目前科學家正在研究通過壓電效應, 熱能轉換, 靜電效應以及化學反應等多種方法將人體內的機械能, 熱能, 化學能轉換成電能, 從而為可穿戴或可植入設備進行供電. 在《我歌唱我帶電的身體》 (I Sing the Body Electric) 中, 詩人沃爾特·惠特曼深情地講述了 '美麗, 奇特, 在呼吸, 笑肌' 的 '行動和力量' .
150多年後, 麻省理工學院材料科學家兼工程師卡南·達格維倫 (Canan Dagdeviren) 和她的同事們正在用研究給惠特曼的詩賦予新的意義. 她們正在研究一種可以依託人們心臟跳動而產生電力的裝置.
現在的電子產品功能是如此強大, 以至於智能手機的計算能力遠遠超過了1969年將第一批宇航員送上月球時美國國家航空航天局相關載人設備的處理能力. 隨著時間的推移, 技術的飛速發展使得人們對於可穿戴設備或者可植入設備的期望越來越高.
大多數可穿戴設備和植入式設備的主要缺陷仍然在於電池的續航問題, 其有限的電池容量會限制設備的長期使用. 當心臟起搏器的電能耗盡後, 你需要做的是為病人動手術而更換電池. 從根本上解決這個問題的方法可能在於人體內部, 因為人體蘊含的化學能, 熱能以及機械能都很豐富. 這使得科學家們對於設備如何從人體獲得能量進行了反覆研究.
例如, 一個人在呼吸時做出的運動可以產生0.83瓦的能量;人體在平靜狀態下的熱量約為4.8瓦;一個人手臂進行運動時能量的高達60瓦. 而一個心臟起搏器只需要百萬分之五瓦的能量就可以持續工作七年, 助聽器只需要千分之一瓦就可以運行五天, 而一瓦的能量可以讓智能手機正常工作五個小時.
現在達格維倫和同事們正在研究如何使用人體本身作為設備能量的來源. 研究人員已經開始在動物和人身上測試這種可穿戴設備或可植入設備.
其中一種能量收集策略涉及將來自振動, 壓力和其他機械應力的能量轉換成電能. 這種方法能夠產生所謂的壓電, 通常用於揚聲器和麥克風.
一種常用的壓電材料是鈦酸鋯酸鉛, 但其較高的鉛含量引起人們擔心, 因為鉛對人體的毒性太大. 達格維倫表示, '但是如果要將鉛從結構上分解, 需要加熱到700攝氏度以上. ' 達格維倫說, '你永遠無法在人體內達到這樣的溫度. '
為了利用壓電效應, 達格維倫和她的同事開發出可以粘貼在諸如心臟, 肺和膈肌等器官和肌肉上的扁平裝置. 這些設備是 '機械隱形' , 因為它們的力學特性與它們所處環境較為相似, 所以其在運動時不會妨礙到這些組織的正常工作.
到目前為止, 這些設備已經在奶牛, 綿羊和豬身上進行過測試, 因為這些動物的心臟大小與人的心臟大小大致相同. '當這些設備發生被機械扭曲時, 它們會產生正負電荷, 電壓和電流, 這樣一來完全可以收集這些能量給電池充電, ' 達格維倫解釋說, '你可以使用它們來運行心臟起搏器等生物醫學設備, 而不用每六年或七年電池耗盡後進行手術更換. '
科學家們還在開發可穿戴式壓電能量收集器, 這些能量收集器可以戴在膝蓋或肘關節上, 或放置在鞋子中, 褲子或內衣上. 這樣, 一個人走路或彎腰時就可以為電子產品進行發電.
在設計壓電元件時, 並不需要發電效果最好的材料, 這似乎有些反直覺. 例如科學家所採用的材料可能只有2% 或更低的轉化效率, 而不是選擇能夠將機械能的5% 轉化為電能的材料. 如果它轉化得更多, '它可能會通過給身體施加更多的負荷來實現, 但用戶肯定不希望因此而感到疲倦, ' 達格維倫說.
另一種能量收集方法是使用熱電轉換材料將體熱轉換為電能. '你的心臟每年跳動的次數超過4000萬次, ' 達格維倫指出. 所有這些能量都會轉換成身體熱能而消散——而這恰恰是一種可捕獲的潛在資源.
人體熱能發電確實面臨著一些主要問題. 這種能量轉換方式往往依賴於溫度差異, 但人體的體溫常常會保持相當恒定的狀態, 因此人體內部的溫度差異還不足以產生大量電力. 但是, 如果這些裝置能夠在收集身體體溫的同時暴露於相對涼爽的外部環境中的話, 就能夠解決問題.
科學家正在探索用於可穿戴設備的熱能發電裝置, 例如為手錶供電. 原則上人體產生的熱量可以產生足夠的電力, 為無線健康監測儀, 人工助聽器和治療帕金森症的大腦皮層刺激器提供電能.
此外, 科學家們也試圖通過常見的靜電效應來為設備供電. 當兩種不同材料彼此反覆碰撞或摩擦時, 一種材料的表面可以從另一種材料的表面上奪取電子, 積聚電荷, 這被稱為摩擦起電現象. 摩擦起電的一個關鍵優點是包括天然材料和合成材料在內的幾乎所有材料能夠產生靜電, 這為研究人員設計各種各樣的小工具提供了諸多可能性.
'我對摩擦起電研究得越多, 就越讓人激動, 它的應用就可能越來越多, ' 相關論文合著者, 喬治亞理工學院納米技術專家王鐘林 (Zhong Lin Wang , 音譯) 表示, '我可以看到我自己將在未來的20年裡致力於這項研究. '
不同的材料通過摩擦起電產生的電量有很大差異, 因此科學家們正在嘗試各種材料. 研究人員製作了類似於微觀城市街區的立方體網格, 類似於竹林的納米線, 以及類似于吉薩大金字塔的那種金字塔陣列. 王說, 這些材料不僅 '看起來很漂亮' , 而且用金字塔陣列覆蓋表面可以將發電量相比於平板增加五倍.
研究人員已經在老鼠, 兔子和豬身上進行了相關實驗, 他們測試了起搏器, 心臟監護儀和其他由呼吸和心跳加速提供電能的植入式裝置. '我們也在研究是否可以使用摩擦起電來刺激細胞生長並加速傷口的癒合, ' Wang說, '另外, 我們已經開始了關於神經刺激的摩擦起電實驗, 以了解我們是否可以為神經科學做出任何貢獻. '
王和他的同事也設計了摩擦起電的可穿戴設備. 例如他們製造了摩擦電布, 可以為配置鋰離子電池的柔性腕帶充電. 這種小工具可以為採用藍芽技術的可穿戴式心率表提供電能, 從而將其數據無線傳輸至智能手機. '每天人體運動產生的機械能量可以通過我們的布料轉換成電力, ' 王說.
另一種策略依賴於被稱為生物燃料電池的裝置, 其通過酶和身體內的能量儲存分子 (例如血液中的葡萄糖) 之間的化學反應產生電力, 或者是汗液中分泌的乳酸. 例如, 從真菌中提取的纖維乙糖脫氫酶可以分解葡萄糖, 並在納米 (十億分之一米) 碳管中產生電流.
酶的選擇可能會很棘手. 例如, 雖然不少科學家在研究中都發現葡萄糖氧化酶可以在植入實驗小鼠的生物燃料電池中產生電力, 但該酶也會產生過氧化氫 (一種常見的漂白劑成分) , 這可能會惡化設備的性能, 並且會對身體產生傷害.
在另一項研究中, 掃描電子顯微圖顯示, 用於實驗性生物燃料電池的碳納米管能夠從身體發電. 這些試管塗有能夠處理天然能量分子的酶, 例如可以和汗液中的乳酸鹽或血液中的葡萄糖進行反應. 這種工具具有電活性, 同時為酶與能量的反應提供了巨大的表面積, 從而允許在一定體積的情況下產生更多的電力.
法國科學家還創造了一種基於酶塗層碳納米管的生物燃料電池, 其體積大約只有半茶匙, 當植入老鼠體內時, 它可以通過與血糖反應產生足夠的電力, 為LED或數字溫度計供電. 實驗還表明, 編編織成頭帶和腕帶的織物生物燃料電池可以通過乳汗液中乳酸與酶的化學反應產生足夠的電力, 從而為手錶提供電能.
據達格維倫所知, 這些設備目前還沒有上市. 但她預測這種技術不到十年就會市場化. 而在未來, 能量採集設備可能會變得更適用於人體. 達格維倫和她的同事們甚至正在研究可降解的發電小工具.
'想象一下, ' 她說, '把一個裝置插入你的體內, 而它工作一段時間後會降解成分子而溶解到體液中, 你不必開啟胸部就可以將其取出: 我們可以使用可生物降解的材料, 比如說可隨時間分解的絲和氧化鋅. '
