編者按：大多數(shù)可穿戴和可植入設(shè)備的一個(gè)主要缺點(diǎn)仍然是它們的電池，其有限的容量限制了它們的長(zhǎng)期使用?！洞笪餮笤驴钒l(fā)表了一篇文章，介紹了科學(xué)家正在嘗試解決這個(gè)缺點(diǎn)的各種方法。包括壓電、摩擦電、生物電等，但思路都一樣，讓設(shè)備從宿主體內(nèi)獲取能量。

　　壓電揚(yáng)聲器。

　　在《ISingtheBodyElectric》中，詩(shī)人沃爾特·惠特曼(WaltWhitman)抒發(fā)了美麗、好奇、呼吸、歡笑的肉體的行動(dòng)和力量。150多年后，麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家、工程師卡納·達(dá)德維倫（CananDagdeviren）和她的同事們給惠特曼的詩(shī)賦予了新的意義，他們發(fā)明了一種設(shè)備，可以通過(guò)對(duì)心臟跳動(dòng)的反應(yīng)而扭曲發(fā)電。

　　電子技術(shù)如今非常強(qiáng)大，一部智能手機(jī)的計(jì)算能力超過(guò)了NASA在1969年把第一批人送上月球時(shí)所擁有的計(jì)算能力。隨著時(shí)間的推移，技術(shù)取得了非凡的進(jìn)步，人們希望戴在身上甚至植入體內(nèi)的裝置也能變得越來(lái)越強(qiáng)大。

　　大多數(shù)可穿戴和可植入設(shè)備的一個(gè)主要缺點(diǎn)仍然是它們的電池，其有限的容量限制了它們的長(zhǎng)期使用。當(dāng)心臟起搏器電量耗盡時(shí)，你最不想做的事情就是為了替換電池而給一個(gè)病人做手術(shù)。解決這一問(wèn)題的辦法可能在人體內(nèi)部——因?yàn)樗谀芰?、化學(xué)、熱和機(jī)械方面都很豐富。這促使科學(xué)家們研究了多種方法，讓設(shè)備從宿主體內(nèi)獲取能量，達(dá)德維倫和她的同事在2017年《生物醫(yī)學(xué)工程年度評(píng)論》中對(duì)此做了詳細(xì)介紹。

　　例如，人在呼吸時(shí)作出的風(fēng)箱狀運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生0.83瓦的能量；來(lái)自人體的熱量，高達(dá)4.8瓦；一個(gè)人手臂的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的能量，最高達(dá)60瓦。如果你考慮到起搏器只需要五千萬(wàn)分之一瓦特就能維持七年，助聽器需要千分之一瓦特就能維持五天，智能手機(jī)需要一瓦特就能維持五小時(shí)的時(shí)候，這并不是沒有意義的。

　　現(xiàn)在，達(dá)德維倫和其他人正在設(shè)計(jì)使用人體本身作為能量來(lái)源的機(jī)器。越來(lái)越多的研究人員在動(dòng)物模型和人體中測(cè)試這種可穿戴或可植入的設(shè)備。

　　一種能量收集策略涉及將能量從振動(dòng)、壓力和其它機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電能。這種方法產(chǎn)生所謂的壓電效應(yīng)，通常用于揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。

　　一種常用的壓電材料是鋯鈦酸鉛，它的鉛含量引起人們的擔(dān)憂，它可能對(duì)人體毒性太大。但想讓鉛從結(jié)構(gòu)中分解出來(lái)，就必須將它們加熱到700攝氏度以上的溫度，達(dá)德維倫說(shuō)。你體內(nèi)永遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的溫度。

　　為了利用壓電效應(yīng)，達(dá)德維倫和她的同事們開發(fā)了一種扁平的設(shè)備，可以粘貼在心臟、肺和膈肌等器官和肌肉上。這些裝置是機(jī)械不可見的，因?yàn)樗鼈兊臋C(jī)械性能與它們被疊層的物質(zhì)相似，所以它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)阻礙這些組織。

　　到目前為止，這種設(shè)備已經(jīng)在牛、羊和豬身上進(jìn)行了測(cè)試，所有動(dòng)物的心臟都與人的心臟大致相同。當(dāng)這些裝置機(jī)械地扭曲時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電荷、電壓和電流——你可以收集這些能量來(lái)給電池充電，達(dá)德維倫解釋說(shuō)。你可以用它們來(lái)運(yùn)行像心臟起搏器這樣的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，而不是在電池耗盡時(shí)每六七年更換一次。

　　科學(xué)家還在開發(fā)可穿戴的壓電能量采集器，這種采集器可以用在膝蓋或肘部等關(guān)節(jié)上，也可以附在鞋子、褲子或內(nèi)衣上。這樣，一個(gè)人可以在走路或彎曲手臂時(shí)為電子設(shè)備發(fā)電。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)壓電設(shè)備時(shí)，人們可能會(huì)反直覺地不想使用最擅長(zhǎng)發(fā)電的材料。例如，你可能只想要一種只有2%或更低效率的材料，而不是選擇一種能將5%的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的材料、如果它轉(zhuǎn)換得更多，它可能會(huì)給身體增加更多的負(fù)荷，你不希望它使你疲勞，達(dá)德維倫說(shuō)。

　　一種不同的能量收集方法是使用熱電材料將身體熱量轉(zhuǎn)換成電能。你的心跳每年超過(guò)4000萬(wàn)次，達(dá)德維倫說(shuō)。所有這些能量都以熱量的形式在體內(nèi)散發(fā)出來(lái)——這是一個(gè)豐富的潛在能量來(lái)源，可以用于其他用途。

　　熱電發(fā)電機(jī)確實(shí)面臨著一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。它們依賴于溫差，但是人們的身體通常保持著相當(dāng)恒定的溫度，所以其產(chǎn)生的溫差通常不足以產(chǎn)生大量的電。但是，如果在身體保持恒定溫度的時(shí)候，設(shè)備還暴露于相對(duì)冷的空氣中，這就不成問(wèn)題了。

　　科學(xué)家們正在探索用于可穿戴設(shè)備的熱電裝置，例如為手表供電。原則上，來(lái)自人體的熱量可以產(chǎn)生足夠的電力，為無(wú)線健康監(jiān)測(cè)器、耳蝸植入器和深腦刺激器提供能量，以治療帕金森氏病等疾病。

　　科學(xué)家們還試圖利用日常靜電背后的效應(yīng)為設(shè)備供電。當(dāng)兩種不同的材料相互反復(fù)碰撞或摩擦?xí)r，一種材料的表面會(huì)從另一種材料的表面竊取電子，積累電荷，這種現(xiàn)象稱為摩擦電。摩擦電的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是，幾乎所有的材料，無(wú)論是天然的還是合成的，都能夠創(chuàng)造它，給研究人員提供了設(shè)計(jì)設(shè)備的各種可能性。

　　我對(duì)摩擦電的研究越多，它就越令人興奮，它的應(yīng)用也就越多，該報(bào)告的合著者、佐治亞理工大學(xué)的納米技術(shù)專家王中林說(shuō)。我可以看到自己在接下來(lái)的20年里，一直致力于此。

　　摩擦電裝置的表面不同，它們能產(chǎn)生的電的量有也會(huì)不同，因此科學(xué)家正在試驗(yàn)各種形式和結(jié)構(gòu)。研究人員已經(jīng)制造出類似于微觀城市街區(qū)的立方體網(wǎng)格、類似于竹林的納米線場(chǎng)以及類似于吉薩金字塔的陣列。王中林說(shuō)，這些材料不僅看起來(lái)很漂亮，而且很有效果，用金字塔覆蓋一個(gè)表面，與平板相比，可以增加5倍的發(fā)電量。

　　心臟起搏器、心臟監(jiān)視器和其他由呼吸和心跳摩擦供電的可植入設(shè)備已經(jīng)在老鼠、兔子和豬身上進(jìn)行了測(cè)試。我們也在觀察摩擦電是否可以在體內(nèi)用于刺激細(xì)胞生長(zhǎng)和促進(jìn)傷口愈合，王中林說(shuō)。此外，我們已經(jīng)開始進(jìn)行摩擦電刺激神經(jīng)的實(shí)驗(yàn)，看看我們能否對(duì)神經(jīng)科學(xué)做出貢獻(xiàn)。

　　王中林和他的同事還設(shè)計(jì)了摩擦電驅(qū)動(dòng)的可穿戴設(shè)備。例如，他他們制造了一種可以為含有鋰離子電池的柔性帶充電的摩擦電布。這可以為可穿戴式心跳儀供電，該儀器使用藍(lán)牙技術(shù)將其數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)。人類日常運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能可以通過(guò)我們的布轉(zhuǎn)換成電能，王中林說(shuō)。

　　另一種策略依賴于被稱為生物燃料電池的設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)酶與體內(nèi)的燃料分子(例如血液中的葡萄糖)之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)發(fā)電，或者通過(guò)從體內(nèi)釋放的燃料分子(例如汗液中分泌的乳酸鹽)來(lái)發(fā)電。例如，來(lái)自真菌Phanerochaetesordida的酶纖維二糖脫氫酶可以分解糖并在粘附到只有納米(十億分之一米)寬的碳管上時(shí)產(chǎn)生電流。

　　酶的選擇可能會(huì)很棘手。例如，幾組科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖氧化酶可以在植入實(shí)驗(yàn)室大鼠體內(nèi)的生物燃料電池中產(chǎn)生電能，但這種酶也產(chǎn)生過(guò)氧化氫，一種常見的漂白劑。這可能會(huì)降低的性能，并從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這也對(duì)身體有害。

　　碳納米管的掃描電子顯微照片，用于從人體產(chǎn)生電能的實(shí)驗(yàn)生物燃料電池中。管子上覆蓋有處理天然燃料的酶，如汗液中的乳酸鹽或血液中的葡萄糖。它們是電活性的，并為酶的沉積提供了廣闊的表面積，允許從給定體積產(chǎn)生更多的電。

　　法國(guó)科學(xué)家已經(jīng)研制出一種生物燃料電池，這種電池是用涂有酶的碳納米管制成的，體積大約只有半茶匙，植入老鼠體內(nèi)后，它可以從血糖中產(chǎn)生足夠的電能，為L(zhǎng)ED或數(shù)字溫度計(jì)供電。實(shí)驗(yàn)還表明，編織在頭飾帶和腕帶等服裝上的生物燃料電池可以很容易地通過(guò)與乳酸汗液的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生足夠的電能，為手表提供動(dòng)力。

　　據(jù)達(dá)德維倫所知，這些設(shè)備目前還沒有上市。但她預(yù)計(jì)，它們上市銷售可能還不到10年。將來(lái)，能量收集設(shè)備可能會(huì)變得更適合身體。達(dá)德維倫和她的同事們甚至正在研究他們?cè)O(shè)備的可溶解版本。

　　想象一下，她說(shuō)，把一個(gè)設(shè)備插入你的身體，在它工作一段時(shí)間后，它會(huì)分解到你體液中的分子水平。你不需要剖你的胸部就可以取出來(lái)：我們可以使用可生物降解的材料，比如絲綢和氧化鋅，它們可以隨著時(shí)間的推移而分解。