人体内能量相当1000节AA电池 可用于发电

http://www.sina.com.cn 2008年01月03日 13:24  科技日报

  心脏起搏器、植入式耳蜗、血糖监测仪……医学的进步使得人类健康越来越依赖于各种电子设备。科学家还在尝试多种可植入电子设备的研制和开发,比如大脑刺激器,有的能够阻断饥饿信号,具有减肥功能;有的可治疗帕金森氏症或者慢性疼痛。另外还有一些传感器,可用于检测癌症或心脏病发作时肌体发出的警告信号。不过,所有这些植入式设备都有一个缺陷:虽然它们的输出功率都很小,大约不过10微瓦或者几毫瓦,但是一旦电量耗尽,周期性地更换电池不仅麻烦而且也相当不现实。比如,心脏病人不得不每隔几年就得重新接受一次手术更换起搏器电池,每次费用多达2万美元。

  为此,研究人员试图找到一种一劳永逸的方法,那就是利用人体内部能量来为这些医疗设备供电。这当然不是什么神秘的超自然力,而是将身体内部储存的化学能、身体释放出来的热能或者肌肉脉动产生的动能转化为电能。研究人员希望,未来的医疗设备可以良性“寄生”在人体内,在需要的时候从人体内部能量中“偷取”一点点来维持正常运转。

  人体内有“1000节AA电池”

  葡萄糖广泛存在于各种食物中,是新陈代谢不可缺少的营养物质,也是人体活动所需能量的重要来源。人体每天摄入的食物所产生的能量相当于1000节AA电池,因此对于植入式医疗设备而言,人体内的葡萄糖无疑是最充足的能量来源。

  2005年,日本东北大学教授西泽松彦领导的研究小组新开发出了一种利用血液中的糖分发电的燃料电池。电池的电极上涂有分解血液中葡萄糖的酶,葡萄糖分解后,电子在电池两极之间移动,从而产生电流。利用人民币1分硬币大小的电极,研究人员得到了相当于0.2毫瓦的电量。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置或者心脏起搏器提供充足电量。

  到目前为止,大部分在实验室中研制出来的植入式生物燃料电池都是使用酶作为催化剂,加快反应过程,同时也产生更多电能。这种电池的缺点在于,酶往往在几个小时后就会自动分解,从而严重影响电池的使用寿命。为此,研究人员也尝试采用从温泉细菌中提取的更为持久的酶来进行催化。美国密苏里州圣路易斯大学的电化学专家甚至将酶装进薄膜“口袋”中,但是在“外衣”的保护下,酶的生命也仅延长到了两天,因此酶燃料电池走向实用还有待进一步改进和完善。

  玩的就是心跳

  2006年12月,英国工贸部宣布启动一项开发体内微型发电机的计划,投资额高达百万英镑。该项目的设计工作大部分由南安普敦大学附属的一家公司负责。该公司已经研制出了一套原型,大小约是预期装置的5倍,并已在实验室中开始测试。公司首席执行官罗伊•弗里兰表示,他们分别从心跳以及肢体运动两个方面来研发这种利用人体动能发电的装置,但出于商业考虑,他不肯透露有关发电机工作原理的具体细节。

  这个研究项目的带头人、英国桌联(Zarlink)半导体公司商业开发部经理马丁•麦克休说,他们的最终目标是制造一个直径6毫米、长20或30毫米的发电设备,大小与烟头相当,输出功率达到100微瓦—150微瓦,可以驱动心脏起搏器或者生物传感器,并希望这样的装置能够在5年内上市销售。

  另一种将动能转化为电能的方法是利用压电效应。压电敏感元件受到外力作用时就会产生电流,但由于材料的脆弱性以及输出功率有限,其开发前景并不被看好。

  不过,美国佐治亚理工学院的研究人员在这方面仍取得了一定的突破,并于2007年4月公布了他们研制出纳米发电机的消息。发电机的基座上垂直密布着无数根直径只有40纳米的氧化锌电线,电线顶端覆盖着一块导电板,即使向导电板施加很小的压力,氧化锌电线也很容易发生弯曲,从而产生电流。

  研究小组负责人王中林表示,氧化锌导线长短不一,只有不到1%%的导线能够接触到导电板并参与发电。到目前为止,这款纳米发电机的输出电量只能达到几皮瓦(1皮瓦=百亿分之一瓦),随着制作工艺的改进,其效率还将大幅提高。他相信,在两到3年内,他们就能够开发出具有实用价值的发电设备。他希望将来能够借助人体血管搏动或者肌肉运动产生的微小压力来形成电流,甚至还可以将这种纳米级的发电机植入胸腔,在不与心脏器官接触的情况下,将心跳产生的动能转化为电能。

  皮肤温差也能发电

  人体能量会以热的形式大量散失,即使只是坐着阅读一篇文章,散失的热量也有100瓦,运动越激烈,热量散失也就越多。其中部分热能———确切来说,就是皮肤与空气的温差,或者身体不同部位的温差———可以使电子移动起来,由此产生电流。日本精工手表公司就曾研制出一款不需要电池的手表,依靠从手腕皮肤吸收几微瓦热量自行运转,但其外形笨重、价格昂贵,再加上人体周身皮肤温差只能产生很小的电压,输出功率难以达到实际应用水平,因此精工公司至今也没有将这款手表投入商业生产。

  美国加州的热力生命能量公司主要生产工业用温差发电系统。该公司目前也在研制能够在只有几摄氏度温差环境下工作的发电机,这与人体皮肤温差原理大致相当。公司首席技术官英葛•斯塔克说,将1000台这样的发电机组合在一起,就能够提高能量输出。该公司已经研制成功的原型系统可以在5摄氏度温差条件下发电100微瓦,足以驱动一个心脏起搏器或者生物传感器。

  美国北卡三角州国际研究院采用纳米材料制成1立方厘米大小的发电装置,可以在0.9摄氏度温差范围内,输出144微瓦电量,考虑到能量损失,最终输出电量也达到了67微瓦,足以维持心脏起搏器正常工作。由于使用了热电半导体薄膜,这种装置还有进一步小型化的潜力。当然,如何在提高设备耐用性、可靠性的同时降低成本,仍然是研究人员亟待解决的课题。研究小组负责人拉玛•文卡塔苏布拉曼尼安相信,如果成本可以大幅下降,利用这种薄膜技术最终可以研制成输出功率足以满足手机或者iPod播放器需要的热电贴片。他说,人体大约有20%%—30%%的热量是从手掌和颈部散失的,如果贴片的大小可以覆盖手掌或颈部面积的1/10,并将所散失热量的1%%转化为电能,这块贴片也能输出10毫瓦—20毫瓦电量,可以为充电电池补足3次电力。

  目前,科学家已经开发出好几套人体内部能量提取系统原型。未来几年后,很多微型医疗设备可能就完全不再需要电池了。也许将来某一天,手机、MP3播放器等小型便携式电器也能够直接依靠人体“充电”,真正实现“即插即用”,甚至以我们的身体作为发电媒介,在握手的时候就能够通过彼此携带的微型电脑自动交换电子名片。(陈丹)

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