血液現在能發電,未來的可穿戴裝置大概可以直接放在身體裡

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 28 日 7:30 | 分類 奈米 , 材料 , 科技趣聞 follow us in feedly

為了保持活力,我們的身體每天需要消耗 2,000 至 2,500 卡路里的熱量,這足以為一支適度使用的智慧手機供電。因此,如果這些能量中的一部分可以被虹吸,那麼我們的身體理論上可以執行任何數量的電子裝置,從醫療植入物到電子隱形眼鏡,所有這些裝置都不需要再用電池了。



而可穿戴裝置對今天的我們來說確實已經屢見不鮮了,無論是 VR 頭戴裝置還是智慧手環,但是目前市面上幾乎所有的可穿戴裝置都面臨著續航力的問題。這些產品雖然貼近我們的身體,但是依然需要靠電池來驅動。

科學家們也一直在思考用人體來幫可穿戴裝置供電的方法,目前已經成功的方案有心跳發電、腳部運動和肌肉運動發電等。

▲ 柔性奈米發電機透過腳部運動發電。(Source:Fang Yi / Science Advances)

▲ 奈米發生器透過皮膚與肌肉運動發電。(Source:新加坡國立大學)

最近,復旦大學的研究團隊又解鎖了一項「生物供電」的新技能,那就是依靠血液來發電。他們將直徑為 0.8 毫米的纖維植入人的血管中,然後從流動的血液中獲取能量。

▲ 奈米碳管纖維植入血管中發電。(Source:復旦大學 Wiley)

為了製造這種纖維,研究人員採用了兩種方法,一是用有序排列的奈米碳管來包裹塑料纖維,二是簡單地扭轉奈米碳管片,使其保持紗線狀。

研究人員稱他們的系統為迷你版的水力發電,不過兩者的原理不同。當奈米碳管纖維與鹽溶液接觸時,浸沒的奈米碳管和溶液之間將會形成雙電層,奈米碳管表面帶負電荷,溶液的薄層帶正電荷。當溶液流動時,溶液裡的負離子和從奈米碳管中取出的電子將試圖平衡雙電層,於是流體的前部有了更多電荷,導致纖維兩端形成電位差,產生了電壓和電流。不過這一方法也沒有取得太大的成功。

其他團隊則製造了基於奈米碳管的紗線,它在被扭曲和拉伸時也可以產生電能,大致原理是當奈米碳管內插入纖維,然後管的兩端連接一根銅線並使鹽溶液流過它。結果顯示這種方法的發電效率超過了23%。研究人員說,這一數字比媒體之前報導的纖維狀的能量採集裝置還要高,而且纖維越長,流動液越快,鹽濃度越高,輸出電的效率就越高。

一個長約 30 厘米的裝置能夠產生 0.04 毫瓦的功率,這可能足夠為非常小的感測器和植入體供電了。為了證明其在體內的應用效果,研究人員將 3 根 10 厘米長的纖維連接到青蛙的坐骨神經,發現當纖維浸入流動的鹽溶液中時,青蛙會產生輕微的肌肉收縮。

這種纖維未來也可以編織成紡織品以製造能發電的衣服,研究人員補充說。

實際上,生物有機體是一個潛在的能量場,我們的身體裡有著以各種形式存在的能量,只不過其中的大多數能量需要經過一些操作才能用來為電子裝置供電。

美國麻薩諸塞州的研究人員在 2012 年就成功開發了一款「能量採集晶片」,旨在直接從人的內耳電位(EP)中提取電能。

中美研究團隊 2013 年發明了一種依靠運動動能發電的壓電纖維,志願者穿上由該材料製成的鞋墊走路時,所產生的電力足夠點亮 30 個 LED 燈。而且,志願者穿著帶這一織物的襯衫步行幾個小時就能充飽一塊鋰離子電池的電力。

2014 年,美國的研究人員透過將超薄的壓電材料附著到器官上,成功地從牛和綿羊(打了鎮定劑之後)跳動的心臟、肺和隔膜中獲得了動能並轉化為電力。

此外,我們體內的再生能源還包括汗液、體溫、眼淚等。

2014 年,來自加州聖地亞哥的一個研究團隊將酶催化燃料電池(EFC)納入了可穿戴紡織汗水帶。志願者在騎自行車時戴著它,出的汗夠讓一個 LED 燈或一個電子錶運行幾十秒。

來自澳洲和中國的研究人員在 2015 年首次成功開發了能將熱能轉化為電能的新型材料。它雖然沒被整合到服裝中,但在加熱室試驗期間,該材料能夠透過身體溫度的升高來產生電流。

乍看起來,眼淚似乎是比汗水更不可靠的燃料來源,但是它也充滿了能量。眼淚中含有葡萄糖、乳酸鹽和抗壞血酸鹽等物質,其中任何一種都可以為 EFC 電池提供動力。2015 年 7 月,猶他州的研究人員開發出了首款集成 EFC 的隱形眼鏡,能把人們的眼淚轉化為電力。

▲ 整合 EFC 的隱形眼鏡。

雖然生物動力燃料電池是目前受到學界和業界追捧的新興技術,但是目前發明出的裝置能夠產生的電力還比較有限,而且諸如血液供電這類帶有侵入性的獲取體內化學能量的方式,也存在著許多風險。未來的生物供電究竟還有哪些可能性,我們拭目以待。

(本文由 36Kr 授權轉載;首圖來源:shutterstock)