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通过人体来供电,未来你身体就是一块移动电源

2019年7月6日 美尔泰编辑 行业新闻 403

科技一直与人体密切相关。从削尖的燧石到智能手机,我们承载着数千年的发展文化。但这种人与科技的关系即将进一步缩小——下一代的电子设备可能不仅仅是贴近我们的身体那么简单,它们可以通过人体来供电。

人活着其实很耗费能量。为了让我们保持活力,我们的身体每天需要消耗2000至2500卡路里的热量,这已经足以驱动一个适度使用的智能手机了。因此,如果这部分能量的一小部分可以被虹吸,我们的身体在理论上可以为大部分的电子设备——从医学植入物到电子隐形眼镜——供电而不需要任何一个蓄电池。最近,研究人员已经朝着这个方向——解开这个电位奥秘,迈出了重要的一步。

尚未挖掘的潜力

首先要说的是,在我们的身体中有着以各种形式存在的能量。其中的大多数能量只需要一些操作,就可以使用它们为电子设备供电。但并非所有的能量都可以。生物有机体是一个导电性的容积导体。当一些细胞或组织上发生电变化时,将在这容积导体内产生电场。因此在电场的不同部位中可引导出电场的电位变化,而且其大小与波形各不相同。

例如,哺乳动物的耳朵内就含有一个被称为“电位”(endocochlear potential,简称EP)的微小的电压。所谓电位(EP)在本文中所指的就是:动物的细胞或组织,尤其是神经与肌肉,受刺激时所发生的电变化。人们在很久以前就在耳蜗内发现——在内耳有一个螺旋形腔,人体在这个局部通过将压力波转换成电脉冲来获得听觉(在刺激较强接近引起兴奋冲动阈值的情况下,阴极的电位变化大于阳极,出现应激性反应),产生局部电位(这种电位变化仅局限在刺激区域及其邻近部位,也就是内耳处,并不向外传布,故称局部反应,所发生的电位称为局部电位)。这个EP是很难察觉到的,仅有十分之一伏,但在理论上功率已经足够为助听器等听觉辅助植入物供电了。

末来身体也可能是一个移动电源
长期以来,由于内耳的极端敏感性,获取这种人体内部的EP一直被认为是不可想象的。但是如果是把坚实的手术实力和开拓的技术创新相结合的话呢?在美国马萨诸塞州的研究人员就在2012年成功地做到这一点了。

该小组开发了一种“能量采集芯片”,这种芯片只有一个指甲的大小,其目的是直接从EP中提取电能。他们用豚鼠来测试芯片。研究人员把它植入到了豚鼠体内,并最终成功产生了足够的电力来驱动豚鼠内耳中的无线电发射器。但是,由芯片产生的仅仅大约一纳瓦的电量(十亿分之一瓦)和电子植入物所需的电量相比还是太低了,无法为其供电。即使如此,产生了一纳瓦的电量和之前相比也已经有了长足的进步,这已经足以证明这个理论是可以实现的。如果在未来,电源输出原型可以被增强的话,内耳的天然电位有朝一日肯定能够被用于助听器之中。如果再大胆一点的话,理论上它甚至可以允许植入物来辅助预防和治疗疾病,比如美尼尔氏病。

然而,除了耳蜗以外,在我们的身体中能够自由流动的电能是相对罕见的(幸运的话也许还能够发现)。大多数生物能源被锁定为其他的形式。当然,循环利用也是一种释放它的好方法。

我们每天都会走路。我们身体中的能量除了需要为我们身体中的细胞提供外,大部分的能量都用于供给肌肉的运动、心脏的跳动以及人体的呼吸上(我相信你肯定会赞同这一观点的,因为这些都是非常重要的事情)。自行车发电机或发条手电筒这两个发明,都是在将这一动能转化为电能。似乎目前也没有什么类似的新的想法了,但其实事情已经在慢慢变得更加复杂了。

在过去的几年中,研究人员已经开始开发一些材料——其中的原理被称为压电性——能够从人体运动中产生电力。压电材料自发地产生电荷时,会接触到应力(希腊文压电意味着挤压或按)。这些材料已经被用于无数的工业应用之中,甚至是不起眼的点烟器(在“点击” 时,你所听到的那种类似电子的声音其实就是压电晶体被击中的声音)。而如今,他们的下一个应用领域可能就是开发出能够产生能量的面料。

末来身体也可能是一个移动电源
其中最先进的当属在2013年由中美合作研究团队发明的一种合成橡胶基压电纤维,这一材料仅需使用人类运动所产生的动能就能够产生电能。当志愿者穿上一块这种面料制成的鞋垫走路时,所产生的电力足够点亮30个LED。更令人兴奋的是,当把这一织物贴在衬衫上后走路,产生的电量甚至能够为锂离子电池充电一个小时!

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