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手机充电解决方案:不出10年将可用人体心跳充电

来源:未知 作者:雨晨 人气: 发布时间:2018-04-15
摘要:编者按:大多数可穿戴和可植入设备的一个主要缺点仍然是它们的电池,其有限的容量限制了它们的长期使用。《大西洋月刊》发表了一篇文章,介绍了科学家正在尝试解决这个缺点的

  编者按:大多数可穿戴和可植入设备的一个主要缺点仍然是它们的电池,其有限的容量限制了它们的长期使用。《大西洋月刊》发表了一篇文章,介绍了科学家正在尝试解决这个缺点的各种方法。包括压电、摩擦电、生物电等,但思路都一样,让设备从宿主体内获取能量。

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  压电扬声器。

  在《ISingtheBodyElectric》中,诗人沃尔特·惠特曼(WaltWhitman)抒发了“美丽、好奇、呼吸、欢笑的肉体”的“行动和力量”。150多年后,麻省理工学院的材料科学家、工程师卡纳·达德维伦(CananDagdeviren)和她的同事们给惠特曼的诗赋予了新的意义,他们发明了一种设备,可以通过对心脏跳动的反应而扭曲发电。

  电子技术如今非常强大,一部智能手机的计算能力超过了NASA在1969年把第一批人送上月球时所拥有的计算能力。随着时间的推移,技术取得了非凡的进步,人们希望戴在身上甚至植入体内的装置也能变得越来越强大。

  大多数可穿戴和可植入设备的一个主要缺点仍然是它们的电池,其有限的容量限制了它们的长期使用。当心脏起搏器电量耗尽时,你最不想做的事情就是为了替换电池而给一个病人做手术。解决这一问题的办法可能在人体内部——因为它在能量、化学、热和机械方面都很丰富。这促使科学家们研究了多种方法,让设备从宿主体内获取能量,达德维伦和她的同事在2017年《生物医学工程年度评论》中对此做了详细介绍。

  例如,人在呼吸时作出的风箱状运动可以产生0.83瓦的能量;来自人体的热量,高达4.8瓦;一个人手臂的运动带来的能量,最高达60瓦。如果你考虑到起搏器只需要五千万分之一瓦特就能维持七年,助听器需要千分之一瓦特就能维持五天,智能手机需要一瓦特就能维持五小时的时候,这并不是没有意义的。

  现在,达德维伦和其他人正在设计使用人体本身作为能量来源的机器。越来越多的研究人员在动物模型和人体中测试这种可穿戴或可植入的设备。

  一种能量收集策略涉及将能量从振动、压力和其它机械应力转换成电能。这种方法产生所谓的压电效应,通常用于扬声器和麦克风。

  一种常用的压电材料是锆钛酸铅,它的铅含量引起人们的担忧,它可能对人体毒性太大。“但想让铅从结构中分解出来,就必须将它们加热到700摄氏度以上的温度,”达德维伦说。“你体内永远达不到这样的温度。”

  为了利用压电效应,达德维伦和她的同事们开发了一种扁平的设备,可以粘贴在心脏、肺和膈肌等器官和肌肉上。这些装置是“机械不可见的”,因为它们的机械性能与它们被叠层的物质相似,所以它们在运动时不会阻碍这些组织。

  到目前为止,这种设备已经在牛、羊和猪身上进行了测试,所有动物的心脏都与人的心脏大致相同。“当这些装置机械地扭曲时,它们会产生正负电荷、电压和电流——你可以收集这些能量来给电池充电,”达德维伦解释说。“你可以用它们来运行像心脏起搏器这样的生物医学设备,而不是在电池耗尽时每六七年更换一次。”

  科学家还在开发可穿戴的压电能量采集器,这种采集器可以用在膝盖或肘部等关节上,也可以附在鞋子、裤子或内衣上。这样,一个人可以在走路或弯曲手臂时为电子设备发电。

  当设计压电设备时,人们可能会反直觉地不想使用最擅长发电的材料。例如,你可能只想要一种只有2%或更低效率的材料,而不是选择一种能将5%的机械能转换成电能的材料、如果它转换得更多,“它可能会给身体增加更多的负荷,你不希望它使你疲劳,”达德维伦说。

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