสามารถใช้ วัสดุย่อยสลายได้เช่นไหมและสังกะสีออกไซด์ซึ่งสามารถย่อยสลายได้ตลอดเวลา