في الوقت الحالي ، يبحث العلماء في كيفية تحويل الطاقة الميكانيكية والحرارية والكيميائية في جسم الإنسان إلى طاقة كهربائية من خلال طرق مختلفة مثل تأثيرات كهرضغطية ، تحويل الطاقة الحرارية ، تأثيرات كهروستاتيكية ، والتفاعلات الكيميائية ، وبالتالي توفير الطاقة للأجهزة القابلة للارتداء أو القابلة للزراعة. في أغنية I Sing the Body Electric ، وصف الشاعر والتر ويتمان "النشاط والقوة" لـ "العضلات الجميلة والغريبة والتنفسية والضحك".
بعد مرور أكثر من 150 عامًا ، استخدم العالم المادي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمهندس كانان داغديفيرين وزملاؤها البحث لإعطاء قصائد ويتمان معنىً جديدًا ، فهم يدرسون طريقة للاعتماد على الناس. جهاز يولد الكهرباء عن طريق ضرب القلب.
الآن وظائف المنتجات الالكترونية هي من القوة بحيث قوة الحوسبة الهواتف الذكية يتجاوز بكثير 1969 سيكون أول رواد فضاء الى القمر تجهيز الطاقة NASA المعدات ذات الصلة المأهولة. مع مرور الوقت التطور السريع للتكنولوجيا يجعلها أكثر وأكثر للجهاز يمكن ارتداؤها أو توقعات جهاز زرع.
لا يزال العيب الرئيسي لمعظم الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة القابلة للزرع هو عمر البطارية ، فالطاقة المحدودة للبطارية تحد من استخدام الجهاز على المدى الطويل ، وعندما يتم استنفاد طاقة جهاز تنظيم ضربات القلب ، ما عليك القيام به هو للمريض. استبدال البطاريات بالجراحة: قد يكمن الحل الأساسي لهذه المشكلة في الجسم البشري ، لأن الجسم يحتوي على ثروة من الطاقة الكيميائية والحرارية والميكانيكية ، مما دفع العلماء إلى دراسة مرارًا كيف يحصل الجهاز على الطاقة من الجسم البشري.
على سبيل المثال، والرياضة، ويمكن للشخص القيام بها عندما ينتج التنفس 0.83 واط من الطاقة؛ حرارة الجسم في حالة الهدوء من حوالي 4.8 واط، ما يصل إلى 60 واط من الطاقة عندما حركة ذراع الإنسان ويحتاج فقط لتنظيم ضربات القلب. أجزاء لكل مليون واط من الطاقة يمكن أن تستمر في العمل لمدة سبع سنوات، السمع لا يتطلب سوى واحد في الألف من واط لتشغيل لمدة خمسة أيام، في حين أن واط من الطاقة يسمح الهاتف الذكي للعمل خمس ساعات.
يدرس داغفيلن وزملاؤه الآن كيفية استخدام الجسم نفسه كمصدر للطاقة للجهاز ، وقد بدأ الباحثون في اختبار هذا الجهاز القابل للارتداء أو الجهاز القابل للزرع على الحيوانات والبشر.
تشتمل إحدى استراتيجيات حصاد الطاقة على تحويل الطاقة من الاهتزازات والضغوط والضغوط الميكانيكية الأخرى إلى طاقة كهربائية ، وتنتج هذه الطريقة ما يسمى بضغغطية كهربية تستخدم عادة في مكبرات الصوت والميكروفونات.
مادة كهرضغطية شائعة الاستخدام هي تيتانات الرصاص الزركونيت ، لكن محتواها الرصاصي العالي يسبب القلق لأنه شديد السمية لجسم الإنسان ، قال داغرين: "ولكن إذا كنت تريد تحلل الرصاص من الهيكل يجب أن يتم تسخينها إلى ما يزيد عن 700 درجة مئوية. "قال داجفيرون:" لا يمكنك الوصول إلى درجة الحرارة هذه في جسم الإنسان. "
من أجل الاستفادة من تأثير كهرضغطية، وضعت داغ جاك وزملاؤها الأجهزة والعضلات وسائل مسطحة لا يجوز ربط، مثل القلب والرئتين والحجاب الحاجز وغيرها وهذه الأجهزة هي "آلة غير مرئية"، بسبب خصائصها الميكانيكية وهم البيئة متشابهة ، لذلك لن تتداخل مع العمل الطبيعي لهذه المنظمات أثناء التمرين.
حتى الآن ، تم اختبار هذه الأجهزة على الأبقار والأغنام والخنازير ، لأن حجم قلب هذه الحيوانات هو تقريباً نفس حجم قلب الإنسان. "عندما تشوه هذه الأجهزة ميكانيكياً ، فإنها تنتج شحنات موجبة وسالبة ، الفولتية والتيار ، والذي يمكن استخدامه لجمع الطاقة لشحن البطارية "، يشرح داجفيرين ،" يمكنك استخدامها لتشغيل الأجهزة الطبية الحيوية مثل أجهزة ضبط نبضات القلب بدلاً من استنزاف البطارية كل ست أو سبع سنوات. بعد الاستبدال الجراحي.
كما يقوم العلماء بتطوير حصادات الطاقة الكهربائية القابلة للارتداء التي يمكن ارتداؤها على الركبتين أو المرفقين ، أو وضعها في الأحذية أو السراويل أو الملابس الداخلية ، وبهذه الطريقة ، يمكن للشخص المشي أو الانحناء المنتجات الالكترونية تولد الكهرباء.
عند تصميم عنصر كهرضغطية ، فإنه لا يتطلب أفضل المواد لتوليد الطاقة ، وهذا قد يبدو غير بديهي ، فعلى سبيل المثال ، قد يكون للمواد المستخدمة من قبل العلماء كفاءة تحويل تبلغ 2٪ أو أقل ، بدلاً من اختيار تحويل الطاقة الميكانيكية بنسبة 5٪. وقال داغرين إن المواد المستخدمة في الطاقة الكهربائية ، إذا تم تحويلها أكثر ، "يمكن تحقيقها عن طريق وضع المزيد من الحمل على الجسم ، لكن المستخدم بالتأكيد لا يريد أن يشعر بالتعب نتيجة لذلك".
تستخدم طريقة أخرى لحصاد الطاقة مواد تحويل حراري كهربي لتحويل حرارة الجسم إلى طاقة كهربائية. يقول داجفيرون: "إن قلبك ينبض أكثر من 40 مليون مرة في السنة. كل هذه الطاقة يتم تحويلها إلى حرارة الجسم وتبددها. وهذا هو بالضبط مصدر محتمل يمكن التقاطه.
يواجه توليد الطاقة الحرارية البشرية بعض المشاكل الرئيسية ، وهذا النوع من تحويل الطاقة يعتمد في كثير من الأحيان على الاختلافات في درجة الحرارة ، ولكن درجة حرارة جسم الإنسان تبقى ثابتة إلى حد ما ، لذا فإن اختلاف درجة الحرارة داخل جسم الإنسان لا يكفي لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء. يمكن للجهاز حل المشكلة في حالة تعرضه لبيئة خارجية باردة نسبياً أثناء جمع درجة حرارة الجسم.
العلماء على استكشاف وسائل لجهاز يمكن ارتداؤها الطاقة الحرارية، على سبيل المثال. ومن حيث المبدأ، يمكن للحرارة التي ينتجها الجسم تنتج ما يكفي من الكهرباء لتشغيل ساعة، لتوفير الطاقة لجهاز المراقبة الصحية لاسلكية، والسمع الاصطناعية والعلاج من أمراض القشرة المخية مشجعا باركنسون .
بالإضافة إلى ذلك ، يحاول العلماء أيضًا تشغيل الجهاز من خلال التأثير الكهروستاتيكي العادي ، فعندما تصطدم مادتان مختلفتان بشكل متكرر أو يفركان بعضهما البعض ، يمكن لسطح مادة واحدة أن يلتقط الإلكترونات من سطح مادة أخرى ، ويتراكم الشحنة الكهربائية. ويطلق على ذلك اسم الكهرباء الاحتكاكية ، وتتمثل الميزة الرئيسية للكهربة الاحتكاكية في أن جميع المواد تقريبا ، بما في ذلك المواد الطبيعية والمواد الاصطناعية ، يمكن أن تولد الكهرباء الساكنة ، التي تزود الباحثين بالكثير من الاحتمالات لتصميم مختلف الأدوات.
وقال المؤلف المشارك في الورقة المتخصصة في تكنولوجيا النانو تشونغ لين وانغ من معهد جورجيا للتكنولوجيا (تشونغ لين وانغ): "كلما بحثت أكثر عن الكهربة الاحتكاكية ، كلما كان الأمر أكثر إثارة ، وقد يكون تطبيقه أكثر فأكثر". أستطيع أن أرى نفسي أعمل في هذا البحث للسنوات العشرين القادمة ".
هناك فرق كبير في كمية الكهرباء المتولدة من الشحنة الاحتكاكية للمواد المختلفة ، ولذلك يحاول العلماء استخدام مواد مختلفة ، حيث قام الباحثون بإنتاج شبكات مكعبات مشابهة للكتل الحضرية المجهرية ، كما هو الحال في أنياب غابات البامبو ، وعلى غرار الجيزة. وهناك مجموعة من أهرام الهرم ، قال وانغ إن هذه المواد لا تبدو "جميلة" فحسب ، بل إنها تغطي السطح أيضًا بمصفوفة هرمية يمكنها زيادة توليد الطاقة بخمس مرات مقارنة بالألواح المسطحة.
أجرى الباحثون تجارب على الفئران والأرانب والخنازير ، وقاموا باختبار أجهزة تنظيم ضربات القلب ومراقبي القلب وغيرها من الأجهزة المزروعة التي توفر الطاقة من خلال التنفس ودقات القلب ، كما أننا نحقق أيضًا في إمكانية استخدام الاحتكاك. ويقول وانغ: "إن الكهرباء تحفز نمو الخلايا وتسرع عملية التئام الجروح. وبالإضافة إلى ذلك ، بدأنا تجربة إمداد بالكهرباء الاحتكاكية على تحفيز الأعصاب لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا تقديم أي مساهمة في علم الأعصاب".
كما قام وانغ وزملاؤه بتصميم أجهزة يمكن ارتداؤها قابلة للاحتكاك ، على سبيل المثال ، صنعوا أقمشة كهربائية احتكاكية يمكن استخدامها لشحن أساور مرنة مزودة ببطاريات ليثيوم أيون ، ويمكن لهذه الأداة أن تكون معدل ضربات القلب القابل للارتداء باستخدام تقنية البلوتوث. وتوفر الساعة الطاقة التي تنقل بياناتها إلى الهاتف الذكي لاسلكيًا. وقال وانغ: "يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية التي تولدها الحركة البشرية إلى كهرباء خلال قطعة القماش الخاصة بنا".
تعتمد استراتيجية أخرى على جهاز يسمى خلية الوقود الحيوي الذي يولد الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي بين إنزيم وجزيئات تخزين الطاقة في الجسم (مثل الجلوكوز في الدم) ، أو حمض اللاكتيك الذي يفرز في العرق. يمكن أن يتحلل ديهيدروجيناز السليولوز - الجليكوجين المستخرج من الفطريات من الجلوكوز وينتج تيارًا من أنابيب الكربون النانومترية (المليار من المتر).
يمكن أن يكون اختيار الإنزيمات أمرًا صعبًا ، فعلى سبيل المثال ، على الرغم من أن العديد من العلماء وجدوا في الأبحاث أن الجلوكوز أوكسيديز يمكن أن ينتج الكهرباء في خلايا الوقود الحيوي المزروعة في الفئران التجريبية ، فإن هذا الإنزيم ينتج أيضًا بيروكسيد الهيدروجين (وهو واحد شائع مكونات التبييض) ، والتي قد تتسبب في تدهور أداء الجهاز وتسبب ضررًا للجسم.
في دراسة أخرى ، تُظهِر مسح الميكروسكوب الإلكتروني أن الأنابيب النانوية الكربونية المستخدمة في خلايا الوقود الحيوي التجريبية يمكن أن تولد الكهرباء من الجسم ، وهذه الأنابيب مغلفة بإنزيمات قادرة على التعامل مع جزيئات الطاقة الطبيعية ، مثل حمض اللاكتيك في العرق. يتفاعل الملح أو الجلوكوز في الدم ، وهذه الأداة نشطة كهربائياً وتوفر مساحة سطح كبيرة لتفاعل الإنزيمات والطاقة ، مما يسمح بزيادة إنتاج الكهرباء في حجم معين.
خلقت العلماء الفرنسيين وقود إنزيمات خلايا طلاء أنابيب الكربون الحيوي القائم، فقط حوالي نصف ملعقة صغيرة من حيث الحجم، عندما زرعت في الفئران، فإنه يمكن توليد ما يكفي من الكهرباء من خلال التفاعل مع الجلوكوز، أو LED ميزان الحرارة الرقمي هو بالطاقة وأظهرت التجارب أيضا أن الحياكة محبوك عقال النسيج وخلية الوقود الحيوي معصمه يمكن أن تنتج ما يكفي من القوة من خلال تفاعل كيميائي من حمض اللاكتيك في الحليب العرق مع انزيم لتوفير الطاقة إلى المراقبة.
حسب المعرفة داغ Velen، وهذه الأجهزة غير متوفرة حاليا، لكنها توقعت أن التكنولوجيا ستكون أقل من عقد من الزمان في السوق. وفي المستقبل، قد يصبح جهاز حصاد الطاقة أكثر ملاءمة للداغ Velen الإنسان وزملائها يعملون حتى على أدوات الطاقة القابلة للتحلل.
قالت: "تخيل ، ضع جهازًا في جسمك ، وبعد العمل لفترة من الوقت ، ينحل ويذوب في سوائل الجسم. يمكنك إزالته دون فتح صدرك: يمكننا استخدام التحلل البيولوجي المواد ، مثل الحرير وأكسيد الزنك التي يمكن أن تنهار مع مرور الوقت.
