未来,你的身体就是一块移动电源

  次阅读 作者:智能小宝 来源:互联网 2015-11-14 20:12 我要评论(0)

未来,你的身体就是一块移动电源

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常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。

未来,你的身体就是一块移动电源

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,比如美尼尔氏玻

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。

运动

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。

未来,你的身体就是一块移动电源

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!

压电材料的潜力越挖掘越宽广。这些材料也被用于从内部器官获取能量。去年,美国成功从被打过镇定剂的牛、羊体内的心脏的跳动和肺部的收缩扩张等动作获得了动能并成功将其转化为电量,这全要感谢隔膜电——研究人员在体内器官附加了超薄的压电材料。令人印象深刻的是,植入的织物功率约为一微瓦(百万分之一瓦),这个功率大体上已经能够达到运行一个心脏起搏器所需的电量了。

未来,你的身体就是一块移动电源

热量

如果你没有太多的精力去走路,并且不喜欢有东西包裹在你的器官上的话,也不用担心,你身上充沛的热气也能够发电!现在智能面料正在被开发中,其中纳入的“热电”材料能够通过热差生成电荷。今年,来自澳大利亚和中国的研究人员首次成功合成了能够把热能转化为电能的新型布料。它并没有被集成到衣服上,但在加热室试验期间,该材料能够通过身体的温度来产生电流。它只产生了大约一纳瓦的电量,而这虽然没有压电面料那么多,但已经能够和EP收集芯片匹敌了,它是世界上首例把热能转换为电能的材料,这种热电面料绝对有着很大的发展空间。

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