目前科学家正在研究通过压电效应, 热能转换, 静电效应以及化学反应等多种方法将人体内的机械能, 热能, 化学能转换成电能, 从而为可穿戴或可植入设备进行供电. 在《我歌唱我带电的身体》 (I Sing the Body Electric) 中, 诗人沃尔特·惠特曼深情地讲述了 '美丽, 奇特, 在呼吸, 笑肌' 的 '行动和力量' .
150多年后, 麻省理工学院材料科学家兼工程师卡南·达格维伦 (Canan Dagdeviren) 和她的同事们正在用研究给惠特曼的诗赋予新的意义. 她们正在研究一种可以依托人们心脏跳动而产生电力的装置.
现在的电子产品功能是如此强大, 以至于智能手机的计算能力远远超过了1969年将第一批宇航员送上月球时美国国家航空航天局相关载人设备的处理能力. 随着时间的推移, 技术的飞速发展使得人们对于可穿戴设备或者可植入设备的期望越来越高.
大多数可穿戴设备和植入式设备的主要缺陷仍然在于电池的续航问题, 其有限的电池容量会限制设备的长期使用. 当心脏起搏器的电能耗尽后, 你需要做的是为病人动手术而更换电池. 从根本上解决这个问题的方法可能在于人体内部, 因为人体蕴含的化学能, 热能以及机械能都很丰富. 这使得科学家们对于设备如何从人体获得能量进行了反复研究.
例如, 一个人在呼吸时做出的运动可以产生0.83瓦的能量;人体在平静状态下的热量约为4.8瓦;一个人手臂进行运动时能量的高达60瓦. 而一个心脏起搏器只需要百万分之五瓦的能量就可以持续工作七年, 助听器只需要千分之一瓦就可以运行五天, 而一瓦的能量可以让智能手机正常工作五个小时.
现在达格维伦和同事们正在研究如何使用人体本身作为设备能量的来源. 研究人员已经开始在动物和人身上测试这种可穿戴设备或可植入设备.
其中一种能量收集策略涉及将来自振动, 压力和其他机械应力的能量转换成电能. 这种方法能够产生所谓的压电, 通常用于扬声器和麦克风.
一种常用的压电材料是钛酸锆酸铅, 但其较高的铅含量引起人们担心, 因为铅对人体的毒性太大. 达格维伦表示, '但是如果要将铅从结构上分解, 需要加热到700摄氏度以上. ' 达格维伦说, '你永远无法在人体内达到这样的温度. '
为了利用压电效应, 达格维伦和她的同事开发出可以粘贴在诸如心脏, 肺和膈肌等器官和肌肉上的扁平装置. 这些设备是 '机械隐形' , 因为它们的力学特性与它们所处环境较为相似, 所以其在运动时不会妨碍到这些组织的正常工作.
到目前为止, 这些设备已经在奶牛, 绵羊和猪身上进行过测试, 因为这些动物的心脏大小与人的心脏大小大致相同. '当这些设备发生被机械扭曲时, 它们会产生正负电荷, 电压和电流, 这样一来完全可以收集这些能量给电池充电, ' 达格维伦解释说, '你可以使用它们来运行心脏起搏器等生物医学设备, 而不用每六年或七年电池耗尽后进行手术更换. '
科学家们还在开发可穿戴式压电能量收集器, 这些能量收集器可以戴在膝盖或肘关节上, 或放置在鞋子中, 裤子或内衣上. 这样, 一个人走路或弯腰时就可以为电子产品进行发电.
在设计压电元件时, 并不需要发电效果最好的材料, 这似乎有些反直觉. 例如科学家所采用的材料可能只有2% 或更低的转化效率, 而不是选择能够将机械能的5% 转化为电能的材料. 如果它转化得更多, '它可能会通过给身体施加更多的负荷来实现, 但用户肯定不希望因此而感到疲倦, ' 达格维伦说.
另一种能量收集方法是使用热电转换材料将体热转换为电能. '你的心脏每年跳动的次数超过4000万次, ' 达格维伦指出. 所有这些能量都会转换成身体热能而消散——而这恰恰是一种可捕获的潜在资源.
人体热能发电确实面临着一些主要问题. 这种能量转换方式往往依赖于温度差异, 但人体的体温常常会保持相当恒定的状态, 因此人体内部的温度差异还不足以产生大量电力. 但是, 如果这些装置能够在收集身体体温的同时暴露于相对凉爽的外部环境中的话, 就能够解决问题.
科学家正在探索用于可穿戴设备的热能发电装置, 例如为手表供电. 原则上人体产生的热量可以产生足够的电力, 为无线健康监测仪, 人工助听器和治疗帕金森症的大脑皮层刺激器提供电能.
此外, 科学家们也试图通过常见的静电效应来为设备供电. 当两种不同材料彼此反复碰撞或摩擦时, 一种材料的表面可以从另一种材料的表面上夺取电子, 积聚电荷, 这被称为摩擦起电现象. 摩擦起电的一个关键优点是包括天然材料和合成材料在内的几乎所有材料能够产生静电, 这为研究人员设计各种各样的小工具提供了诸多可能性.
'我对摩擦起电研究得越多, 就越让人激动, 它的应用就可能越来越多, ' 相关论文合著者, 乔治亚理工学院纳米技术专家王钟林 (Zhong Lin Wang , 音译) 表示, '我可以看到我自己将在未来的20年里致力于这项研究. '
不同的材料通过摩擦起电产生的电量有很大差异, 因此科学家们正在尝试各种材料. 研究人员制作了类似于微观城市街区的立方体网格, 类似于竹林的纳米线, 以及类似于吉萨大金字塔的那种金字塔阵列. 王说, 这些材料不仅 '看起来很漂亮' , 而且用金字塔阵列覆盖表面可以将发电量相比于平板增加五倍.
研究人员已经在老鼠, 兔子和猪身上进行了相关实验, 他们测试了起搏器, 心脏监护仪和其他由呼吸和心跳加速提供电能的植入式装置. '我们也在研究是否可以使用摩擦起电来刺激细胞生长并加速伤口的愈合, ' Wang说, '另外, 我们已经开始了关于神经刺激的摩擦起电实验, 以了解我们是否可以为神经科学做出任何贡献. '
王和他的同事也设计了摩擦起电的可穿戴设备. 例如他们制造了摩擦电布, 可以为配置锂离子电池的柔性腕带充电. 这种小工具可以为采用蓝牙技术的可穿戴式心率表提供电能, 从而将其数据无线传输至智能手机. '每天人体运动产生的机械能量可以通过我们的布料转换成电力, ' 王说.
另一种策略依赖于被称为生物燃料电池的装置, 其通过酶和身体内的能量储存分子 (例如血液中的葡萄糖) 之间的化学反应产生电力, 或者是汗液中分泌的乳酸. 例如, 从真菌中提取的纤维乙糖脱氢酶可以分解葡萄糖, 并在纳米 (十亿分之一米) 碳管中产生电流.
酶的选择可能会很棘手. 例如, 虽然不少科学家在研究中都发现葡萄糖氧化酶可以在植入实验小鼠的生物燃料电池中产生电力, 但该酶也会产生过氧化氢 (一种常见的漂白剂成分) , 这可能会恶化设备的性能, 并且会对身体产生伤害.
在另一项研究中, 扫描电子显微图显示, 用于实验性生物燃料电池的碳纳米管能够从身体发电. 这些试管涂有能够处理天然能量分子的酶, 例如可以和汗液中的乳酸盐或血液中的葡萄糖进行反应. 这种工具具有电活性, 同时为酶与能量的反应提供了巨大的表面积, 从而允许在一定体积的情况下产生更多的电力.
法国科学家还创造了一种基于酶涂层碳纳米管的生物燃料电池, 其体积大约只有半茶匙, 当植入老鼠体内时, 它可以通过与血糖反应产生足够的电力, 为LED或数字温度计供电. 实验还表明, 编编织成头带和腕带的织物生物燃料电池可以通过乳汗液中乳酸与酶的化学反应产生足够的电力, 从而为手表提供电能.
据达格维伦所知, 这些设备目前还没有上市. 但她预测这种技术不到十年就会市场化. 而在未来, 能量采集设备可能会变得更适用于人体. 达格维伦和她的同事们甚至正在研究可降解的发电小工具.
'想象一下, ' 她说, '把一个装置插入你的体内, 而它工作一段时间后会降解成分子而溶解到体液中, 你不必打开胸部就可以将其取出: 我们可以使用可生物降解的材料, 比如说可随时间分解的丝和氧化锌. '
