Gegenwärtig erforschen Wissenschaftler, wie sich mechanische, thermische und chemische Energie im menschlichen Körper durch verschiedene Methoden wie piezoelektrische Effekte, thermische Energieumwandlung, elektrostatische Effekte und chemische Reaktionen in elektrische Energie umwandeln lassen, wodurch tragbare oder implantierbare Geräte mit Strom versorgt werden. In I Sing the Body Electric beschrieb der Dichter Walter Whitman liebevoll die "Aktion und Macht" von "schönen, eigenartigen, atmenden, lachenden Muskeln".
Mehr als 150 Jahre später nutzen der MIT-Materialwissenschaftler und Ingenieur Canan Dagdeviren und ihre Kollegen die Forschung, um Whitmans Gedichten eine neue Bedeutung zu geben und sie lernen, sich auf Menschen zu verlassen. Ein Gerät, das Elektrizität erzeugt, indem es das Herz schlägt.
Die Fähigkeiten heutiger elektronischer Produkte sind so stark, dass die Rechenleistung von Smartphones die Verarbeitungsfähigkeiten der bemannten Ausrüstung der NASA weit übersteigt, als die ersten Astronauten 1969 zum Mond geschickt wurden. Die rasante Entwicklung der Technologie lässt Menschen immer mehr tragbare Geräte oder implantierbare Geräte erwarten.
Der Hauptnachteil der meisten tragbaren Geräte und implantierbaren Geräte ist immer noch die Batterielebensdauer.Die begrenzte Batteriekapazität begrenzt die Langzeitbenutzung des Geräts.Wenn die Leistung des Herzschrittmachers erschöpft ist, müssen Sie für denPatienten sorgen. Ersetzen der Batterien durch eine Operation Die grundlegende Lösung für dieses Problem kann im menschlichen Körper liegen, da der Körper eine Fülle an chemischer, thermischer und mechanischer Energie enthält, weshalb Wissenschaftler immer wieder untersuchen, wie das Gerät Energie aus dem menschlichen Körper bezieht.
Zum Beispiel Sport eine Person machen kann, wenn die Atmung 0,83 Watt Energie erzeugt, die Körperwärme in einem ruhigen Zustand von etwa 4,8 Watt, bis zu 60 Watt an Energie, wenn eine menschlicher Arm Bewegung und nur einen Schrittmacher benötigt. Teile pro Million Watt Energie kann weiterhin für sieben Jahre arbeiten, hilft nur ein Tausendstel Watt hören benötigt für fünf Tage zu laufen, während ein Watt Energie des Smartphone ermöglicht fünf Stunden zu arbeiten.
Jetzt untersuchen Dagvelen und Kollegen, wie sie den Körper selbst als Energiequelle für das Gerät nutzen können.Forscher haben begonnen, dieses tragbare Gerät oder implantierbare Gerät an Tieren und Menschen zu testen.
Eine der Energy-Harvesting-Strategien besteht darin, Energie von Vibrationen, Drücken und anderen mechanischen Belastungen in elektrische Energie umzuwandeln.Dieses Verfahren erzeugt die sogenannte Piezoelektrizität, die üblicherweise in Lautsprechernund Mikrofonen verwendet wird.
Ein häufig verwendetes piezoelektrisches Material ist Bleizirkonattitanat, aber sein hoher Bleigehalt verursacht Bedenken, da es für den menschlichen Körper zu toxisch ist. "Dagwren sagte:" Aber wenn Sie Blei von der Struktur abbauen wollen Es muss auf über 700 Grad Celsius erhitzt werden. "Dagveron sagte:" Sie können diese Temperatur im menschlichen Körper nie erreichen. "
Um den piezoelektrischen Effekt zu nutzen, haben Daegvelen und ihre Kollegen flache Geräte entwickelt, die an Organen und Muskeln wie Herz, Lunge und Zwerchfell angebracht werden können und aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer mechanischen Eigenschaften "mechanisch unsichtbar" sind Die Umgebung ist ähnlich, so dass die normale Arbeit dieser Organisationen während des Trainings nicht beeinträchtigt wird.
Bisher wurden diese Geräte an Milchkühen, Schafen und Schweinen getestet, da die Herzgröße dieser Tiere ungefähr der Größe des menschlichen Herzens entspricht. "Wenn diese Geräte mechanisch verzerrt sind, erzeugen sie positive und negative Ladungen, Spannungen Und Strom, mit dem man die Energie zum Laden der Batterie sammeln kann ", erklärt Dagveren." Man kann damit biomedizinische Geräte wie Herzschrittmacher betreiben, anstatt die Batterie alle sechs oder sieben Jahre zu erschöpfen. Nach dem chirurgischen Ersatz.
Darüber hinaus entwickeln die Wissenschaftler tragbare piezoelektrische Energie-Erntemaschinen, die an Knien oder Ellbogen getragen oder in Schuhe, Hosen oder Unterwäsche gesteckt werden können, damit eine Person laufen oder sich bücken kann Elektronische Produkte erzeugen Strom.
Bei der Konstruktion eines piezoelektrischen Elements ist nicht das beste Material für die Energieerzeugung erforderlich, was vielleicht nicht intuitiv ist: Beispielsweise können die von Wissenschaftlern verwendeten Materialien eine Umwandlungseffizienz von 2% oder weniger aufweisen, anstatt eine 5% ige Umwandlung von mechanischer Energie zu wählen. Material für elektrische Energie Wenn es mehr umgewandelt wird, kann es erreicht werden, indem man den Körper mehr belastet, aber der Benutzer möchte sich dadurch nicht müde fühlen, sagte Dagwren.
Eine andere Methode der Energiegewinnung nutzt thermoelektrische Umwandlungsmaterialien, um Körperwärme in elektrische Energie umzuwandeln. "Dein Herz schlägt mehr als 40 Millionen Mal pro Jahr", sagt Dagveron. All diese Energie wird in Körperwärme umgewandelt und abgeführt. Und genau dies ist eine potenzielle Ressource, die erfasst werden kann.
Die menschliche thermische Energieerzeugung steht vor einigen großen Problemen. Diese Art der Energieumwandlung hängt oft von Temperaturunterschieden ab. Jedoch bleibt die menschliche Körpertemperatur oft ziemlich konstant. Daher ist der Temperaturunterschied innerhalb des menschlichen Körpers nicht ausreichend, um große Mengen an Elektrizität zu erzeugen Das Gerät kann das Problem lösen, wenn es einer relativ kühlen äußeren Umgebung ausgesetzt wird, während es Körpertemperatur sammelt.
Wissenschaftler erforschen thermische Energieerzeugungsvorrichtungen für tragbare Geräte, wie das Betreiben von Uhren.Im Prinzip erzeugt der menschliche Körper genug Wärme, um drahtlose Gesundheitsüberwachungsgeräte, künstliche Hörgeräte und zerebrale Kortex-Stimulatoren für die Parkinson-Krankheit mit Strom zu versorgen. .
Außerdem versuchen Wissenschaftler, das Gerät durch den gemeinsamen elektrostatischen Effekt anzutreiben: Wenn zwei verschiedene Materialien wiederholt aneinander stoßen oder aneinander reiben, kann die Oberfläche eines Materials Elektronen von der Oberfläche eines anderen Materials einfangen und elektrische Ladung speichern. Dies wird Reibungselektrifizierung genannt.Ein entscheidender Vorteil der Reibungselektrifizierung ist, dass fast alle Materialien, einschließlich natürlicher Materialien und synthetischer Materialien, statische Elektrizität erzeugen können, was Forschern viele Möglichkeiten zum Gestalten verschiedener Geräte bietet.
‚Ich stand auf, um die triboelektrische Studie, desto spannender, ist es wahrscheinlich mehr und mehr Anwendungen,‘ im Zusammenhang Koautor, Georgia Tech Nanotechnologie-Experte Wang Zhonglin (Zhong Lin Wang, Umschrift) sagte ' Ich kann sehen, dass ich in den nächsten 20 Jahren an dieser Forschung arbeite. "
Verschiedene Materialien durch die Reibung von der elektrischen Leistung erzeugt werden, sind sehr unterschiedlich, so die Wissenschaftler eine Vielzahl von Materialien zu versuchen. Die Forscher stellten einen ähnlichen Mikro-City-Block von Würfel Gittern, ähnlich den Bambuswald von Nanodrähten, sowie Ähnliche Giza Art Pyramide Pyramide Array. Wang, diese Materialien nicht nur ‚schön aussehen‘, und mit einer Pyramide Array die Oberfläche bedeckenden können flach sein, im Vergleich zu dem Leistungserzeugungsbetrag verfünffacht.
Forscher haben Experimente an Mäusen, Kaninchen und Schweinen durchgeführt und Herzschrittmacher, Herzmonitore und andere implantierbare Geräte getestet, die durch Atmung und Herzschlag Energie liefern. "Wir untersuchen auch, ob Reibung genutzt werden kann. Elektrizität stimuliert das Zellwachstum und beschleunigt die Wundheilung. "Darüber hinaus haben wir ein Reibungselektrisierungsexperiment zur Nervenstimulation gestartet, um zu sehen, ob wir einen Beitrag zur Neurowissenschaft leisten können."
Wang und seine Kollegen entwarfen auch tragbare Geräte, die mit Reibung verbunden waren, zum Beispiel mit elektrischen Tüchern, mit denen man flexible Armbänder mit Lithium-Ionen-Batterien aufladen konnte, die dank Bluetooth-Technologie tragbar sind. Die Uhr liefert Strom, der seine Daten drahtlos an das Smartphone überträgt: "Jeden Tag kann die durch menschliche Bewegung erzeugte mechanische Energie durch unser Tuch in Strom umgewandelt werden", sagte Wang.
Eine weitere Strategie hängt vom Gerät bio-Brennstoffzelle genannt, eine chemische Reaktion zwischen der Energie innerhalb des Körpers durch ein Enzym und Moleküle (z.B. Blutzucker) speichert um Elektrizität zu erzeugen, oder Schweiß Milchsäure sezerniert wird. Zum Beispiel, Die aus Pilzen extrahierte Cellulose-Glykogen-Dehydrogenase kann Glucose zersetzen und Strom in Kohlenstoffröhrchen im Nanometerbereich (Milliardstel eines Meters) erzeugen.
Wahl des Enzyms kann tückisch sein. Zum Beispiel, obwohl viele Wissenschaftler in der Studie Glucoseoxidase gefunden haben Mäuse erzeugte elektrische Energie der Bio-Brennstoffzelle implantiert werden, sondern auch das Enzym Wasserstoffperoxid zu erzeugen (ein gemeinsames Die bleichenden Bestandteile), die die Leistung der Ausrüstung verschlechtern und Schaden zum Körper verursachen können.
In einer anderen Studie zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, dass Kohlenstoffnanoröhrchen, die in experimentellen Biotreibstoffzellen verwendet werden, Elektrizität aus dem Körper erzeugen können, die mit Enzymen beschichtet sind, die natürliche Energiemoleküle wie Milchsäure im Schweiß verarbeiten können. Salz oder Glukose im Blut reagiert: Dieses Werkzeug ist elektrisch aktiv und bietet eine große Oberfläche für die Reaktion von Enzymen und Energie, so dass mehr Elektrizität in einem bestimmten Volumen produziert werden kann.
Französische Wissenschaftler haben auch eine Biotreibstoffzelle auf der Basis enzymbeschichteter Kohlenstoff-Nanoröhrchen geschaffen, deren Volumen nur etwa einen halben Teelöffel beträgt und bei Mäusen in Mäusen durch die Reaktion mit Blutglukose zu Power-LEDs oder digitalen Thermometern erzeugt werden kann. Experimente haben auch gezeigt, dass Gewebe-Biotreibstoff-Zellen, die in Stirnbänder und Armbänder eingeflochten sind, durch die chemische Reaktion von Milchsäure und Enzymen in Milchschweiß genügend Strom erzeugen können, um die Uhr mit Strom zu versorgen.
Laut Dagvelen sind diese Geräte derzeit nicht verfügbar, aber sie prognostiziert, dass diese Technologie in weniger als einem Jahrzehnt vermarktet werden wird.In der Zukunft könnten Energy-Harvesting-Geräte für den menschlichen Körper geeigneter werden. Und ihre Kollegen arbeiten sogar an biologisch abbaubaren Power-Gadgets.
"Stellen Sie sich vor", sagte sie, "setzen Sie ein Gerät in Ihren Körper und nach einer gewissen Zeit wird es abgebaut und in Körperflüssigkeiten aufgelöst. Sie können es entfernen, ohne Ihre Brust zu öffnen: wir können biologisch abbaubar sein Materialien wie Seide und Zinkoxid, die im Laufe der Zeit abgebaut werden können.
