據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，目前科學(xué)家正在研究通過(guò)壓電效應(yīng)、熱能轉(zhuǎn)換、靜電效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等多種方法將人體內(nèi)的機(jī)械能、熱能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，從而為可穿戴或可植入設(shè)備進(jìn)行供電。

在《我歌唱我?guī)щ姷纳眢w》（ISingtheBodyElectric）中，詩(shī)人沃爾特·惠特曼深情地講述了“美麗、奇特、在呼吸、笑肌”的“行動(dòng)和力量”。150多年后，麻省理工學(xué)院材料科學(xué)家兼工程師卡南·達(dá)格維倫（CananDagdeviren）和她的同事們正在用研究給惠特曼的詩(shī)賦予新的意義。她們正在研究一種可以依托人們心臟跳動(dòng)而產(chǎn)生電力的裝置。

現(xiàn)在的電子產(chǎn)品功能是如此強(qiáng)大，以至于智能手機(jī)的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了1969年將第一批宇航員送上月球時(shí)美國(guó)國(guó)家航天局相關(guān)載人設(shè)備的處理能力。隨著時(shí)間的推移，技術(shù)的飛速發(fā)展使得人們對(duì)于可穿戴設(shè)備或者可植入設(shè)備的期望越來(lái)越高。

大多數(shù)可穿戴設(shè)備和植入式設(shè)備的主要缺陷仍然在于電池的續(xù)航問(wèn)題，其有限的電池容量會(huì)限制設(shè)備的長(zhǎng)期使用。當(dāng)心臟起搏器的電能耗盡后，你需要做的是為病人動(dòng)手術(shù)而更換電池。從根本上解決這個(gè)問(wèn)題的方法可能在于人體內(nèi)部，因?yàn)槿梭w蘊(yùn)含的化學(xué)能、熱能以及機(jī)械能都很豐富。這使得科學(xué)家們對(duì)于設(shè)備如何從人體獲得能量進(jìn)行了反復(fù)研究。

例如，一個(gè)人在呼吸時(shí)做出的運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生0.83瓦的能量;人體在平靜狀態(tài)下的熱量約為4.8瓦;一個(gè)人手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)能量的高達(dá)60瓦。而一個(gè)心臟起搏器只需要百萬(wàn)分之五瓦的能量就可以持續(xù)工作七年，助聽(tīng)器只需要千分之一瓦就可以運(yùn)行五天，而一瓦的能量可以讓智能手機(jī)正常工作五個(gè)小時(shí)。

現(xiàn)在達(dá)格維倫和同事們正在研究如何使用人體本身作為設(shè)備能量的來(lái)源。研究人員已經(jīng)開(kāi)始在動(dòng)物和人身上測(cè)試這種可穿戴設(shè)備或可植入設(shè)備。

其中一種能量收集策略涉及將來(lái)自振動(dòng)，壓力和其他機(jī)械應(yīng)力的能量轉(zhuǎn)換成電能。這種方法能夠產(chǎn)生所謂的壓電，通常用于揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。

一種常用的壓電材料是鈦酸鋯酸鉛，但其較高的鉛含量引起人們擔(dān)心，因?yàn)殂U對(duì)人體的毒性太大。達(dá)格維倫表示，“但是如果要將鉛從結(jié)構(gòu)上分解，需要加熱到700攝氏度以上。”達(dá)格維倫說(shuō)，“你永遠(yuǎn)無(wú)法在人體內(nèi)達(dá)到這樣的溫度。”

為了利用壓電效應(yīng)，達(dá)格維倫和她的同事開(kāi)發(fā)出可以粘貼在諸如心臟，肺和膈肌等器官和肌肉上的扁平裝置。這些設(shè)備是“機(jī)械隱形”，因?yàn)樗鼈兊牧W(xué)特性與它們所處環(huán)境較為相似，所以其在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)妨礙到這些組織的正常工作。

到目前為止，這些設(shè)備已經(jīng)在奶牛，綿羊和豬身上進(jìn)行過(guò)測(cè)試，因?yàn)檫@些動(dòng)物的心臟大小與人的心臟大小大致相同。“當(dāng)這些設(shè)備發(fā)生被機(jī)械扭曲時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電荷，電壓和電流，這樣一來(lái)完全可以收集這些能量給電池充電，”達(dá)格維倫解釋說(shuō)，“你可以使用它們來(lái)運(yùn)行心臟起搏器等生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，而不用每六年或七年電池耗盡后進(jìn)行手術(shù)更換。”

科學(xué)家們還在開(kāi)發(fā)可穿戴式式壓電能量收集器，這些能量收集器可以戴在膝蓋或肘關(guān)節(jié)上，或放置在鞋子中，褲子或內(nèi)衣上。這樣，一個(gè)人走路或彎腰時(shí)就可以為電子產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)電。

在設(shè)計(jì)壓電元件時(shí)，并不需要發(fā)電效果最好的材料，這似乎有些反直覺(jué)。例如科學(xué)家所采用的材料可能只有2％或更低的轉(zhuǎn)化效率，而不是選擇能夠?qū)C(jī)械能的5％轉(zhuǎn)化為電能的材料。如果它轉(zhuǎn)化得更多，“它可能會(huì)通過(guò)給身體施加更多的負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)，但用戶肯定不希望因此而感到疲倦，”達(dá)格維倫說(shuō)。

另一種能量收集方法是使用熱電轉(zhuǎn)換材料將體熱轉(zhuǎn)換為電能。“你的心臟每年跳動(dòng)的次數(shù)超過(guò)4000萬(wàn)次，”達(dá)格維倫指出。所有這些能量都會(huì)轉(zhuǎn)換成身體熱能而消散——而這恰恰是一種可捕獲的潛在資源。

人體熱能發(fā)電確實(shí)面臨著一些主要問(wèn)題。這種能量轉(zhuǎn)換方式往往依賴(lài)于溫度差異，但人體的體溫常常會(huì)保持相當(dāng)恒定的狀態(tài)，因此人體內(nèi)部的溫度差異還不足以產(chǎn)生大量電力。但是，如果這些裝置能夠在收集身體體溫的同時(shí)暴露于相對(duì)涼爽的外部環(huán)境中的話，就能夠解決問(wèn)題。

科學(xué)家正在探索用于可穿戴設(shè)備的熱能發(fā)電裝置，例如為手表供電。原則上人體產(chǎn)生的熱量可以產(chǎn)生足夠的電力，為無(wú)線健康監(jiān)測(cè)儀、人工助聽(tīng)器和治療帕金森癥的大腦皮層刺激器提供電能。

此外，科學(xué)家們也試圖通過(guò)常見(jiàn)的靜電效應(yīng)來(lái)為設(shè)備供電。當(dāng)兩種不同材料彼此反復(fù)碰撞或摩擦?xí)r，一種材料的表面可以從另一種材料的表面上奪取電子，積聚電荷，這被稱(chēng)為摩擦起電現(xiàn)象。摩擦起電的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是包括天然材料和合成材料在內(nèi)的幾乎所有材料能夠產(chǎn)生靜電，這為研究人員設(shè)計(jì)各種各樣的小工具提供了諸多可能性。

“我對(duì)摩擦起電研究得越多，就越讓人激動(dòng)，它的應(yīng)用就可能越來(lái)越多，”相關(guān)論文合著者，喬治亞理工學(xué)院納米技術(shù)專(zhuān)家王鐘林（ZhongLinWang，音譯）表示，“我可以看到我自己將在未來(lái)的20年里致力于這項(xiàng)研究。”

不同的材料通過(guò)摩擦起電產(chǎn)生的電量有很大差異，因此科學(xué)家們正在嘗試各種材料。研究人員制作了類(lèi)似于微觀城市街區(qū)的立方體網(wǎng)格，類(lèi)似于竹林的納米線，以及類(lèi)似于吉薩大金字塔的那種金字塔陣列。王說(shuō)，這些材料不僅“看起來(lái)很漂亮”，而且用金字塔陣列覆蓋表面可以將發(fā)電量相比于平板增加五倍。

研究人員已經(jīng)在老鼠，兔子和豬身上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他們測(cè)試了起搏器，心臟監(jiān)護(hù)儀和其他由呼吸和心跳加速提供電能的植入式裝置。“我們也在研究是否可以使用摩擦起電來(lái)刺激細(xì)胞生長(zhǎng)并加速傷口的愈合，”Wang說(shuō)，“另外，我們已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)于神經(jīng)刺激的摩擦起電實(shí)驗(yàn)，以了解我們是否可以為神經(jīng)科學(xué)做出任何貢獻(xiàn)。”

王和他的同事也設(shè)計(jì)了摩擦起電的可穿戴設(shè)備。例如他們制造了摩擦電布，可以為配置鋰離子電池的柔性腕帶充電。這種小工具可以為采用藍(lán)牙技術(shù)的可穿戴式心率表提供電能，從而將其數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至智能手機(jī)。“每天人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能量可以通過(guò)我們的布料轉(zhuǎn)換成電力，”王說(shuō)。

另一種策略依賴(lài)于被稱(chēng)為生物燃料電池的裝置，其通過(guò)酶和身體內(nèi)的能量?jī)?chǔ)存分子（例如血液中的葡萄糖）之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，或者是汗液中分泌的乳酸。例如，從真菌中提取的纖維乙糖脫氫酶可以分解葡萄糖，并在納米（十億分之一米）碳管中產(chǎn)生電流。

酶的選擇可能會(huì)很棘手。例如，雖然不少科學(xué)家在研究中都發(fā)現(xiàn)葡萄糖氧化酶可以在植入實(shí)驗(yàn)小鼠的生物燃料電池中產(chǎn)生電力，但該酶也會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫（一種常見(jiàn)的漂白劑成分），這可能會(huì)惡化設(shè)備的性能，并且會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生傷害。

在另一項(xiàng)研究中，掃描電子顯微圖顯示，用于實(shí)驗(yàn)性生物燃料電池的碳納米管能夠從身體發(fā)電。這些試管涂有能夠處理天然能量分子的酶，例如可以和汗液中的乳酸鹽或血液中的葡萄糖進(jìn)行反應(yīng)。這種工具具有電活性，同時(shí)為酶與能量的反應(yīng)提供了巨大的表面積，從而允許在一定體積的情況下產(chǎn)生更多的電力。

法國(guó)科學(xué)家還創(chuàng)造了一種基于酶涂層碳納米管的生物燃料電池，其體積大約只有半茶匙，當(dāng)植入老鼠體內(nèi)時(shí)，它可以通過(guò)與血糖反應(yīng)產(chǎn)生足夠的電力，為L(zhǎng)ED或數(shù)字溫度計(jì)供電。實(shí)驗(yàn)還表明，編編織成頭帶和腕帶的織物生物燃料電池可以通過(guò)乳汗液中乳酸與酶的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生足夠的電力，從而為手表提供電能。

據(jù)達(dá)格維倫所知，這些設(shè)備目前還沒(méi)有上市。但她預(yù)測(cè)這種技術(shù)不到十年就會(huì)市場(chǎng)化。而在未來(lái)，能量采集設(shè)備可能會(huì)變得更適用于人體。達(dá)格維倫和她的同事們甚至正在研究可降解的發(fā)電小工具。

“想象一下，”她說(shuō)，“把一個(gè)裝置插入你的體內(nèi)，而它工作一段時(shí)間后會(huì)降解成分子而溶解到體液中，你不必打開(kāi)胸部就可以將其取出：我們可以使用可生物降解的材料，比如說(shuō)可隨時(shí)間分解的絲和氧化鋅。”