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莫斯科不相信眼泪

 
 
 

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用人体能量驱动微小装置  

2008-04-10 10:51:29|  分类: 装备科技H |  标签: |举报 |字号 订阅

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一些国家的科学家正在研究,如何利用人体内部的能量来驱动一些微小的电子装置。这里所说的能量不是指神秘的生命力,而是将人体自身储存的部分化学能转换成电能,或者从人体排出的废热以及运动的动能中获得能量。研究人员设想一种类似“寄生物”的小设备,它可以在对人体没有影响的情况下“窃取”到数十微瓦至数毫瓦的能量。目前,已经开发了一些能量收集系统的原型机,还有更多的装置正在研制过程中。在不久的将来,人们或许可以利用人体内部能量转化出的电能,驱动传感器或微型通信设备。

利用人体葡萄糖的燃料电池

人体内的葡萄糖是一个“巨大”的能量源。人每天摄入食物中所蕴含的能量相当于1000枚五号电池,将其中一小部分用于驱动微小装置不会给人体造成多大影响。技术人员正在开发生物燃料电池,该电池的一个电极剥离葡萄糖的电子,然后将电子传送给另一电极周围的氧气,以此形成电势驱动外部电路。葡萄糖和氧气都是人体供给的,燃料电池本身只需要两个电极以及用于提供电流的一对接头。葡萄糖生物燃料电池可以做得很小以放置在胸腔或肌肉组织内,还可以把电池附着于需要供电的装置。由于电极表面积的限制,产生的电流不可能太大。

在试验的可植入生物燃料电池中,大多在电池两极使用酶来催化反应,以产生更大的能量。但是酶的作用只能持续几小时或最多几天,之后输出功率会迅速减小。因此,酶燃料电池要想从实验室走向实际应用还需要技术上的飞跃。为了延长电池的使用寿命,一些研究人员试图利用耐用酶,这些耐用酶是从热泉区发现的微生物中提取出来的。另一个很有发展前景的方法是将酶锁定在电极表面膜样的容器中。密苏里州圣路易斯大学的电化学专家说:“这就像给酶穿上了紧身衣,酶被限制在容器中无法散开。”通过使用纳米结构的电极,酶的作用时间可达到两年。

实际上,开发比普通电池性能优越的可植入燃料电池一直面临重重困难,而普通电池正不断向小型化和高能化发展。德克萨斯州大学的一个研究团队正在开发一种无外壳的电池,该电池有一个锌阳极和一个氯化银阴极,每极都包覆有一层薄膜,可以锁住反应物,并把不需要的交叉反应物排斥在外。他们希望最终能制造出一个体积小于1厘立方米,可持续工作几天时间的电池,用来为一次性贴片式传感器供电。

利用人体动能发电

如果人体内的化学能利用起来有困难,那么是否可以利用人体动能呢?人体动能以多种形式存在,比如定期重复的呼吸和心跳,随意性的肢体运动,行走或弯曲手臂等。工程师已制造出可从振动中采集能量的实用装置,现在正在考虑如何把这种技术应用到人体。

2006年12月,英国工贸部宣布了一项涉及百万英镑的投资计划,政府和企业界各承担一半,目的是开发体内微型发电机。南安普敦大学支持的佩尔佩图姆公司承担了大量的设计工作,建造了一个比项目装置大5倍的模型,并已在实验室内开始测试。该公司主要关注两种系统,分别利用心跳和四肢运动产生的能量来发电。这种微型发电机很可能是利用移动体的惯性使电容器的极板相接近,或通过在磁场中移动导电线圈来产生电能。开发的最终目的是制造出一个直径6毫米、长20~30毫米,大小和香烟头差不多的装置,它可以产生100~150微瓦的电能,驱动生物传感器或心脏起搏器。这种发电机有望在5年内上市销售。

但是,为功耗更高的装置供电,这种惯性系统发电机就捉襟见肘了。据南安普敦大学欧盟振动能量采集项目负责人的估计,惯性发电机要产生10毫瓦的能量就需要一个20克的物体移动5厘米,而现实中根本无法在人体中植入如此之大的装置。另一种把动能转化为电能的方法是通过压电效应,通过压电材料的弯曲来产生电压。很多专家对利用压电材料来发电的前景并不乐观,他们认为压电材料很脆弱,而且产生的能量很低、输出功率有限。但还有一些人坚持压电方法的可行性。

2007年4月,乔治亚州理工大学王中林博士领导的一个团队,向人们描述了一个由大量的压电氧化锌纳米线组成的纳米发电机。在纳米线的顶端有一块导电板,当板子向下压时这些纳米线会弯曲,从而产生电流。这些纳米线非常细,直径仅为40纳米,所以很容易弯曲以形成较大的电流。纳米结构如此之小,只需要一个很小的力就可以使它变形到相当大的程度。到目前为止,王中林开发的发电机只实现了数皮瓦的电功率,但他有信心在两三年内制出实用的能量生成装置。他预想利用研制的材料组成一个薄构造,通过构造的弯曲从体液流动(如血液在血管中的流动)中采集能量。也可把这种构造植入胸腔,靠心脏的跳动来发电,而不必与心脏直接接触。

利用体热温差的热能发电

现在生物燃料电池和机械发电机还处在原型机阶段,但至少已有一种热电发电机被推出了。人的身体在无所事事时也会以100瓦特的速率损失热能,在干费力的体力劳动时损耗就更大了。这些热能(或更确切地说,是皮肤和空气的温差或身体上冷热部分的温差)的一部分可以用来产生电能。人们早在200年前就已知道了热电效应,现在很多工厂还在利用废热发电。但人体周围的细小温差只能产生很小的电压、功率输出很低,无法升级到可利用的水平。日本精工曾推出过由配戴者手腕和空气的温差提供运行能量的手表,但由于该手表体积大、价格高,早已停产了。

位于加利福尼亚河滨市的ThermoLife Energy公司主要制造利用工业废热的热力发电机,同时开发利用皮肤表面不同部分之间温差的温差发电机。后者的原型机通过串联1000个热偶发电器来提高功率输出,可从5℃的温差中获取约100微瓦的能量,足以驱动一个心脏起搏器或生物传感器。

其他的开发小组试图从更小的温差中生成更大的功率。北卡罗来纳州的三角洲国际研究院用纳米材料制成热电半导体薄膜,1厘平米的这种薄膜可以利用0.9℃的温差生成大约144微瓦的电能,这一温差在人体周围是非常容易获得的。该团队希望能从更小的温差中获得电能,而面临的困难是获得的电能电压太低,而要把低电压转化到可用的级别,功率会从144微瓦损失到67微瓦。当然,还要把这些装置做得更坚固、可靠并大大降低成本。

该团队测得,人的颈部和手掌部分差不多损失人体热量的10%~20%,可以从中得到10~20瓦的能量。如果把这些部分全部覆盖起来,人肯定感觉不舒服。但只要颈部和手掌的10%用贴片覆盖,而且这10%中有1%可以转化为电能,贴片就可以产生10~20毫瓦的功率,足以对一个可充电电池进行慢速充电。

今天节能手机所需要的电能已经比最初的手机少了许多。如果人体能量的收集率继续加大、电子装置的能量需求继续减少,在不久的将来,士兵携带的微小装置就可以用人体能量来满足供电需求,而无需再面对更换电池的烦恼了。

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