Los científicos están siendo estudiados actualmente por varios métodos efecto piezoeléctrico, la conversión de energía térmica, efectos electrostáticos y reacciones químicas en el cuerpo humano o la energía como mecánica, energía térmica, energía química en energía eléctrica, realizando de este modo la fuente de alimentación al dispositivo portátil o implantable. En el "I yo canto cuerpo vivo "(yo canto al cuerpo eléctrico), el poeta Walt Whitman con cariño acerca de las 'bellas, extrañas, la respiración, la risa músculos' de la 'acción y la fuerza'.
Después de 150 años, el MIT materiales científico e ingeniero Jacques Canaán-Dag (Canan Dagdeviren) y sus colegas se les da un nuevo significado al estudio poética de Whitman. Ellos pueden confiar en las personas que trabajan en una Un dispositivo que genera electricidad golpeando el corazón.
Las capacidades de los productos electrónicos actuales son tan poderosas que la capacidad de computación de los teléfonos inteligentes supera con creces las capacidades de procesamiento del equipo tripulado de la NASA cuando los primeros astronautas fueron enviados a la luna en 1969. , El rápido desarrollo de la tecnología hace que las personas esperen más y más dispositivos portátiles o dispositivos implantables.
El principal inconveniente de la mayoría de los dispositivos portátiles y dispositivos implantables es la duración de la batería. La capacidad limitada de la batería limita el uso a largo plazo del dispositivo. Cuando el poder del marcapasos se agota, lo que debe hacer es para el paciente. Reemplazo de baterías con cirugía. La solución fundamental a este problema puede residir en el cuerpo humano porque el cuerpo contiene una gran cantidad de energía química, térmica y mecánica, lo que ha llevado a los científicos a estudiar repetidamente cómo el dispositivo obtiene energía del cuerpo humano.
Por ejemplo, el movimiento de una persona mientras respira puede producir 0,88 vatios de energía, el calor del cuerpo en estado de calma es de aproximadamente 4,8 vatios, el brazo de una persona puede ejercitar hasta 60 vatios de energía y solo necesita un marcapasos. Cinco millones de vatios de energía pueden durar siete años. Los audífonos pueden durar cinco días con solo una milésima de vatio, y un vatio de energía permite que un teléfono inteligente funcione durante cinco horas.
Ahora Dagvelen y sus colegas están estudiando cómo utilizar el cuerpo como fuente de energía para el dispositivo. Los investigadores han comenzado a probar este dispositivo portátil o dispositivo implantable en animales y humanos.
Una de las estrategias de recolección de energía consiste en convertir la energía de las vibraciones, presiones y otras tensiones mecánicas en energía eléctrica. Este método produce la llamada piezoelectricidad, comúnmente utilizada en parlantes y micrófonos.
Un material piezoeléctrico de uso común es el titanato de zirconato de plomo, pero su alto contenido de plomo causa preocupación porque es demasiado tóxico para el cuerpo humano. Dagwren dijo: "Pero si quieres descomponer el plomo de la estructura" "Necesita calentarse a más de 700 grados centígrados". Dagveron dijo: "Nunca se puede alcanzar esta temperatura en el cuerpo humano".
Para aprovechar el efecto piezoeléctrico, Daegvelen y sus colegas han desarrollado dispositivos planos que se pueden unir a órganos y músculos como el corazón, los pulmones y los diafragmas. Estos dispositivos son "invisibles mecánicamente" debido a sus propiedades mecánicas y sus propiedades mecánicas. El entorno es similar, por lo que no interferirá con el trabajo normal de estas organizaciones durante el ejercicio.
Hasta ahora, estos dispositivos han sido probados en vacas lecheras, ovejas y cerdos porque el tamaño del corazón de estos animales es aproximadamente el mismo que el tamaño del corazón humano. "Cuando estos dispositivos se distorsionan mecánicamente, producen cargas positivas y negativas, voltajes Y actual, que se puede usar para recolectar energía para cargar la batería ", explica Dagveren," Puedes usarlos para ejecutar dispositivos biomédicos como marcapasos en lugar de agotar la batería cada seis o siete años. Después de un reemplazo quirúrgico.
Los científicos también están desarrollando colector de energía piezoeléctrica portátil, el colector de energía se puede usar en la rodilla o el codo, o se coloca en un zapato, pantalones o ropa interior. Esto ha permitido a una persona para caminar o agacharse Los productos electrónicos generan electricidad.
En el diseño del elemento piezoeléctrico, el material no necesita para alimentar el mejor efecto, parece contrario a la intuición. Por ejemplo, el material se puede emplear científicos 2% o menos de la eficiencia de conversión, puede ser seleccionada en lugar de la energía conversión mecánica 5% materiales de electricidad. Si se transforma mucho más, 'que se pueden lograr mediante la aplicación de una mayor carga para el cuerpo, pero que sin duda no quieren sentirse tan cansado', dijo Dag Velen.
Otro método de recolección de energía utiliza materiales de conversión termoeléctrica para convertir el calor del cuerpo en energía eléctrica. "Tu corazón late más de 40 millones de veces al año", dice Dagveron. Toda esta energía se convierte en calor corporal y se disipa. Y este es precisamente un recurso potencial que se puede capturar.
La generación de energía térmica humana se enfrenta a algunos problemas importantes.Este tipo de conversión de energía a menudo depende de las diferencias de temperatura, pero la temperatura del cuerpo humano a menudo permanece bastante constante, por lo que la diferencia de temperatura en el cuerpo humano no es suficiente para generar grandes cantidades de electricidad. El dispositivo puede resolver el problema si se expone a un entorno externo relativamente frío mientras se recolecta la temperatura corporal.
Los científicos están explorando los medios para dispositivo portátil de energía térmica, por ejemplo. En principio, el calor producido por el cuerpo puede producir electricidad suficiente para alimentar el reloj, para proporcionar energía para el dispositivo de vigilancia de la salud inalámbrica, el audífono artificial y tratamiento de la enfermedad estimulador corteza cerebral de Parkinson .
Además, los científicos también intentan alimentar el dispositivo a través del efecto electrostático común. Cuando dos materiales diferentes chocan repetidamente o se frotan entre sí, la superficie de un material puede capturar electrones de la superficie de otro material, acumulando carga eléctrica. Se llama electrificación por fricción. Una ventaja clave de la electrificación por fricción es que casi todos los materiales, incluidos los materiales naturales y los materiales sintéticos, pueden generar electricidad estática, lo que brinda a los investigadores muchas posibilidades para diseñar una variedad de dispositivos.
'Me levanté para el estudio triboeléctrica, el más emocionante, lo más probable es que más y más aplicaciones,' relacionados co-autor, experto en Georgia Tech Nanotecnología Wang Zhonglin (Zhong Lin Wang, transliteración) dijo ' Me veo trabajando en esta investigación durante los próximos 20 años ".
Diferentes materiales producidos por la fricción de la energía eléctrica son muy diferentes, por lo que los científicos están tratando una variedad de materiales. Los investigadores produjeron un bloque de micro-ciudad similar de cubos de rejilla, similar al bosque de bambú de nanocables, así como Giza similares especie de pirámide pirámide matriz. Wang, estos materiales no sólo lucir bella '', y cubriendo la superficie con una matriz piramidal puede ser plana en comparación con la cantidad de generación de energía se incrementa cinco veces.
Los investigadores han llevado a cabo experimentos con ratones, conejos y cerdos, y han probado marcapasos, monitores cardíacos y otros dispositivos implantables que proporcionan energía mediante la respiración y los latidos del corazón. También estamos investigando si se puede usar la fricción. La electricidad estimula el crecimiento celular y acelera la curación de heridas ", dijo Wang." Además, hemos comenzado un experimento de electrificación por fricción sobre la estimulación nerviosa para ver si podemos hacer alguna contribución a la neurociencia ".
Wang y sus colegas también diseñaron dispositivos portátiles que pueden llevar puestos la fricción, por ejemplo, crearon trapos eléctricos de fricción que se pueden usar para cargar las muñequeras flexibles equipadas con baterías de iones de litio. Este dispositivo puede ser una frecuencia cardíaca portátil mediante la tecnología Bluetooth. El reloj proporciona energía, que transmite de manera inalámbrica sus datos al teléfono inteligente. "Todos los días, la energía mecánica generada por el movimiento humano se puede convertir en electricidad a través de nuestra tela", dijo Wang.
Otra estrategia se basa en un dispositivo llamado célula de biocombustible que genera electricidad a través de una reacción química entre una enzima y moléculas de almacenamiento de energía en el cuerpo (como la glucosa en la sangre) o ácido láctico secretado en el sudor. La celulosa-glucógeno deshidrogenasa extraída de hongos puede descomponer la glucosa y producir corriente en nanómetros (billonésimas de un metro) de tubos de carbono.
La elección de las enzimas puede ser complicada. Por ejemplo, aunque muchos científicos han descubierto en la investigación que la glucosa oxidasa puede producir electricidad en células de biocombustibles implantadas en ratones experimentales, esta enzima también produce peróxido de hidrógeno (uno común). Los ingredientes blanqueadores), que pueden deteriorar el rendimiento del equipo y causar daño al cuerpo.
En otro estudio, las micrografías electrónicas de barrido muestran que los nanotubos de carbono utilizados en las células experimentales de biocombustibles pueden generar electricidad en el cuerpo. Estos tubos están recubiertos con enzimas que pueden procesar moléculas de energía natural, como el ácido láctico en el sudor. La sal o la glucosa en la sangre reacciona Esta herramienta es eléctricamente activa y proporciona una gran área de superficie para la reacción de las enzimas y la energía, lo que permite que se produzca más electricidad en un volumen determinado.
Los científicos franceses también han creado una célula de biocombustible basada en nanotubos de carbono recubiertos con enzimas, cuyo volumen es solo de media cucharadita. Cuando se implanta en ratones, puede generar suficiente electricidad al reaccionar con azúcar en la sangre para alimentar los LED o los termómetros digitales. Los experimentos también han demostrado que las células de tela de biocombustible trenzadas en cintas para la cabeza y muñequeras pueden generar suficiente electricidad a través de la reacción química del ácido láctico y las enzimas en el sudor de la leche para proporcionar energía al reloj.
Según Dagvelen, estos dispositivos no están actualmente disponibles, pero ella predice que esta tecnología se comercializará en menos de una década. En el futuro, los dispositivos de recolección de energía pueden ser más adecuados para el cuerpo humano. Y sus colegas incluso están trabajando en dispositivos de potencia biodegradables.
"Imagínese", dijo, "ponga un dispositivo en su cuerpo, y después de trabajar durante un período de tiempo se degrada y se disuelve en los fluidos corporales. Puede quitarlo sin abrir el cofre: podemos usarlo biodegradable. Materiales como la seda y el óxido de zinc que se pueden romper con el tiempo.
