В настоящее время ученые изучают, как превращать механическую, тепловую и химическую энергию в организм человека в электрическую энергию с помощью различных методов, таких как пьезоэлектрический эффект, преобразование тепловой энергии, электростатический эффект и химическая реакция, тем самым обеспечивая мощность для носимых или имплантируемых устройств. В «Sing Sing Electric» поэт Уолтер Уитмен с любовью описывал «действие и силу» «красивых, своеобразных, дыхательных, смеющихся мышц».
Более 150 лет спустя, ученый и инженер Массачусетского технологического института Канан Дагдевирен и ее коллеги используют исследования, чтобы дать новые стихи Уитмену новое значение. Они изучают способ опираться на людей. Устройство, которое генерирует электричество, избивая сердце.
Возможности современных электронных продуктов настолько сильны, что вычислительная мощность смартфонов намного превышает возможности обработки пилотируемого оборудования НАСА, когда первые астронавты были отправлены на Луну в 1969 году. , Быстрое развитие технологии заставляет людей ожидать больше и больше носимых устройств или имплантируемых устройств.
Основной недостаток большинства носимых устройств и имплантируемых устройств - это время автономной работы. Ограниченная емкость аккумулятора ограничивает длительное использование устройства. Когда мощность кардиостимулятора исчерпана, вам нужно сделать для пациента. Замена батарей на хирургическое вмешательство. Основополагающее решение этой проблемы может заключаться в человеческом теле, потому что организм содержит огромное количество химической, тепловой и механической энергии. Это привело к тому, что ученые неоднократно изучали, как устройство получает энергию от человеческого тела.
Например, движение человека при дыхании может вырабатывать 0,83 Вт энергии, температура тела в спокойном состоянии составляет около 4,8 Вт, рука человека может использовать до 60 ватт энергии. И для кардиостимулятора требуется только Пять миллионов миллион ватт энергии могут длиться семь лет. Слуховые аппараты могут работать в течение пяти дней только с тысячей ватт, а ватт энергии позволяет смартфону работать пять часов.
Теперь Дагвелен и его коллеги изучают, как использовать само тело как источник энергии для устройства. Исследователи начали тестировать это носимое устройство или имплантируемое устройство на животных и людей.
Одна из стратегий сбора энергии включает в себя преобразование энергии из вибраций, давлений и других механических напряжений в электрическую энергию. Этот метод дает так называемую пьезоэлектричество, обычно используемую в динамиках и микрофонах.
Обычно используемый пьезоэлектрический материал представляет собой титанат цирконата свинца, но его высокое содержание свинца вызывает беспокойство, потому что оно слишком токсично для человеческого организма. Дагврен сказал: «Но если вы хотите разложить свинец из структуры , Его нужно нагревать до температуры выше 700 градусов по Цельсию ». Дагверон сказал:« Вы никогда не сможете достичь этой температуры в организме человека ».
Для того чтобы воспользоваться пьезоэлектрическим эффектом, Daegvelen и ее коллеги разработали плоские устройства, которые могут быть прикреплены к органам и мышцам, таким как сердце, легкие и диафрагмы. Эти устройства являются «механически невидимыми» из-за их механических свойств и их Окружающая среда подобна, поэтому она не будет мешать нормальной работе этих организаций во время физических упражнений.
До сих пор эти устройства были протестированы на молочных коровах, овечках и свиньях, потому что размер этих животных примерно такой же, как размер человеческого сердца ». Когда эти устройства механически искажены, они производят положительные и отрицательные заряды, напряжения И ток, который можно использовать для сбора энергии для зарядки аккумулятора, - объясняет Дагверен, - вы можете использовать их для запуска биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы, вместо того, чтобы истощать батарею каждые шесть или семь лет. После хирургической замены.
Ученые также разрабатывают пригодные для носки пьезоэлектрические энергосборщики, которые можно носить на коленях или локтях, или помещать в обувь, брюки или нижнее белье. Таким образом, человек может ходить или наклоняться Электронные продукты генерируют электроэнергию.
При проектировании пьезоэлектрического элемента он не требует лучшего материала для выработки электроэнергии. Это может показаться противоречивым. Например, материалы, используемые учеными, могут иметь коэффициент преобразования 2% или менее вместо того, чтобы выбирать 5% -ную конверсию механической энергии. Материал для электрической энергии. Если он больше преобразуется, «это может быть достигнуто путем большей нагрузки на тело, но пользователь, конечно же, не хочет чувствовать усталость в результате», - сказал Дагврен.
Еще один метод сбора энергии использует материалы термоэлектрического преобразования для преобразования тепла тела в электрическую энергию: «Ваше сердце бьется более 40 миллионов раз в год, - говорит Дагверон, - вся эта энергия преобразуется в тепло тела и рассеивается. И это как раз потенциальный ресурс, который можно захватить.
Генерация тепловой энергии человека сталкивается с некоторыми серьезными проблемами. Этот тип преобразования энергии часто зависит от разницы температур. Однако температура человеческого тела часто остается довольно постоянной. Поэтому разность температур в человеческом теле недостаточна для генерирования большого количества электроэнергии. Однако, если эти Устройство может решить проблему, если она подвергается воздействию относительно холодной внешней среды при одновременном сборе температуры тела.
Ученые изучают устройства для создания тепловой энергии для носимых устройств, таких как часы питания. В принципе, тепло, выделяемое организмом, может обеспечить достаточную мощность для обеспечения беспроводных мониторов здоровья, искусственных слуховых аппаратов и стимуляторов коры головного мозга для болезни Паркинсона. ,
Кроме того, ученые также пытаются подключить устройство к общему электростатическому эффекту. Когда два разных материала неоднократно сталкиваются или тряхнут друг с другом, поверхность одного материала может захватывать электроны с поверхности другого материала, накапливая электрический заряд. Ключевым преимуществом фрикционной электрификации является то, что почти все материалы, включая натуральные материалы и синтетические материалы, могут генерировать статическое электричество, которое предоставляет исследователям множество возможностей для разработки различных гаджетов.
«Чем больше я занимаюсь изучением фрикционных электрификаций, тем интереснее это, и его применение может быть все больше и больше», - сказал соавтор соответствующей статьи, нанотехнологий Чжун Линь Ван из Технологического института Джорджии (Zhong Lin Wang). Я вижу, что я работаю над этим исследованием в течение следующих 20 лет ».
Существует большая разница в количестве электроэнергии, создаваемой фрикционным зарядом из разных материалов, поэтому ученые пробуют различные материалы. Исследователи создали кубические сетки, подобные микроскопическим городским блокам, похожие на нанопроволки из бамбуковых лесов и аналогичные Гизе. Ванг сказал, что эти материалы не только выглядят «красивыми», но и покрывают поверхность пирамидой, которая может увеличить производство энергии в пять раз по сравнению с плоскими панелями.
Исследователи проводили эксперименты на мышах, кроликах и свиньях, которые тестировали кардиостимуляторы, сердечные мониторы и другие имплантируемые устройства, которые обеспечивают энергию через дыхание и сердцебиение ». Мы также изучаем, можно ли использовать трение. Электричество стимулирует рост клеток и ускоряет заживление ран, - сказал Ванг. - Кроме того, мы начали эксперимент по электрификации трения по стимуляции нервов, чтобы увидеть, можем ли мы внести какой-либо вклад в нейронауку ».
Ван и его коллеги также разработали износостойкие приспособления, пригодные для трения. Например, они создали тряпочные электрические ткани, которые можно использовать для зарядки гибких наручных часов, оснащенных литиево-ионными батареями. Этот гаджет может носить нотный сердечный ритм с использованием технологии Bluetooth. Часы обеспечивают питание, которое беспроводным образом передает свои данные на смартфон. «Каждый день механическая энергия, создаваемая человеческим движением, может быть преобразована в электричество через нашу ткань», - сказал Ван.
Другая стратегия основана на устройстве, называемом ячейкой биотоплива, которая генерирует электричество посредством химической реакции между ферментом и молекулами хранения энергии в организме (например, глюкозой в крови) или молочной кислотой, выделяемой в поту. Например, Целлюлоза-гликогендегидрогеназа, экстрагированная из грибов, может разлагать глюкозу и вырабатывать ток в нанометровых (миллиардных доли метра) углеродных трубах.
Выбор ферментов может быть сложным. Например, хотя многие исследователи обнаружили в исследовании, что глюкозооксидаза может продуцировать электричество в клетках биотоплива, имплантированных экспериментальным мышам, этот фермент также продуцирует перекись водорода (общий Отбеливающие ингредиенты), которые могут ухудшить работу оборудования и нанести вред организму.
В другом исследовании сканирующие электронные микрофотографии показывают, что углеродные нанотрубки, используемые в экспериментальных клетках биотоплива, могут генерировать электричество из организма. Эти трубки покрыты ферментами, которые могут обрабатывать молекулы естественной энергии, такие как молочная кислота в поту. Соль или глюкоза в крови реагирует. Этот инструмент является электрически активным и обеспечивает большую площадь поверхности для реакции ферментов и энергии, позволяя производить больше электричества в данном объеме.
Французские ученые создали био-топлива на основе клеточного фермента углеродных нанотрубок покрытие, только около половины чайной ложки объема, при имплантации у мышей, он может генерировать достаточно электроэнергии путем реакции с глюкозой, или цифровой термометр СИД питание Эксперименты также показали, что тканевые биотопливные клетки, заплетенные в повязки и браслеты, могут генерировать достаточное количество электричества через химическую реакцию молочной кислоты и ферментов в молочном поту, чтобы обеспечить мощность часов.
По словам Дагвелена, эти устройства в настоящее время недоступны, но она прогнозирует, что эта технология будет продаваться менее чем за десятилетие. В будущем устройства для сбора энергии могут стать более подходящими для человеческого организма. И ее коллеги даже работают над биоразлагаемыми гаджетами.
«Представьте себе, - сказала она, - положите устройство в свое тело и после некоторого периода времени он деградирует и растворяется в жидкостях организма. Вы можете удалить его, не открывая сундук: мы можем использовать биоразлагаемые Материалы, такие как шелк и оксид цинка, которые могут разрушаться с течением времени.
