Gli scienziati sono attualmente allo studio con vari metodi effetto piezoelettrico, conversione di energia termica, effetti elettrostatici e reazioni chimiche nel corpo umano o simile energia meccanica, energia termica, energia chimica in energia elettrica, eseguendo in tal modo l'alimentazione al dispositivo indossabile o impiantabile. Nel "I In I Sing the Body Electric, il poeta Walter Whitman descriveva affettuosamente "l'azione e il potere" dei "muscoli belli, peculiari, che respiravano e ridevano".
Dopo 150 anni, il MIT materiali scienziato e ingegnere Jacques Canaan-Dag (Canan Dagdeviren) ei suoi colleghi viene dato un nuovo significato alla studio poetica di Whitman. Possono contare su persone che lavorano su un Un dispositivo che genera elettricità battendo il cuore.
Le capacità dei prodotti elettronici di oggi sono così potenti che la potenza di calcolo degli smartphone supera di gran lunga le capacità di elaborazione dell'apparecchiatura equipaggiata dalla NASA quando i primi astronauti furono mandati sulla luna nel 1969. Il rapido sviluppo della tecnologia fa sì che le persone si aspettino sempre più dispositivi indossabili o dispositivi impiantabili.
Lo svantaggio principale della maggior parte dei dispositivi indossabili e dei dispositivi impiantabili è ancora la durata della batteria.La capacità limitata della batteria limita l'uso a lungo termine del dispositivo.Quando la potenza del pacemaker è esaurita, ciò che è necessario fare è per il paziente. Sostituzione delle batterie con un intervento chirurgico La soluzione fondamentale a questo problema può risiedere nel corpo umano perché il corpo contiene una grande quantità di energia chimica, termica e meccanica che ha portato gli scienziati a studiare ripetutamente come il dispositivo ottiene energia dal corpo umano.
Ad esempio, il movimento di una persona durante la respirazione può produrre 0,83 watt di energia, il calore del corpo in condizioni di calma è di circa 4,8 watt, il braccio di una persona può esercitare fino a 60 watt di energia e un pacemaker necessita solo Cinque milionesimi di watt di energia possono durare per sette anni: gli apparecchi acustici possono funzionare per cinque giorni con un millesimo di watt, e un watt di energia consente a uno smartphone di funzionare per cinque ore.
Ora Dagvelen e colleghi stanno studiando come utilizzare il corpo stesso come fonte di energia per il dispositivo.I ricercatori hanno iniziato a testare questo dispositivo indossabile o dispositivo impiantabile su animali e esseri umani.
Una delle strategie di energy harvesting consiste nel convertire l'energia da vibrazioni, pressioni e altri stress meccanici in energia elettrica.Questo metodo produce la cosiddetta piezoelettricità, comunemente usata negli altoparlanti e nei microfoni.
Un materiale piezoelettrico di uso comune è il titanato di zirconato di piombo, ma il suo alto contenuto di piombo causa preoccupazione perché è troppo tossico per il corpo umano.Dagwren ha detto: "Ma se il piombo deve essere decomposto dalla struttura , ha bisogno di essere riscaldato a più di 700 gradi Celsius. "Dagwylung disse:" Non puoi mai raggiungere questa temperatura nel corpo umano ".
Per trarre vantaggio dall'effetto piezoelettrico, Daegvelen e i suoi colleghi hanno sviluppato dispositivi piatti che possono essere collegati ad organi e muscoli come cuore, polmoni e diaframmi: questi dispositivi sono "meccanici invisibili" a causa delle loro proprietà meccaniche e dei loro L'ambiente è simile, quindi non interferirà con il normale lavoro di queste organizzazioni durante l'esercizio.
Finora, questi dispositivi sono stati testati su vacche da latte, pecore e maiali perché la dimensione cardiaca di questi animali è all'incirca uguale alla dimensione del cuore umano. "Quando questi dispositivi sono distorti meccanicamente, producono cariche positive e negative, tensioni E corrente, che può essere utilizzata per raccogliere l'energia necessaria per caricare la batteria ", spiega Dagveren," È possibile utilizzarli per eseguire dispositivi biomedici come pacemaker invece di esaurire la batteria ogni sei o sette anni. Dopo la sostituzione chirurgica. "
Gli scienziati stanno anche sviluppando mietitori di energia piezoelettrici indossabili che possono essere indossati sulle ginocchia o sui gomiti o inseriti in scarpe, pantaloni o biancheria intima, in questo modo una persona può camminare o piegarsi I prodotti elettronici generano elettricità.
Quando si progetta un elemento piezoelettrico, non richiede il materiale migliore per la produzione di energia, il che può sembrare contro-intuitivo: ad esempio, i materiali utilizzati dagli scienziati possono avere un'efficienza di conversione del 2% o inferiore, invece di scegliere il 5% di conversione di energia meccanica. Materiale per l'energia elettrica: se viene convertito di più, "può essere ottenuto mettendo più carico sul corpo, ma l'utente certamente non vuole sentirsi stanco come risultato", ha detto Dagwren.
Un altro metodo di raccolta di energia utilizza materiali di conversione termoelettrici per convertire il calore corporeo in energia elettrica: "Il tuo cuore batte più di 40 milioni di volte l'anno", dice Dagveron.Tutta questa energia viene convertita in calore corporeo e dissipata. E questa è proprio una potenziale risorsa che può essere catturata.
La generazione di energia termica umana deve affrontare alcuni problemi importanti: questo tipo di conversione energetica spesso dipende dalle differenze di temperatura, ma la temperatura corporea spesso rimane abbastanza costante, quindi la differenza di temperatura all'interno del corpo umano non è sufficiente per generare grandi quantità di elettricità. Il dispositivo può risolvere il problema se è esposto a un ambiente esterno relativamente freddo mentre raccoglie la temperatura corporea.
Gli scienziati stanno esplorando dispositivi di generazione di energia termica per dispositivi indossabili, come l'alimentazione di orologi.In principio, il calore generato dal corpo può generare energia sufficiente a fornire energia per monitor di salute wireless, apparecchi acustici artificiali e stimolatori della corteccia cerebrale per il morbo di Parkinson. .
Inoltre, gli scienziati cercano anche di alimentare il dispositivo attraverso l'effetto elettrostatico comune: quando due materiali diversi si scontrano ripetutamente o si sfregano l'uno contro l'altro, la superficie di un materiale può catturare elettroni dalla superficie di un altro materiale, accumulando carica elettrica. Si chiama elettrificazione a frizione, un vantaggio chiave dell'elettrificazione per attrito è che quasi tutti i materiali, inclusi materiali naturali e materiali sintetici, possono generare elettricità statica, il che offre ai ricercatori molte possibilità di progettare vari gadget.
'Mi alzai per lo studio triboelettrico, il più emozionante, è probabile che sempre più applicazioni,' relativi co-autore, esperto di tecnologia della Georgia Nanotechnology Wang Zhonglin (Zhong Lin Wang, traslitterazione) ha detto ' Posso vedermi lavorare a questa ricerca per i prossimi 20 anni. "
Materiali diversi prodotte dall'attrito dalla rete elettrica sono molto diversi, così gli scienziati stanno cercando una varietà di materiali. I ricercatori hanno prodotto un simile blocco micro-città di cubi griglia, simile alla foresta di bambù di nanofili, nonché simile Giza specie di piramide piramide matrice. Wang, questi materiali non solo 'sembrare bello', e copre la superficie con una matrice di piramide può essere piatta rispetto alla generazione di potenza importo aumenta di cinque volte.
I ricercatori hanno condotto in ratti, conigli e maiali relativi esperimenti, hanno testato i pacemaker, monitor cardiaci e altri dispositivi impiantabili accelerare la fornitura di energia elettrica dalla respirazione e il battito cardiaco se 'possiamo anche usare l'attrito dallo studio energia elettrica per stimolare la crescita e accelerare la guarigione delle ferite cellule, 'ha detto Wang,' inoltre, abbiamo iniziato dagli esperimenti di attrito sulla stimolazione nervosa elettrica, per vedere se siamo in grado di dare alcun contributo alle neuroscienze '.
Wang e i suoi colleghi hanno anche progettato dispositivi indossabili indossabili per attrito: ad esempio, hanno creato tessuti elettrici a frizione che possono essere utilizzati per caricare braccialetti flessibili dotati di batterie agli ioni di litio, che possono essere indossati con la tecnologia Bluetooth. L'orologio fornisce energia, che trasmette i dati in modalità wireless allo smartphone. "Ogni giorno l'energia meccanica generata dal movimento umano può essere convertita in elettricità attraverso il nostro tessuto", ha affermato Wang.
Un'altra strategia si basa su un dispositivo chiamato cellula dei biocarburanti che genera elettricità attraverso una reazione chimica tra un enzima e molecole di accumulo di energia nel corpo (come il glucosio nel sangue) o acido lattico secreto nel sudore. La glicogeno-deidrogenasi di cellulosa estratta dai funghi può decomporre il glucosio e produrre corrente in tubi di carbonio nanometrici (miliardesimi di metro).
La scelta degli enzimi può essere complicata, ad esempio, sebbene molti scienziati abbiano scoperto nella ricerca che la glucosio ossidasi può produrre elettricità nelle cellule di biocarburante impiantate in topi sperimentali, questo enzima produce anche perossido di idrogeno (un comune Gli ingredienti sbiancanti), che possono deteriorare le prestazioni dell'apparecchiatura e causare danni al corpo.
In un altro studio, i micrografi elettronici a scansione mostrano che i nanotubi di carbonio utilizzati nelle cellule sperimentali dei biocarburanti possono generare elettricità dal corpo, rivestiti da enzimi in grado di elaborare molecole di energia naturale, come l'acido lattico nel sudore. Il sale o il glucosio nel sangue reagisce.Questo strumento è elettricamente attivo e fornisce un'ampia superficie per la reazione di enzimi ed energia, consentendo di produrre più elettricità in un dato volume.
Gli scienziati francesi hanno anche creato una cellula di biocarburante basata su nanotubi di carbonio rivestiti di enzima, il cui volume è solo circa mezzo cucchiaino.Quando impiantato nei topi, può generare energia sufficiente reagendo con glicemia per alimentare LED o termometri digitali. Gli esperimenti hanno anche dimostrato che le cellule di biocarburante tessuto intrecciate in fasce e braccialetti in grado di generare abbastanza elettricità attraverso la reazione chimica di acido lattico ed enzimi nel sudore del latte per fornire energia all'orologio.
Secondo Dagvelen, questi dispositivi non sono attualmente disponibili, ma lei prevede che questa tecnologia sarà commercializzata in meno di un decennio: in futuro, i dispositivi di energy harvesting potrebbero diventare più adatti al corpo umano. E i suoi colleghi stanno persino lavorando a gadget energetici biodegradabili.
"Immagina," disse, "metti un dispositivo nel tuo corpo, e dopo aver lavorato per un periodo di tempo si degraderà e si dissolverà nei fluidi corporei.Non devi aprire il petto per rimuoverlo: possiamo usare biodegradabile Materiali come la seta e l'ossido di zinco che possono rompersi nel tempo.
