未來你的身體就是行動電源

未來你的身體就是行動電源

下一代的電子設備可能不僅僅是貼近我們的身體那麼簡單,它們可以通過人體來供電。科技一直與人體密切相關。從削尖的燧石到智慧手機,我們承載著數千年的發展文化。但這種人與科技的關係即將進一步縮小——下一代的電子設備可能不僅僅是貼近我們的身體那麼簡單,它們可以通過人體來供電。

人活著其實很耗費能量。為了讓我們保持活力,我們的身體每天需要消耗2000至2500卡路里的熱量,這已經足以驅動一個適度使用的智慧手機了。因此,如果這部分能量的一小部分可以被利用,我們的身體在理論上可以為大部分的電子設備——從醫學植入物到電子隱形眼鏡——供電而不需要任何一個蓄電池。最近,研究人員已經朝著這個方向——解開這個電位奧秘,邁出了重要的一步。

尚未挖掘的潛力

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首先要說的是,在我們的身體中有著以各種形式存在的能量。其中的大多數能量只需要一些操作,就可以使用它們為電子設備供電。但並非所有的能量都可以。生物有機體是一個導電性的容積導體。當一些細胞或組織上發生電變化時,將在這容積導體內產生電場。因此在電場的不同部位中可引導出電場的電位變化,而且其大小與波形各不相同。

例如,哺乳動物的耳朵內就含有一個被稱為“電位”(endocochlear potential,簡稱EP)的微小的電壓。所謂電位(EP)在本文中所指的就是:動物的細胞或組織,尤其是神經與肌肉,受刺激時所發生的​​電變化。人們在很久以前就在耳蝸內發現——在內耳有一個螺旋形腔,人體在這個局部通過將壓力波轉換成電脈衝來獲得聽覺(在刺激較強接近引起興奮衝動閾值的情況下,陰極的電位變化大於陽極,出現應激性反應),產生局部電位(這種電位變化僅局限在刺激區域及其鄰近部位,也就是內耳處,並不向外傳布,故稱局部反應,所發生的電位稱為局部電位)。這個EP是很難察覺到的,僅有十分之一伏,但在理論上功率已經足夠為助聽器等聽覺輔助植入物供電了。

長期以來,由於內耳的極端敏感性,獲取這種人體內部的EP一直被認為是不可想像的。但是如果是把堅實的手術實力和開拓的技術創新相結合的話呢?在美國馬薩諸塞州的研究人員就在2012年成功地做到這一點了。

該小組開發了一種“能量採集晶片”,這種晶片只有一個指甲的大小,其目的是直接從EP中提取電能。他們用豚鼠來測試晶片。研究人員把它植入到了豚鼠體內,並最終成功產生了足夠的電力來驅動豚鼠內耳中的無線電發射器。但是,由晶片產生的僅僅大約一納瓦的電量(十億分之一瓦)和電子植入物所需的電量相比還是太低了,無法為其供電。即使如此,產生了一納瓦的電量和之前相比也已經有了長足的進步,這已經足以證明這個理論是可以實現的。如果在未來,電源輸出原型可以被增強的話,內耳的天然電位有朝一日肯定能夠被用於助聽器之中。如果再大膽一點的話,理論上它甚至可以允許植入物來輔助預防和治療疾病,比如美尼爾氏症。

然而,除了耳蝸以外,在我們的身體中能夠自由流動的電能是相對罕見的(幸運的話也許還能夠發現)。大多數生物能源被鎖定為其他的形式。當然,循環利用也是一種釋放它的好方法。

運動

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我們每天都會走路。我們身體中的能量除了需要為我們身體中的細胞提供外,大部分的能量都用於供給肌肉的運動、心臟的跳動以及人體的呼吸上(我相信你肯定會贊同這一觀點的,因為這些都是非常重要的事情)。自行車發電機或發條手電筒這兩個發明,都是在將這一動能轉化為電能。似乎目前也沒有什麼類似的新的想法了,但其實事情已經在慢慢變得更加複雜了。

在過去的幾年中,研究人員已經開始開發一些材料——其中的原理被稱為壓電性——能夠從人體運動中產生電力。壓電材料自發地產生電荷時,會接觸到應力(希臘文壓電意味著擠壓或按)。這些材料已經被用於無數的工業應用之中,甚至是不起眼的點煙器(在“點擊”時,你所聽到的那種類似電子的聲音其實就是壓電晶體被擊中的聲音) 。而如今,他們的下一個應用領域可能就是開發出能夠產生能量的面料。

其中最先進的當屬在2013年由中美合作研究團隊發明的一種合成橡膠基壓電纖維,這一材料僅需使用人類運動所產生的動能就能夠產生電能。當志願者穿上一塊這種面料製成的鞋墊走路時,所產生的電力足夠點亮30個LED。更令人興奮的是,當把這一織物貼在襯衫上後走路,產生的電量甚至能夠為鋰離子電池充電一個小時!

壓電材料的潛力越挖掘越寬廣。這些材料也被用於從內部器官獲取能量。去年,美國成功從被打過鎮定劑的牛、羊體內的心臟的跳動和肺部的收縮擴張等動作獲得了動能並成功將其轉化為電量,這全要感謝隔膜電——研究人員在體內器官附加了超薄的壓電材料。令人印象深刻的是,植入的織物功率約為一微瓦(百萬分之一瓦),這個功率大體上已經能夠達到運行一個心臟起搏器所需的電量了。

熱量

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如果你沒有太多的精力去走路,並且不喜歡有東西包裹在你的器官上的話,也不用擔心,你身上充沛的熱氣也能夠發電!現在智慧材料正在被開發中,其中納入的“熱電”材料能夠通過熱差生成電荷。今年,來自澳大利亞和中國的研究人員首次成功合成了能夠把熱能轉化為電能的新型布料。它並沒有被整合到衣服上,但在加熱室試驗期間,該材料能夠通過身體的溫度來產生電流。它只產生了大約一納瓦的電量,而這雖然沒有壓電面料那麼多,但已經能夠和EP收集晶片匹敵了,它是世界上首例把熱能轉換為電能的材料,這種熱電面料絕對有著很大的發展空間。

我們的身體內的再生能源可以為電子器件提供電力這我們已經知道了。但是,我們的皮膚下其實有著更豐富的能源來源,具有著更大的開發潛力。甚至可以說是這是一種天賜的化學燃料。 。 。

血液

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為了正常工作,我們的細胞需要化學能量的持續供應。因此,我們體內都充滿了它。研究人員最近正在研究這種說神秘其實也不神秘的化學能量源,對於這種內部燃料供給的研究可能很快就會出成果,這種化學能量的轉換很快將不再僅僅作為新陳代謝的一種方式而存在了。

其實可能在研究探索路上最大的一步已經邁出去了——在過去的幾十年中,基於酶的生物燃料電池(EFCS)已經被研究了出來。由電池供電的電子設備可通過這種電池在發電體液中分解能源豐富的化學成分來獲得電量。 EFCS的技術已經被發明出來有十多年了,而在最近的五年中,研究人員已經開始著手在活物上對它們進行實驗測試。

當談及能源豐富的體液時,血液似乎是毋庸置疑的王者。血漿——血液的液體成分,含有能夠不斷泛溶解的葡萄糖——這也是我們的細胞獲取能量的主要來源。在2010年人們第一次發現EFC能夠從生物的血液中獲取能量。當時,法國的開發人員將一種設備植入了一個活的老鼠體內,這個設備在老鼠腹部成功運行了11天,而且這隻老鼠看起來並沒有任何不適感。在此期間,它不間斷地產生了大約兩微瓦的功率,而這個功率在理論上講,已經足以給心臟起搏器供電了。

到了2012年,一個更強大的葡萄糖EFC被發明了出來。另一個法國團隊(包括從2010年的一直努力過來的研究人員)對其做了一些改進——研發出了基於碳納米管的EFC。當這種設備植入老鼠的腹部後,能夠產生約40微瓦的功率,而這足以能夠為LED燈和數字溫度計供電了。

血糖供電EFCS尚未在人體中進行過測試。但基於它們已經在動物中試驗成功(除了老鼠,EFCS也已經證明能夠在兔、龍蝦和蟑螂體內正常工作),這些能夠自我供給的燃料電池肯定能夠在未來用於醫療植入物中而無需再動用傳統電池,也更無需動冒著風險動手術來更換電池了。

雖然這一項目有著諸多潛在的優點,但是利用血液發電仍然有一個嚴肅的問題——那就是你還是需要開刀動手術。為了保證EFC能夠在血液中正常運作,將需要多次植入該設備。一次性外科植入或許一些患者還可以接受,但如果像這樣這樣需要多次植入的話恐怕會造成患者的恐懼心理。而且這種設備本身也具有危險性和不便性,於是尋找一個只需較少侵入性就能獲得在體內的化學能量的方式便又一次被提上案來。值得慶幸的是,我們已經能夠看到一些希望了。

汗液

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挖掘體內的化學燃料而又不會用到手術刀的方式之一就是通過我們的毛孔。人體汗液中含有豐富的被稱為乳酸化合物的物質,它也可用於使EFCS發電,能夠作為替換它們的葡萄糖的燃料。研究人員已經能夠測試人體排汗供電EFCS的效果(出汗多的話反而會更容易進入),而最終的結果也著實令人欣慰。

第一個能夠從汗液發電的裝置在2013年被來自於加州大學聖地亞哥分校的研究人員發明出來。它採取粘合貼劑的形式,很像一個臨時的轉印紋身,這個裝置內部嵌入了乳酸清除EFC。為了測試這一項目,一組志願者把這種裝置穿在他們的手臂上,並開始劇烈運動20分鐘。當受試者開始出汗,燃料電池也開始產生電流。由於汗液所產生的電流並不穩定,所以無法保證電力電子器件的正常運行,但是這已經足夠清楚地證明了這項技術的潛力。

一年後,強有力的證據終於出現了,另一批來自加州大學聖地亞哥分校的研究人員想出了一個方法——把EFC納入耐磨的紡織汗帶。志願者穿著它騎上自行車進行鍛煉,騎車人的汗水成功通過該設備讓燃料電池發電。此時,汗液產生了足夠的電力來同時運行兩個電子裝置——LED燈和數字手錶——運行了幾十秒鐘。

可能還需要一段時間,汗水供電的EFCS才可以運行像智慧手錶之類的電子產品,但這項技術已經在近幾年迅速發展。現在我們有充分的理由可以認為,我們不太喜歡的汗液將很快能被善加利用。

和血液發電相比,用汗作為電​​源有一個明顯的缺陷:大多數人並不會出非常多的汗,也不會非常頻繁的出汗。而智慧頭帶則可以成為一個偉大的方式——在鍛煉過程中為你的手錶進行充電。但對於我們的皮膚外的化學能量來源,科學家們需要特別處理。幸運的是,還有另一種富含能量的體液,而且還能是全天候的。所有你需要做的就是閉上眼睛。

眼淚

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乍一看,眼淚似乎是比汗更不可靠的能量來源。但是,不管我們的情緒狀態如何,我們總是會有眼淚在眼球上的。每個人都有為了保持角膜的濕潤狀態而流出的“基底”眼淚(而不是當我們哭泣時嘩嘩往下流的那種眼淚)的薄膜。眼淚大多是用來潤滑和滋潤眼睛的,但它們也充滿了能量。除了其他化學物質外,基底眼淚還含有葡萄糖、乳酸鹽和抗壞血酸(這是一種化合物,類似於維生素C)等成分,單拿出來其中的任何一個成分都能作為EFCS的很好的燃料來源。

用眼淚發電這一技術的一個優點就是不用再費勁想拿什麼來容納這一裝置了,因為現在就已經存在著一個完美的搭載設備:隱形眼鏡。如果一個自給型燃料電池可以集成到隱形眼鏡中的話,這個潛在的技術的應用簡直可以說是科技界的大革命。這樣的設備可以通過分析眼淚的化學成分來監測人們的生命體徵,同時還能進行動態的視力矯正——感知到眼睛所處的不同位置而改變眼睛正在接觸的透鏡部分的焦距,甚至直接顯示出動態信息,就像Google Glass那樣。

”所有這些應用都可以改變人們的生活。但是,這真正激發起了人們的想像力。除了遊戲玩家,我正在設想如何使用VR隱形眼鏡來對軍事人員進行培訓。”

——Russ Reid,鹽湖城猶他州大學生物工程研究人員

這樣的情景簡直就像是在科幻小說裡一樣,但Reid和他的同事們正在一步一步地把它們轉化為現實。在今年七月,猶他州的研究人員有史以來第一次開發出了集成有EFC的隱形眼鏡,能夠把人的眼淚轉化為電力。

他們的實驗原型,在去年首次被報導,是由彈性體鏡片纏繞其周邊兩個薄的碳纖維電極構成的,這使得鏡頭的視野變得更加開闊。雖然它尚未在人體上測試過,但Reid和同事已經嘗試過把這個隱形眼鏡沐浴在合成淚液中,而它也成功在三個小時內保持了超過一微瓦的輸出功率。

該設備比目前的血液或汗液驅動的EFCS更拙計。其目前的電輸出僅足以使LED閃光燈間歇性的點亮,並不足以供應如葡萄糖傳感器等的電子設備,所以其性能必須還要進一步提高。儘管存在這些問題,猶他州團隊的實驗已經表明了,眼淚為隱性眼鏡供電在實踐中是可行的。他們計劃在今年晚些時候在兔子上進行實驗。

雖然我們看到了聽到了這些許諾,然而生物動力燃料電池仍然是一個新興的技術,具有著不確定性。即使是最複雜的設備也只有幾個月的操作壽命。為了使EFCS成為一個可行的替代電池,研究人員必須克服許多障礙,例如,設法防止設備內酶​​的自然降解(這對於EFCS是一個嚴重的問題),並提高其電極的耐腐蝕性。

因此,這些技術可能仍然需要一段較長時間完善後,才能夠成為我們身體的小幫手,例如幫助我們調節心律或者作為醫療助聽器等。 Evgeny Katz,紐約克拉克森大學生物技術教授表示,他設想未來EFCS或將最終為假肢或其他“生物計算機系統”供電。

出處:雷鋒網

作者: 訾竣喆

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