Atualmente, os cientistas estão pesquisando como converter energia mecânica, térmica e química no corpo humano em energia elétrica através de vários métodos, como efeito piezoelétrico, conversão de energia térmica, efeito eletrostático e reação química, fornecendo energia para dispositivos vestíveis ou implantáveis. Em I Sing the Body Electric, o poeta Walter Whitman descreveu com carinho a "ação e poder" dos "músculos belos, peculiares, respirando e rindo".
Mais de 150 anos depois, o cientista e engenheiro de materiais do MIT, Canan Dagdeviren, e seus colegas estão usando pesquisas para dar um novo significado aos poemas de Whitman, que estão estudando uma maneira de confiar nas pessoas. Um dispositivo que gera eletricidade batendo no coração.
As capacidades dos produtos eletrônicos atuais são tão poderosas que o poder de computação dos smartphones excede em muito as capacidades de processamento dos equipamentos tripulados da NASA quando os primeiros astronautas foram enviados para a Lua em 1969. O rápido desenvolvimento da tecnologia faz com que as pessoas esperem mais e mais dispositivos portáteis ou implantáveis.
A principal desvantagem da maioria dos dispositivos portáteis e dispositivos implantáveis ainda é a vida útil da bateria.A limitação da capacidade da bateria limita o uso a longo prazo do dispositivo.Quando a energia do marca-passo está esgotada, o que você precisa fazer é para o paciente. Substituição de baterias por cirurgia A solução fundamental para esse problema pode estar no corpo humano, pois o corpo contém uma grande quantidade de energia química, térmica e mecânica, o que levou os cientistas a estudarem repetidamente como o dispositivo obtém energia do corpo humano.
Por exemplo, ostenta uma pessoa pode fazer quando a respiração produz 0,83 watts de energia; calor do corpo em um estado de calma de cerca de 4,8 watts; até 60 watts de energia quando um movimento e braço humano só precisa de um pacemaker. partes por milhão de watts de energia pode continuar a trabalhar por sete anos, aparelhos auditivos requerem apenas um milésimo de watts para funcionar durante cinco dias, enquanto um watt de energia permite que o smartphone para trabalhar cinco horas.
Agora Kenny Jacques e seus colegas estão estudando como usar o corpo humano como uma fonte de equipamentos de energia. Os pesquisadores começaram a testar em humanos e animais tais dispositivos portáteis ou dispositivos implantáveis.
Uma das estratégias de coleta de energia envolve a conversão de energia de vibrações, pressões e outras tensões mecânicas em energia elétrica, método que produz a chamada piezoeletricidade, comumente usada em alto-falantes e microfones.
Um material piezoelétrico comum é titanato zirconato de chumbo, mas devido ao seu alto teor de chumbo temia, por causa da toxicidade de chumbo no corpo humano é muito grande. Dag Jacques disse 'mas se você quiser levar a partir da decomposição da estrutura Ele precisa ser aquecido acima de 700 graus Celsius. ”Dagveron disse:“ Você nunca pode alcançar essa temperatura no corpo humano ”.
A fim de aproveitar o efeito piezelétrico, Daegvelen e seus colegas desenvolveram dispositivos planos que podem ser ligados a órgãos e músculos, como coração, pulmões e diafragmas.Esses dispositivos são "invisíveis mecânicos" por causa de suas propriedades mecânicas e seus efeitos. O ambiente é semelhante, portanto, não interferirá no trabalho normal dessas organizações durante o exercício.
Até agora, esses dispositivos foram testados em vacas leiteiras, ovelhas e porcos porque o tamanho do coração desses animais é aproximadamente o mesmo que o tamanho do coração humano. ”Quando esses dispositivos são mecanicamente distorcidos, eles produzem cargas positivas e negativas, voltagens E atual, que pode ser usado para coletar a energia para carregar a bateria ”, explica Dagveren,“ você pode usá-los para executar dispositivos biomédicos, como marca-passos, em vez de esgotar a bateria a cada seis ou sete anos. Após a substituição cirúrgica.
Os cientistas também estão desenvolvendo colheitadeiras de energia piezoelétrica vestíveis que podem ser usadas nos joelhos ou nos cotovelos, ou colocadas em sapatos, calças ou roupas íntimas, assim, uma pessoa pode andar ou curvar-se. Produtos eletrônicos geram eletricidade.
Ao projetar um elemento piezoelétrico, ele não precisa do melhor material para geração de energia.Isso pode parecer contra-intuitivo.Por exemplo, os materiais usados pelos cientistas podem ter uma eficiência de conversão de 2% ou menos, em vez de escolher 5% de conversão de energia mecânica. Material para energia elétrica: se for convertido mais, 'pode ser alcançado colocando mais carga no corpo, mas o usuário certamente não quer se sentir cansado como resultado', diz Dagwren.
Outro método de coleta de energia usa materiais termoelétricos de conversão para converter o calor do corpo em energia elétrica. "Seu coração bate mais de 40 milhões de vezes por ano", diz Dagveron. Toda essa energia é convertida em calor corporal e dissipada. E este é precisamente um recurso potencial que pode ser capturado.
A geração de energia térmica humana enfrenta alguns problemas importantes.Esse tipo de conversão de energia geralmente depende das diferenças de temperatura.No entanto, a temperatura do corpo humano muitas vezes permanece relativamente constante.Por isso, a diferença de temperatura dentro do corpo humano não é suficiente para gerar grandes quantidades de eletricidade. O dispositivo pode resolver o problema se for exposto a um ambiente externo relativamente frio enquanto coleta a temperatura corporal.
Os cientistas estão explorando dispositivos de geração de energia térmica para dispositivos portáteis, como energia, em princípio, o calor gerado pelo corpo pode gerar energia suficiente para fornecer energia para monitores de saúde sem fio, aparelhos auditivos artificiais e estimuladores do córtex cerebral para a doença de Parkinson. .
Além disso, os cientistas também tentam energizar o dispositivo através do efeito eletrostático comum.Quando dois materiais diferentes repetidamente colidem ou se esfregam um contra o outro, a superfície de um material pode capturar elétrons da superfície de outro material, acumulando carga elétrica. Chama-se eletrificação por fricção.Uma das principais vantagens da eletrificação por atrito é que quase todos os materiais, incluindo materiais naturais e materiais sintéticos, podem gerar eletricidade estática, o que proporciona aos pesquisadores muitas possibilidades de projetar vários dispositivos.
"Quanto mais eu pesquiso sobre eletrificação por atrito, mais empolgante é, e sua aplicação pode ser cada vez maior", disse o co-autor do artigo, o nanotecnólogo Zhong Lin Wang, do Instituto de Tecnologia da Geórgia (Zhong Lin Wang). Eu posso me ver trabalhando nessa pesquisa pelos próximos 20 anos.
"Há uma grande diferença na quantidade de eletricidade gerada pela carga de atrito de diferentes materiais. Por isso, os cientistas estão testando vários materiais. Os pesquisadores produziram grades cúbicas semelhantes a blocos urbanos microscópicos, semelhantes aos nanofios de florestas de bambu e semelhantes a Gizé". Uma série de pirâmides da pirâmide Wang disse que esses materiais não só parecem "bonitos", mas também cobrem a superfície com uma matriz de pirâmide que pode aumentar a geração de energia em cinco vezes em comparação com os painéis planos.
Os investigadores têm realizado em ratos, coelhos e porcos relacionada experiências, testaram pacemakers, monitores cardíacos e outros dispositivos implantáveis acelerar o fornecimento de energia eléctrica proveniente da respiração e os batimentos cardíacos se 'nós também pode usar o atrito do estudo eletricidade para estimular o crescimento e acelerar a ferida células de cura 'Wang disse:' além disso, nós começamos a partir das experiências de atrito sobre estimulação elétrica nervosa, para ver se podemos fazer qualquer contribuição à neurociência ".
Wang e seus colegas também projetaram dispositivos portáteis de atrito, por exemplo, eles criaram panos elétricos de fricção que podem ser usados para carregar pulseiras flexíveis equipadas com baterias de íons de lítio.Este dispositivo pode ser wearable usando a tecnologia Bluetooth. O relógio fornece energia, que transmite sem fio seus dados para o smartphone. "Todos os dias, a energia mecânica gerada pelo movimento humano pode ser convertida em eletricidade através do nosso tecido", disse Wang.
Outra estratégia depende do dispositivo é chamada célula de biocombustível, uma reacção química entre o qual armazena energia dentro do corpo por uma (por exemplo, de glicose no sangue) e moléculas de enzima para produzir electricidade, ou suor secretado ácido láctico. Por exemplo, A celulose-glicogênio desidrogenase extraída de fungos pode decompor a glicose e produzir corrente em tubos de carbono nanômetros (bilionésimos de metro).
A escolha de enzimas pode ser complicada.Por exemplo, embora muitos cientistas tenham encontrado em pesquisas que a glicose oxidase pode produzir eletricidade em células de biocombustível implantadas em camundongos experimentais, esta enzima também produz peróxido de hidrogênio (um comum Os ingredientes do branqueamento), que podem deteriorar o desempenho do equipamento e causar danos ao corpo.
Em outro estudo, micrografias eletrônicas de varredura mostram que os nanotubos de carbono usados em células experimentais de biocombustível podem gerar eletricidade a partir do corpo, que são revestidos com enzimas que podem processar moléculas de energia naturais, como o ácido láctico no suor. Sal ou glicose no sangue reage.Esta ferramenta é eletricamente ativa e fornece uma grande área de superfície para a reação de enzimas e energia, permitindo que mais eletricidade seja produzida em um determinado volume.
Cientistas franceses também criaram uma célula de biocombustível baseada em nanotubos de carbono revestidos de enzima, que é apenas cerca de meia colher de chá e, quando implantada em camundongos, pode gerar eletricidade suficiente reagindo com glicose no sangue para alimentar LEDs ou termômetros digitais. Experimentos também mostraram que as células de tecido biocombustível trançadas em faixas de cabeça e pulseiras de pulso podem gerar eletricidade suficiente através da reação química do ácido lático e enzimas no suor do leite para fornecer energia ao relógio.
De acordo com Dagvelen, esses dispositivos não estão disponíveis atualmente, mas ela prevê que esta tecnologia será comercializada em menos de uma década, no futuro, dispositivos de captação de energia podem se tornar mais adequados para o corpo humano. E seus colegas estão trabalhando em dispositivos de energia biodegradáveis.
"Imagine", disse ela, "coloque um dispositivo em seu corpo e, depois de trabalhar por um período de tempo, ele se degrada e se dissolve nos fluidos corporais. Você não precisa abrir o peito para removê-lo: podemos usar biodegradáveis". Materiais como seda e óxido de zinco que podem quebrar com o tempo.
