現在、科学者は、圧電効果、熱エネルギー変換、静電効果、化学反応などの様々な方法によって人体の機械的、熱的、化学的エネルギーを電気エネルギーに変換し、ウェアラブルまたは植込み型装置に電力を供給する方法を研究しています。私はBody Electricを歌います。詩人Walter Whitmanは、「美しく、独特の、呼吸している、笑っている筋肉」の「行動と力」を愛想よく記述しました。
150年以上後、MITの材料科学者でありエンジニアのCanan Dagdevirenとその同僚は、Whitmanの詩に新しい意味を与えるために研究を利用しており、人々に頼る方法を研究しています。心臓を鼓動させて電気を発生させる装置。
今日の電子製品の能力は非常に強力で、スマートフォンのコンピューティングパワーは、1969年に最初の宇宙飛行士が月に送られたときのNASAの有人機器の処理能力をはるかに上回ります。技術の急速な発展は、人々がますます着用可能なデバイスまたは移植可能なデバイスを期待している。
ほとんどの主要な欠点は、ウェアラブルデバイスと人生はまだバッテリーの問題であることを植え込まれた装置とすることができるペースメーカーの電源がなくなると、その限られたバッテリ容量は、デバイスの長期使用が制限されます、あなたはそれを行うために必要な患者のためであります人間の体は、化学エネルギー、熱エネルギーと機械的エネルギーが豊富な含まれているため、電池を交換する手術。この問題を解決するには、その基本的に人間の体であってもよい。このデバイスは、人間の体からエネルギーを得るためにどのように科学者が研究を重ねたことができます。
エネルギーの60ワットまでのとき、人間の腕の動きだけペースメーカーを必要とし、約4.8ワットの穏やかな状態での体温、例えば、呼吸はエネルギーの0.83ワットを生成するとき、人が作ることができますスポーツ。エネルギーの百万ワットあたりの部品は、エネルギーのワットは、スマートフォンが5時間を作業することができますしながら、助剤は、5日間実行するためにワットの唯一の1000分の1を必要と聞いて、7年間の作業を続けることができます。
今ケニー・ジャックと彼の同僚は、エネルギー機器の供給源として、人間の体の使い方を勉強している。研究者は、人間や動物などのウェアラブルデバイスまたは移植可能な装置でテストを開始しました。
1つの戦略は、電気エネルギーへの機械的応力及び他の応力エネルギーを振動からエネルギーを回収することを含む。この方法は、典型的には、マイクとスピーカーいわゆる圧電体を生成することができます。
一般的な圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛であるが、人体中の鉛の毒性の大きすぎるため、その高い鉛含有量を、恐れていた。ダグジャックは「言ったが、あなたは、構造体の分解からリードしたい場合は、それは摂氏700度以上に加熱する必要があります」とDagveronは言った、「あなたは人体でこの温度に達することはできません。
圧電効果を利用するために、ダグ・ジャックと彼女の同僚は、これらのデバイスは、それらの機械的性質のため、「目に見えない機械」であり、それらがあるなどの心臓、肺や横隔膜などの臓器や筋肉フラット手段が取り付けられていてもよい開発しましたそれは、環境に似ているので、運動中にこれらの組織の正常な動作を妨げることはありません。
これまでのところ、これらのデバイスは乳牛、羊、豚で検査されています。これらの動物の心臓のサイズは人間の心臓のサイズとほぼ同じです。バッテリーを充電するために完全にエネルギーを集めるために使うことができる電流は、6〜7年ごとにバッテリーを使い果たす代わりに、ペースメーカーのような生物医学装置を動かすために使うことができます。外科手術後の交換。
科学者はまた、膝や肘に装着できる靴、パンツ、下着に着用できるウェアラブルなピエゾエネルギーハーベスタを開発しています。この方法では、歩くか曲がることができます電子製品は電気を生成する。
圧電素子を設計する場合、発電に最適な材料は必要ありませんが、機械エネルギーの5％変換を選択するのではなく、科学者が使用する材料の変換効率が2％以下になる可能性があります。電気エネルギーのための材料もしそれがより多く変換されれば、それは身体に多くの負荷をかけることによって達成されるかもしれないが、結果としてユーザーは確かに疲れたくないと思っている」とDagwrenは語った。
もう1つのエネルギーハーベスティング方法は熱電変換材料を使って体の熱を電気エネルギーに変換するものです。「あなたの心は年に4,000万回以上鼓動します」とDagveronは言います。そして、これは正確にキャプチャできる潜在的なリソースです。
このようなエネルギー変換は温度差に依存することが多いが、人体の温度はかなり一定であることが多いため、体内の温度差は大量の電気を発生させるには不十分であるが、この装置は、体温を回収しながら比較的冷たい外部環境に曝された場合に問題を解決することができる。
原則として、身体から発生した熱は、ワイヤレスヘルスモニタ、人工補聴器、およびパーキンソン病の大脳皮質刺激装置に電力を供給するのに十分な電力を発生させることができる。 。
さらに、科学者たちは共通の静電効果によってデバイスに電力を供給しようとします。異なる2つの材料が繰り返し衝突または摩擦すると、ある材料の表面は別の材料の表面から電子を捕獲して電荷を蓄積します。摩擦電化と呼ばれる摩擦電化の主な利点は、天然材料や合成材料を含むほとんどすべての材料が静電気を発生させることができることで、研究者はさまざまな機器を設計する可能性があります。
共著者関連の「私は、摩擦の研究に立ち上がって、よりエキサイティングな、それはおそらくより多くのアプリケーションだ」、ジョージア工科大学ナノテクノロジーの専門家王Zhonglin（ゾン・リン・ワング、音訳）は、「言いました私は自分自身が今後20年間で研究に取り組ん見ることができます。 "
研究者たちは、竹林のナノワイヤに似た、ミクロンの都市ブロックに類似したキュービックグリッドを生産し、ギザに似ています。ピラミッドピラミッドアレイ。王の種類は、これらの材料は「美しく見える」、及びピラミッドアレイで表面を被覆して五倍発電量が増加するに比べて平坦であってもよいだけでなく。
研究者らは、マウス、ウサギ、ブタについて実験を行い、ペースメーカー、心臓モニター、および呼吸や鼓動を通じて力を提供する移植可能なデバイスをテストしました。 Wang氏は、電気が細胞の増殖を促進し、創傷の治癒を促進することを明らかにした。また、神経刺激に対する摩擦帯電実験を開始し、神経科学に貢献できるかどうかを確認した。
Wang氏と彼の同僚はまた、摩擦着用可能なウェアラブルデバイスを設計しました。例えば、摩擦電気布を作成し、リチウムイオン電池を備えた柔軟なリストバンドを充電することができます。ウォッチは、データをスマートフォンにワイヤレスで送信する電源を提供しています。「毎日、人間の動きによって生成される機械的エネルギーは、布を通して電気に変換されます。
もう1つの戦略は、体内のエネルギー蓄積分子（例えば、血液中のグルコース）または汗中に分泌される乳酸との間の化学反応によって電気を発生させるバイオ燃料電池と呼ばれる装置に頼っており、真菌から抽出されたセルロース - グリコーゲンデヒドロゲナーゼは、グルコースを分解し、ナノメートル（10億分の1メートル）の炭素チューブで電流を生成することができる。
例えば、多くの科学者が実験マウスに移植したバイオ燃料細胞でグルコースオキシダーゼが電気を生成できることを研究で発見したが、この酵素は過酸化水素（一般的なもの漂白成分）は、装置の性能を低下させ、身体に害を及ぼすことがある。
別の研究では、走査型電子顕微鏡写真は、実験的なバイオ燃料電池に使用されているカーボンナノチューブが身体から電気を発生させることができることを示しています。血液中の塩やグルコースが反応します。このツールは電気的に活性であり、酵素とエネルギーの反応に大きな表面積を提供し、所与の体積においてより多くの電気を生成することを可能にする。
フランスの科学者たちは、酵素コーティングされたカーボンナノチューブをベースにしたバイオ燃料電池も開発していますが、その体積は約1杯のティースプーンで、マウスに移植すると血糖と反応してLEDやデジタル温度計に電力を供給することによって、実験では、織物のバイオ燃料電池がヘッドバンドとリストバンドに編組されており、腕時計のエネルギーを供給するために乳酸と酵素の化学反応によって十分な電気を生成できることが示されています。
Dagvelenによると、これらのデバイスは現在利用可能ではありませんが、この技術は10年以内に市場に投入されると予測していますが、今後はエネルギー回収デバイスが人体に適している可能性があります。同僚たちも生分解性のパワーガジェットに取り組んでいます。
彼女が言ったことは、「あなたの体にデバイスを入れて、一定期間働いた後、体液中に分解して分解します。胸を開けることなく取り外すことができます：生分解性経時的に破壊される可能性のあるシルクや酸化亜鉛などの材料。
