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未來(lái)，你的身體就是一塊移動(dòng)電源

時(shí)間:2015-12-10 13:44:56 來(lái)源:深圳市智慧安防行業(yè)協(xié)會(huì) 作者:雷鋒網(wǎng)

       科技一直與人體密切相關(guān)。從削尖的燧石到智能手機(jī)，我們承載著數(shù)千年的發(fā)展文化。
       但這種人與科技的關(guān)系即將進(jìn)一步縮小——下一代的電子設(shè)備可能不僅僅是貼近我們的身體那么簡(jiǎn)單，它們可以通過(guò)人體來(lái)供電。

人體供電
 
       人活著其實(shí)很耗費(fèi)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(jīng)足以驅(qū)動(dòng)一個(gè)適度使用的智能手機(jī)了。因此，如果這部分能量的一小部分可以被虹吸，我們的身體在理論上可以為大部分的電子設(shè)備——從醫(yī)學(xué)植入物到電子隱形眼鏡——供電而不需要任何一個(gè)蓄電池。最近，研究人員已經(jīng)朝著這個(gè)方向——解開(kāi)這個(gè)電位奧秘，邁出了重要的一步。
 
尚未挖掘的潛力
       首先要說(shuō)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(shù)能量只需要一些操作，就可以使用它們?yōu)殡娮釉O(shè)備供電。但并非所有的能量都可以。生物有機(jī)體是一個(gè)導(dǎo)電性的容積導(dǎo)體。當(dāng)一些細(xì)胞或組織上發(fā)生電變化時(shí)，將在這容積導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)。因此在電場(chǎng)的不同部位中可引導(dǎo)出電場(chǎng)的電位變化，而且其大小與波形各不相同。
       例如，哺乳動(dòng)物的耳朵內(nèi)就含有一個(gè)被稱為“電位”（endocochlear potential，簡(jiǎn)稱EP）的微小的電壓。所謂電位（EP）在本文中所指的就是：動(dòng)物的細(xì)胞或組織，尤其是神經(jīng)與肌肉，受刺激時(shí)所發(fā)生的電變化。人們?cè)诤芫靡郧熬驮诙亙?nèi)發(fā)現(xiàn)——在內(nèi)耳有一個(gè)螺旋形腔，人體在這個(gè)局部通過(guò)將壓力波轉(zhuǎn)換成電脈沖來(lái)獲得聽(tīng)覺(jué)（在刺激較強(qiáng)接近引起興奮沖動(dòng)閾值的情況下，陰極的電位變化大于陽(yáng)極，出現(xiàn)應(yīng)激性反應(yīng)），產(chǎn)生局部電位（這種電位變化僅局限在刺激區(qū)域及其鄰近部位，也就是內(nèi)耳處，并不向外傳布，故稱局部反應(yīng)，所發(fā)生的電位稱為局部電位）。這個(gè)EP是很難察覺(jué)到的，僅有十分之一伏，但在理論上功率已經(jīng)足夠?yàn)橹?tīng)器等聽(tīng)覺(jué)輔助植入物供電了。
 
人體與電力
       長(zhǎng)期以來(lái)，由于內(nèi)耳的極端敏感性，獲取這種人體內(nèi)部的EP一直被認(rèn)為是不可想象的。但是如果是把堅(jiān)實(shí)的手術(shù)實(shí)力和開(kāi)拓的技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合的話呢？在美國(guó)馬薩諸塞州的研究人員就在2012年成功地做到這一點(diǎn)了。
       該小組開(kāi)發(fā)了一種“能量采集芯片”，這種芯片只有一個(gè)指甲的大小，其目的是直接從EP中提取電能。他們用豚鼠來(lái)測(cè)試芯片。研究人員把它植入到了豚鼠體內(nèi)，并最終成功產(chǎn)生了足夠的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)豚鼠內(nèi)耳中的無(wú)線電發(fā)射器。但是，由芯片產(chǎn)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(wú)法為其供電。即使如此，產(chǎn)生了一納瓦的電量和之前相比也已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這已經(jīng)足以證明這個(gè)理論是可以實(shí)現(xiàn)的。如果在未來(lái)，電源輸出原型可以被增強(qiáng)的話，內(nèi)耳的天然電位有朝一日肯定能夠被用于助聽(tīng)器之中。如果再大膽一點(diǎn)的話，理論上它甚至可以允許植入物來(lái)輔助預(yù)防和治療疾病，比如美尼爾氏病。
       然而，除了耳蝸以外，在我們的身體中能夠自由流動(dòng)的電能是相對(duì)罕見(jiàn)的（幸運(yùn)的話也許還能夠發(fā)現(xiàn)）。大多數(shù)生物能源被鎖定為其他的形式。當(dāng)然，循環(huán)利用也是一種釋放它的好方法。
 
運(yùn)動(dòng)
       我們每天都會(huì)走路。我們身體中的能量除了需要為我們身體中的細(xì)胞提供外，大部分的能量都用于供給肌肉的運(yùn)動(dòng)、心臟的跳動(dòng)以及人體的呼吸上（我相信你肯定會(huì)贊同這一觀點(diǎn)的，因?yàn)檫@些都是非常重要的事情）。自行車發(fā)電機(jī)或發(fā)條手電筒這兩個(gè)發(fā)明，都是在將這一動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。似乎目前也沒(méi)有什么類似的新的想法了，但其實(shí)事情已經(jīng)在慢慢變得更加復(fù)雜了。
       在過(guò)去的幾年中，研究人員已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)一些材料——其中的原理被稱為壓電性——能夠從人體運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電力。壓電材料自發(fā)地產(chǎn)生電荷時(shí)，會(huì)接觸到應(yīng)力（希臘文壓電意味著擠壓或按）。這些材料已經(jīng)被用于無(wú)數(shù)的工業(yè)應(yīng)用之中，甚至是不起眼的點(diǎn)煙器（在“點(diǎn)擊”時(shí)，你所聽(tīng)到的那種類似電子的聲音其實(shí)就是壓電晶體被擊中的聲音）。而如今，他們的下一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域可能就是開(kāi)發(fā)出能夠產(chǎn)生能量的面料。
 
運(yùn)動(dòng)供電
 
運(yùn)動(dòng)供電
       其中最先進(jìn)的當(dāng)屬在2013年由中美合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的一種合成橡膠基壓電纖維，這一材料僅需使用人類運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能就能夠產(chǎn)生電能。當(dāng)志愿者穿上一塊這種面料制成的鞋墊走路時(shí)，所產(chǎn)生的電力足夠點(diǎn)亮30個(gè)LED。更令人興奮的是，當(dāng)把這一織物貼在襯衫上后走路，產(chǎn)生的電量甚至能夠?yàn)殇囯x子電池充電一個(gè)小時(shí)！
       壓電材料的潛力越挖掘越寬廣。這些材料也被用于從內(nèi)部器官獲取能量。去年，美國(guó)成功從被打過(guò)鎮(zhèn)定劑的牛、羊體內(nèi)的心臟的跳動(dòng)和肺部的收縮擴(kuò)張等動(dòng)作獲得了動(dòng)能并成功將其轉(zhuǎn)化為電量，這全要感謝隔膜電——研究人員在體內(nèi)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(wàn)分之一瓦），這個(gè)功率大體上已經(jīng)能夠達(dá)到運(yùn)行一個(gè)心臟起搏器所需的電量了。
 
熱量
       如果你沒(méi)有太多的精力去走路，并且不喜歡有東西包裹在你的器官上的話，也不用擔(dān)心，你身上充沛的熱氣也能夠發(fā)電！現(xiàn)在智能面料正在被開(kāi)發(fā)中，其中納入的“熱電”材料能夠通過(guò)熱差生成電荷。今年，來(lái)自澳大利亞和中國(guó)的研究人員首次成功合成了能夠把熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型布料。它并沒(méi)有被集成到衣服上，但在加熱室試驗(yàn)期間，該材料能夠通過(guò)身體的溫度來(lái)產(chǎn)生電流。它只產(chǎn)生了大約一納瓦的電量，而這雖然沒(méi)有壓電面料那么多，但已經(jīng)能夠和EP收集芯片匹敵了，它是世界上首例把熱能轉(zhuǎn)換為電能的材料，這種熱電面料絕對(duì)有著很大的發(fā)展空間。
 
人體熱量與電力
       我們的身體內(nèi)的再生能源可以為電子器件提供電力這我們已經(jīng)知道了。但是，我們的皮膚下其實(shí)有著更豐富的能源來(lái)源，具有著更大的開(kāi)發(fā)潛力。甚至可以說(shuō)是這是一種天賜的化學(xué)燃料...
 
血液
       為了正常工作，我們的細(xì)胞需要化學(xué)能量的持續(xù)供應(yīng)。因此，我們體內(nèi)都充滿了它。研究人員最近正在研究這種說(shuō)神秘其實(shí)也不神秘的化學(xué)能量源，對(duì)于這種內(nèi)部燃料供給的研究可能很快就會(huì)出成果，這種化學(xué)能量的轉(zhuǎn)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(shí)可能在研究探索路上最大的一步已經(jīng)邁出去了——在過(guò)去的幾十年中，基于酶的生物燃料電池（EFCS）已經(jīng)被研究了出來(lái)。由電池供電的電子設(shè)備可通過(guò)這種電池在發(fā)電體液中分解能源豐富的化學(xué)成分來(lái)獲得電量。EFCS的技術(shù)已經(jīng)被發(fā)明出來(lái)有十多年了，而在最近的五年中，研究人員已經(jīng)開(kāi)始著手在活物上對(duì)它們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
       當(dāng)談及能源豐富的體液時(shí)，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(xì)胞獲取能量的主要來(lái)源。在2010年人們第一次發(fā)現(xiàn)EFC能夠從生物的血液中獲取能量。當(dāng)時(shí)，法國(guó)的開(kāi)發(fā)人員將一種設(shè)備植入了一個(gè)活的老鼠體內(nèi)，這個(gè)設(shè)備在老鼠腹部成功運(yùn)行了11天，而且這只老鼠看起來(lái)并沒(méi)有任何不適感。在此期間，它不間斷地產(chǎn)生了大約兩微瓦的功率，而這個(gè)功率在理論上講，已經(jīng)足以給心臟起搏器供電了。
 
血紅細(xì)胞與電力
       到了2012年，一個(gè)更強(qiáng)大的葡萄糖EFC被發(fā)明了出來(lái)。另一個(gè)法國(guó)團(tuán)隊(duì)（包括從2010年的一直努力過(guò)來(lái)的研究人員）對(duì)其做了一些改進(jìn)——研發(fā)出了基于碳納米管的EFC。當(dāng)這種設(shè)備植入老鼠的腹部后，能夠產(chǎn)生約40微瓦的功率，而這足以能夠?yàn)長(zhǎng)ED燈和數(shù)字溫度計(jì)供電了。
       血糖供電EFCS尚未在人體中進(jìn)行過(guò)測(cè)試。但基于它們已經(jīng)在動(dòng)物中試驗(yàn)成功（除了老鼠，EFCS也已經(jīng)證明能夠在兔、龍蝦和蟑螂體內(nèi)正常工作），這些能夠自我供給的燃料電池肯定能夠在未來(lái)用于醫(yī)療植入物中而無(wú)需再動(dòng)用傳統(tǒng)電池，也更無(wú)需動(dòng)冒著風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)手術(shù)來(lái)更換電池了。
       雖然這一項(xiàng)目有著諸多潛在的優(yōu)點(diǎn)，但是利用血液發(fā)電仍然有一個(gè)嚴(yán)肅的問(wèn)題——那就是你還是需要開(kāi)刀動(dòng)手術(shù)。為了保證EFC能夠在血液中正常運(yùn)作，將需要多次植入該設(shè)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(huì)造成患者的恐懼心理。而且這種設(shè)備本身也具有危險(xiǎn)性和不便性，于是尋找一個(gè)只需較少侵入性就能獲得在體內(nèi)的化學(xué)能量的方式便又一次被提上案來(lái)。值得慶幸的是，我們已經(jīng)能夠看到一些希望了。
 
汗液
       挖掘體內(nèi)的化學(xué)燃料而又不會(huì)用到手術(shù)刀的方式之一就是通過(guò)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(zhì)，它也可用于使EFCS發(fā)電，能夠作為替換它們的葡萄糖的燃料。研究人員已經(jīng)能夠測(cè)試人體排汗供電EFCS的效果（出汗多的話反而會(huì)更容易進(jìn)入），而最終的結(jié)果也著實(shí)令人欣慰。
       第一個(gè)能夠從汗液發(fā)電的裝置在2013年被來(lái)自于加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)明出來(lái)。它采取粘合貼劑的形式，很像一個(gè)臨時(shí)的轉(zhuǎn)印紋身，這個(gè)裝置內(nèi)部嵌入了乳酸清除EFC。為了測(cè)試這一項(xiàng)目，一組志愿者把這種裝置穿在他們的手臂上，并開(kāi)始劇烈運(yùn)動(dòng)20分鐘。當(dāng)受試者開(kāi)始出汗，燃料電池也開(kāi)始產(chǎn)生電流。由于汗液所產(chǎn)生的電流并不穩(wěn)定，所以無(wú)法保證電力電子器件的正常運(yùn)行，但是這已經(jīng)足夠清楚地證明了這項(xiàng)技術(shù)的潛力。
 
汗液與電力
       一年后，強(qiáng)有力的證據(jù)終于出現(xiàn)了，另一批來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員想出了一個(gè)方法——把EFC納入耐磨的紡織汗帶。志愿者穿著它騎上自行車進(jìn)行鍛煉，騎車人的汗水成功通過(guò)該設(shè)備讓燃料電池發(fā)電。此時(shí)，汗液產(chǎn)生了足夠的電力來(lái)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)電子裝置——LED燈和數(shù)字手表——運(yùn)行了幾十秒鐘。
       可能還需要一段時(shí)間，汗水供電的EFCS才可以運(yùn)行像智能手表之類的電子產(chǎn)品，但這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在近幾年迅速發(fā)展?，F(xiàn)在我們有充分的理由可以認(rèn)為，我們不太喜歡的汗液將很快能被善加利用。和血液發(fā)電相比，用汗作為電源有一個(gè)明顯的缺陷：大多數(shù)人并不會(huì)出非常多的汗，也不會(huì)非常頻繁的出汗。而智能頭帶則可以成為一個(gè)偉大的方式——在鍛煉過(guò)程中為你的手表進(jìn)行充電。但對(duì)于我們的皮膚外的化學(xué)能量來(lái)源，科學(xué)家們需要特別處理。幸運(yùn)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
       乍一看，眼淚似乎是比汗更不可靠的能量來(lái)源。但是，不管我們的情緒狀態(tài)如何，我們總是會(huì)有眼淚在眼球上的。每個(gè)人都有為了保持角膜的濕潤(rùn)狀態(tài)而流出的“基底”眼淚（而不是當(dāng)我們哭泣時(shí)嘩嘩往下流的那種眼淚）的薄膜。眼淚大多是用來(lái)潤(rùn)滑和滋潤(rùn)眼睛的，但它們也充滿了能量。除了其他化學(xué)物質(zhì)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，類似于維生素C）等成分，單拿出來(lái)其中的任何一個(gè)成分都能作為EFCS的很好的燃料來(lái)源。
       用眼淚發(fā)電這一技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不用再費(fèi)勁想拿什么來(lái)容納這一裝置了，因?yàn)楝F(xiàn)在就已經(jīng)存在著一個(gè)完美的搭載設(shè)備：隱形眼鏡。如果一個(gè)自給型燃料電池可以集成到隱形眼鏡中的話，這個(gè)潛在的技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)直可以說(shuō)是科技界的大革命。這樣的設(shè)備可以通過(guò)分析眼淚的化學(xué)成分來(lái)監(jiān)測(cè)人們的生命體征，同時(shí)還能進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)信息，就像Google Glass那樣。
       ”所有這些應(yīng)用都可以改變?nèi)藗兊纳?。但是，這真正激發(fā)起了人們的想象力。除了游戲玩家，我正在設(shè)想如何使用VR隱形眼鏡來(lái)對(duì)軍事人員進(jìn)行培訓(xùn)?！?/span>
        ——Russ Reid，鹽湖城猶他州大學(xué)生物工程研究人員
       這樣的情景簡(jiǎn)直就像是在科幻小說(shuō)里一樣，但Reid和他的同事們正在一步一步地把它們轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。在今年七月，猶他州的研究人員有史以來(lái)第一次開(kāi)發(fā)出了集成有EFC的隱形眼鏡，能夠把人的眼淚轉(zhuǎn)化為電力。
 
眼淚與電力

       他們的實(shí)驗(yàn)原型，在去年首次被報(bào)道，是由彈性體鏡片纏繞其周邊兩個(gè)薄的碳纖維電極構(gòu)成的，這使得鏡頭的視野變得更加開(kāi)闊。雖然它尚未在人體上測(cè)試過(guò)，但Reid和同事已經(jīng)嘗試過(guò)把這個(gè)隱形眼鏡沐浴在合成淚液中，而它也成功在三個(gè)小時(shí)內(nèi)保持了超過(guò)一微瓦的輸出功率。
       該設(shè)備比目前的血液或汗液驅(qū)動(dòng)的EFCS更拙計(jì)。其目前的電輸出僅足以使LED閃光燈間歇性的點(diǎn)亮，并不足以供應(yīng)如葡萄糖傳感器等的電子設(shè)備，所以其性能必須還要進(jìn)一步提高。盡管存在這些問(wèn)題，猶他州團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明了，眼淚為隱性眼鏡供電在實(shí)踐中是可行的。他們計(jì)劃在今年晚些時(shí)候在兔子上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

      雖然我們看到了聽(tīng)到了這些許諾，然而生物動(dòng)力燃料電池仍然是一個(gè)新興的技術(shù)，具有著不確定性。即使是最復(fù)雜的設(shè)備也只有幾個(gè)月的操作壽命。為了使EFCS成為一個(gè)可行的替代電池，研究人員必須克服許多障礙，例如，設(shè)法防止設(shè)備內(nèi)酶的自然降解（這對(duì)于EFCS是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題），并提高其電極的耐腐蝕性。因此，這些技術(shù)可能仍然需要一段較長(zhǎng)時(shí)間完善后，才能夠成為我們身體的小幫手，例如幫助我們調(diào)節(jié)心律或者作為醫(yī)療助聽(tīng)器等。Evgeny Katz，紐約克拉克森大學(xué)生物技術(shù)教授表示，他設(shè)想未來(lái)EFCS或?qū)⒆罱K為假肢或其他“生物計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”供電。
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