未来,你的身体就是一块移动电源

2015-11-16 12:42:25来源: 中关村在线
    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。

  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。

  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。

  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。

  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。 

  我们的身体内的再生能源可以为电子器件提供电力这我们已经知道了。但是,我们的皮肤下其实有着更丰富的能源来源,具有着更大的开发潜力。甚至可以说是这是一种天赐的化学燃料。。。

  血液

  为了正常工作,我们的细胞需要化学能量的持续供应。因此,我们体内都充满了它。研究人员最近正在研究这种说神秘其实也不神秘的化学能量源,对于这种内部燃料供给的研究可能很快就会出成果,这种化学能量的转换很快将不再仅仅作为新陈代谢的一种方式而存在了。

  其实可能在研究探索路上最大的一步已经迈出去了——在过去的几十年中,基于酶的生物燃料电池(EFCS)已经被研究了出来。由电池供电的电子设备可通过这种电池在发电体液中分解能源丰富的化学成分来获得电量。EFCS的技术已经被发明出来有十多年了,而在最近的五年中,研究人员已经开始着手在活物上对它们进行实验测试。

  当谈及能源丰富的体液时,血液似乎是毋庸置疑的王者。血浆——血液的液体成分,含有能够不断泛溶解的葡萄糖——这也是我们的细胞获取能量的主要来源。在2010年人们第一次发现EFC能够从生物的血液中获取能量。当时,法国的开发人员将一种设备植入了一个活的老鼠体内,这个设备在老鼠腹部成功运行了11天,而且这只老鼠看起来并没有任何不适感。在此期间,它不间断地产生了大约两微瓦的功率,而这个功率在理论上讲,已经足以给心脏起搏器供电了。

  到了2012年,一个更强大的葡萄糖EFC被发明了出来。另一个法国团队(包括从2010年的一直努力过来的研究人员)对其做了一些改进——研发出了基于碳纳米管的EFC。当这种设备植入老鼠的腹部后,能够产生约40微瓦的功率,而这足以能够为LED灯和数字温度计供电了。

  血糖供电EFCS尚未在人体中进行过测试。但基于它们已经在动物中试验成功(除了老鼠,EFCS也已经证明能够在兔、龙虾和蟑螂体内正常工作),这些能够自我供给的燃料电池肯定能够在未来用于医疗植入物中而无需再动用传统电池,也更无需动冒着风险动手术来更换电池了。

  虽然这一项目有着诸多潜在的优点,但是利用血液发电仍然有一个严肃的问题——那就是你还是需要开刀动手术。为了保证EFC能够在血液中正常运作,将需要多次植入该设备。一次性外科植入或许一些患者还可以接受,但如果像这样这样需要多次植入的话恐怕会造成患者的恐惧心理。而且这种设备本身也具有危险性和不便性,于是寻找一个只需较少侵入性就能获得在体内的化学能量的方式便又一次被提上案来。值得庆幸的是,我们已经能够看到一些希望了。

  汗液

  挖掘体内的化学燃料而又不会用到手术刀的方式之一就是通过我们的毛孔。人体汗液中含有丰富的被称为乳酸化合物的物质,它也可用于使EFCS发电,能够作为替换它们的葡萄糖的燃料。研究人员已经能够测试人体排汗供电EFCS的效果(出汗多的话反而会更容易进入),而最终的结果也着实令人欣慰。

  第一个能够从汗液发电的装置在2013年被来自于加州大学圣地亚哥分校的研究人员发明出来。它采取粘合贴剂的形式,很像一个临时的转印纹身,这个装置内部嵌入了乳酸清除EFC。为了测试这一项目,一组志愿者把这种装置穿在他们的手臂上,并开始剧烈运动20分钟。当受试者开始出汗,燃料电池也开始产生电流。由于汗液所产生的电流并不稳定,所以无法保证电力电子器件的正常运行,但是这已经足够清楚地证明了这项技术的潜力。

  一年后,强有力的证据终于出现了,另一批来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员想出了一个方法——把EFC纳入耐磨的纺织汗带。志愿者穿着它骑上自行车进行锻炼,骑车人的汗水成功通过该设备让燃料电池发电。此时,汗液产生了足够的电力来同时运行两个电子装置——LED灯和数字手表——运行了几十秒钟。

  可能还需要一段时间,汗水供电的EFCS才可以运行像智能手表之类的电子产品,但这项技术已经在近几年迅速发展。现在我们有充分的理由可以认为,我们不太喜欢的汗液将很快能被善加利用。

  和血液发电相比,用汗作为电源有一个明显的缺陷:大多数人并不会出非常多的汗,也不会非常频繁的出汗。而智能头带则可以成为一个伟大的方式——在锻炼过程中为你的手表进行充电。但对于我们的皮肤外的化学能量来源,科学家们需要特别处理。幸运的是,还有另一种富含能量的体液,而且还能是全天候的。所有你需要做的就是闭上眼睛。

  眼泪

  乍一看,眼泪似乎是比汗更不可靠的能量来源。但是,不管我们的情绪状态如何,我们总是会有眼泪在眼球上的。每个人都有为了保持角膜的湿润状态而流出的“基底”眼泪(而不是当我们哭泣时哗哗往下流的那种眼泪)的薄膜。眼泪大多是用来润滑和滋润眼睛的,但它们也充满了能量。除了其他化学物质外,基底眼泪还含有葡萄糖、乳酸盐和抗坏血酸(这是一种化合物,类似于维生素C)等成分,单拿出来其中的任何一个成分都能作为EFCS的很好的燃料来源。

  用眼泪发电这一技术的一个优点就是不用再费劲想拿什么来容纳这一装置了,因为现在就已经存在着一个完美的搭载设备:隐形眼镜。如果一个自给型燃料电池可以集成到隐形眼镜中的话,这个潜在的技术的应用简直可以说是科技界的大革命。这样的设备可以通过分析眼泪的化学成分来监测人们的生命体征,同时还能进行动态的视力矫正——感知到眼睛所处的不同位置而改变眼睛正在接触的透镜部分的焦距,甚至直接显示出动态信息,就像Google Glass那样。

  ”所有这些应用都可以改变人们的生活。但是,这真正激发起了人们的想象力。除了游戏玩家,我正在设想如何使用VR隐形眼镜来对军事人员进行培训。”——Russ Reid,盐湖城犹他州大学生物工程研究人员

  这样的情景简直就像是在科幻小说里一样,但Reid和他的同事们正在一步一步地把它们转化为现实。在今年七月,犹他州的研究人员有史以来第一次开发出了集成有EFC的隐形眼镜,能够把人的眼泪转化为电力。

  他们的实验原型,在去年首次被报道,是由弹性体镜片缠绕其周边两个薄的碳纤维电极构成的,这使得镜头的视野变得更加开阔。虽然它尚未在人体上测试过,但Reid和同事已经尝试过把这个隐形眼镜沐浴在合成泪液中,而它也成功在三个小时内保持了超过一微瓦的输出功率。

  该设备比目前的血液或汗液驱动的EFCS更拙计。其目前的电输出仅足以使LED闪光灯间歇性的点亮,并不足以供应如葡萄糖传感器等的电子设备,所以其性能必须还要进一步提高。尽管存在这些问题,犹他州团队的实验已经表明了,眼泪为隐性眼镜供电在实践中是可行的。他们计划在今年晚些时候在兔子上进行实验。

  虽然我们看到了听到了这些许诺,然而生物动力燃料电池仍然是一个新兴的技术,具有着不确定性。即使是最复杂的设备也只有几个月的操作寿命。为了使EFCS成为一个可行的替代电池,研究人员必须克服许多障碍,例如,设法防止设备内酶的自然降解(这对于EFCS是一个严重的问题),并提高其电极的耐腐蚀性。

  因此,这些技术可能仍然需要一段较长时间完善后,才能够成为我们身体的小帮手,例如帮助我们调节心律或者作为医疗助听器等。Evgeny Katz,纽约克拉克森大学生物技术教授表示,他设想未来EFCS或将最终为假肢或其他“生物计算机系统”供电。

关键字:科技生活  未来

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/1116/article_45697.html
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