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血液现在能发电!未来的「可穿戴设备」或许可以长在身体里 | 潮科技

2017-09-28 陈大志 36氪 36氪


人的身体将来就是块移动电源。




文 | 陈大志


为了保持活力,我们的身体每天需要消耗2000至2500卡路里的热量,这足以为一个适度使用的智能手机供电。因此,如果这些能量中的一部分可以被虹吸,那么我们的身体理论上可以运行任何数量的电子设备,从医疗植入物到电子隐形眼镜,所有这些设备都可以没有电池。

而可穿戴设备对今天的我们来说确实已经屡见不鲜了,无论是VR头盔还是智能手环,但是目前市面上几乎所有的可穿戴设备都面临着续航的问题。这些产品虽然贴近我们的身体,但是依然需要靠电池来驱动。

科学家们也一直在思考用人体来给可穿戴设备供电的方法,目前已经成功的方案有心跳发电、脚部运动和肌肉运动发电等。

柔性纳米发电机通过脚部运动发电   图片来源:Fang Yi/Science Advances

纳米发生器通过皮肤与肌肉运动发电      图片来源:新加坡国立大学

最近,复旦大学的研究团队又解锁了一项“生物供电”的新技能,那就是依靠血液来发电。他们将直径为0.8毫米的纤维植入人的血管中,然后从流动的血液中获取能量。

碳纳米管纤维植入血管中发电 图片来源:复旦大学Wiley

为了制造这种纤维,研究人员采用了两种方法,一是用有序排列的碳纳米管来包裹塑料纤维,二是简单地扭转碳纳米管片,使其保持纱线状。

研究人员称他们的系统为迷你版的水力发电,不过两者的原理不同。当碳纳米管纤维与盐溶液接触时,浸没的纳米管和溶液之间将会形成双电层,纳米管表面带负电荷,溶液的薄层带正电荷。当溶液流动时,溶液里的负离子和从纳米管中取出的电子将试图平衡双电层,于是流体的前部有了更多电荷,导致纤维两端形成电位差,产生了电压和电流。不过这一方法也没有取得太大的成功。

其他团队则制造了基于纳米管的纱线,它在被扭曲和拉伸时也可以产生电能,大致原理是当纳米管内插入纤维,然后管的两端连接一根铜线并使盐溶液流过它。结果显示这种方法的发电效率超过了23%。研究人员说,这一数字比媒体之前报道的纤维状的能量采集装置还要高。而且纤维越长,流动液越快,盐浓度越高,输出电的效率就越高。

一个长约30厘米的设备能够产生0.04毫瓦的功率,这可能足够为非常小的传感器和植入体供电了。为了证明其在体内的应用效果,研究人员将三根10厘米长的纤维连接到青蛙的坐骨神经,发现当纤维浸入流动的盐溶液中时,青蛙会产生轻微的肌肉收缩。

这种纤维未来也可以编织成纺织品以制造能发电的衣服,研究人员补充说。

实际上,生物有机体是一个潜在的能量场,我们的身体里有着以各种形式存在的能量,只不过其中的大多数能量需要经过一些操作才能用来为电子设备供电。

美国马萨诸塞州的研究人员在2012年就成功开发了一款“能量采集芯片”,旨在直接从人的内耳电位(EP)中提取电能。

中美研究团队2013年发明了一种依靠运动动能发电的压电纤维,志愿者穿上由该面料制成的鞋垫走路时,所产生的电力足够点亮30个LED灯。而且,志愿者穿着带这一织物的衬衫步行几个小时就能充满一块锂离子电池。

2014年,美国的研究人员通过将超薄的压电材料附着到器官上,成功地从牛和绵羊(打了镇定剂之后)跳动的心脏、肺和隔膜中获得了动能并转化为电力。

此外,我们体内的再生能源还包括汗液、体温、眼泪等。

2014年,来自加州圣地亚哥的一个研究团队将酶催化燃料电池(EFC)纳入了可穿戴纺织汗水带。志愿者在骑自行车时戴着它,出的汗足够运行一个LED灯或一个数字手表几十秒。

来自澳大利亚和中国的研究人员2015年首次成功开发了能将热能转化为电能的新型面料。它虽然没被整合到服装中,但在加热室试验期间,该材料能够通过身体温度的升高来产生电流。

乍看起来,眼泪似乎是比汗水更不靠谱的燃料来源,但是它也充满了能量。眼泪中含有葡萄糖、乳酸盐和抗坏血酸盐等物质,其中任何一种都可以为EFC电池提供动力。2015年7月,犹他州的研究人员开发出了首款集成EFC的隐形眼镜,能把人们的眼泪转化为电力。

集成EFC的隐形眼镜

虽然生物动力燃料电池是目前受到学界和业界追捧的新兴技术,但是目前发明出的设备能够产生的电力还比较有限,而且诸如血液供电这类带有侵入性的获取体内化学能量的方式也存在着许多风险。未来的生物供电究竟还有哪些可能性,我们拭目以待。


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