未來你的身體就是一塊移動電源

下一代的電子設(shè)備可能不僅僅是貼近我們的身體那么簡單，它們可以通過人體來供電。科技一直與人體密切相關(guān)。從削尖的燧石到智能手機(jī)，我們承載著數(shù)千年的發(fā)展文化。但這種人與科技的關(guān)系即將進(jìn)一步縮小——下一代的電子設(shè)備可能不僅僅是貼近我們的身體那么簡單，它們可以通過人體來供電。

人活著其實很耗費能量。為了讓我們保持活力，我們的身體每天需要消耗2000至2500卡路里的熱量，這已經(jīng)足以驅(qū)動一個適度使用的智能手機(jī)了。因此，如果這部分能量的一小部分可以被虹吸，我們的身體在理論上可以為大部分的電子設(shè)備——從醫(yī)學(xué)植入物到電子隱形眼鏡——供電而不需要任何一個蓄電池。最近，研究人員已經(jīng)朝著這個方向——解開這個電位奧秘，邁出了重要的一步。

尚未挖掘的潛力

首先要說的是，在我們的身體中有著以各種形式存在的能量。其中的大多數(shù)能量只需要一些操作，就可以使用它們?yōu)殡娮釉O(shè)備供電。但并非所有的能量都可以。生物有機(jī)體是一個導(dǎo)電性的容積導(dǎo)體。當(dāng)一些細(xì)胞或組織上發(fā)生電變化時，將在這容積導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場。因此在電場的不同部位中可引導(dǎo)出電場的電位變化，而且其大小與波形各不相同。

例如，哺乳動物的耳朵內(nèi)就含有一個被稱為“電位”(endocochlear potential，簡稱EP)的微小的電壓。所謂電位(EP)在本文中所指的就是：動物的細(xì)胞或組織，尤其是神經(jīng)與肌肉，受刺激時所發(fā)生的電變化。人們在很久以前就在耳蝸內(nèi)發(fā)現(xiàn)——在內(nèi)耳有一個螺旋形腔，人體在這個局部通過將壓力波轉(zhuǎn)換成電脈沖來獲得聽覺(在刺激較強接近引起興奮沖動閾值的情況下，陰極的電位變化大于陽極，出現(xiàn)應(yīng)激性反應(yīng))，產(chǎn)生局部電位(這種電位變化僅局限在刺激區(qū)域及其鄰近部位，也就是內(nèi)耳處，并不向外傳布，故稱局部反應(yīng)，所發(fā)生的電位稱為局部電位)。這個EP是很難察覺到的，僅有十分之一伏，但在理論上功率已經(jīng)足夠為助聽器等聽覺輔助植入物供電了。

長期以來，由于內(nèi)耳的極端敏感性，獲取這種人體內(nèi)部的EP一直被認(rèn)為是不可想象的。但是如果是把堅實的手術(shù)實力和開拓的技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合的話呢？在美國馬薩諸塞州的研究人員就在2012年成功地做到這一點了。

該小組開發(fā)了一種“能量采集芯片”，這種芯片只有一個指甲的大小，其目的是直接從EP中提取電能。他們用豚鼠來測試芯片。研究人員把它植入到了豚鼠體內(nèi)，并最終成功產(chǎn)生了足夠的電力來驅(qū)動豚鼠內(nèi)耳中的無線電發(fā)射器。但是，由芯片產(chǎn)生的僅僅大約一納瓦的電量(十億分之一瓦)和電子植入物所需的電量相比還是太低了，無法為其供電。即使如此，產(chǎn)生了一納瓦的電量和之前相比也已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，這已經(jīng)足以證明這個理論是可以實現(xiàn)的。如果在未來，電源輸出原型可以被增強的話，內(nèi)耳的天然電位有朝一日肯定能夠被用于助聽器之中。如果再大膽一點的話，理論上它甚至可以允許植入物來輔助預(yù)防和治療疾病，比如美尼爾氏病。

然而，除了耳蝸以外，在我們的身體中能夠自由流動的電能是相對罕見的(幸運的話也許還能夠發(fā)現(xiàn))。大多數(shù)生物能源被鎖定為其他的形式。當(dāng)然，循環(huán)利用也是一種釋放它的好方法。

運動

我們每天都會走路。我們身體中的能量除了需要為我們身體中的細(xì)胞提供外，大部分的能量都用于供給肌肉的運動、心臟的跳動以及人體的呼吸上(我相信你肯定會贊同這一觀點的，因為這些都是非常重要的事情)。自行車發(fā)電機(jī)或發(fā)條手電筒這兩個發(fā)明，都是在將這一動能轉(zhuǎn)化為電能。似乎目前也沒有什么類似的新的想法了，但其實事情已經(jīng)在慢慢變得更加復(fù)雜了。

在過去的幾年中，研究人員已經(jīng)開始開發(fā)一些材料——其中的原理被稱為壓電性——能夠從人體運動中產(chǎn)生電力。壓電材料自發(fā)地產(chǎn)生電荷時，會接觸到應(yīng)力(希臘文壓電意味著擠壓或按)。這些材料已經(jīng)被用于無數(shù)的工業(yè)應(yīng)用之中，甚至是不起眼的點煙器(在“點擊”時，你所聽到的那種類似電子的聲音其實就是壓電晶體被擊中的聲音)。而如今，他們的下一個應(yīng)用領(lǐng)域可能就是開發(fā)出能夠產(chǎn)生能量的面料。

其中最先進(jìn)的當(dāng)屬在2013年由中美合作研究團(tuán)隊發(fā)明的一種合成橡膠基壓電纖維，這一材料僅需使用人類運動所產(chǎn)生的動能就能夠產(chǎn)生電能。當(dāng)志愿者穿上一塊這種面料制成的鞋墊走路時，所產(chǎn)生的電力足夠點亮30個LED。更令人興奮的是，當(dāng)把這一織物貼在襯衫上后走路，產(chǎn)生的電量甚至能夠為鋰離子電池充電一個小時！

壓電材料的潛力越挖掘越寬廣。這些材料也被用于從內(nèi)部器官獲取能量。去年，美國成功從被打過鎮(zhèn)定劑的牛、羊體內(nèi)的心臟的跳動和肺部的收縮擴(kuò)張等動作獲得了動能并成功將其轉(zhuǎn)化為電量，這全要感謝隔膜電——研究人員在體內(nèi)器官附加了超薄的壓電材料。令人印象深刻的是，植入的織物功率約為一微瓦(百萬分之一瓦)，這個功率大體上已經(jīng)能夠達(dá)到運行一個心臟起搏器所需的電量了。

熱量

如果你沒有太多的精力去走路，并且不喜歡有東西包裹在你的器官上的話，也不用擔(dān)心，你身上充沛的熱氣也能夠發(fā)電！現(xiàn)在智能面料正在被開發(fā)中，其中納入的“熱電”材料能夠通過熱差生成電荷。今年，來自澳大利亞和中國的研究人員首次成功合成了能夠把熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型布料。它并沒有被集成到衣服上，但在加熱室試驗期間，該材料能夠通過身體的溫度來產(chǎn)生電流。它只產(chǎn)生了大約一納瓦的電量，而這雖然沒有壓電面料那么多，但已經(jīng)能夠和EP收集芯片匹敵了，它是世界上首例把熱能轉(zhuǎn)換為電能的材料，這種熱電面料絕對有著很大的發(fā)展空間。

我們的身體內(nèi)的再生能源可以為電子器件提供電力這我們已經(jīng)知道了。但是，我們的皮膚下其實有著更豐富的能源來源，具有著更大的開發(fā)潛力。甚至可以說是這是一種天賜的化學(xué)燃料。。。

血液

為了正常工作，我們的細(xì)胞需要化學(xué)能量的持續(xù)供應(yīng)。因此，我們體內(nèi)都充滿了它。研究人員最近正在研究這種說神秘其實也不神秘的化學(xué)能量源，對于這種內(nèi)部燃料供給的研究可能很快就會出成果，這種化學(xué)能量的轉(zhuǎn)換很快將不再僅僅作為新陳代謝的一種方式而存在了。

其實可能在研究探索路上最大的一步已經(jīng)邁出去了——在過去的幾十年中，基于酶的生物燃料電池(EFCS)已經(jīng)被研究了出來。由電池供電的電子設(shè)備可通過這種電池在發(fā)電體液中分解能源豐富的化學(xué)成分來獲得電量。EFCS的技術(shù)已經(jīng)被發(fā)明出來有十多年了，而在最近的五年中，研究人員已經(jīng)開始著手在活物上對它們進(jìn)行實驗測試。

當(dāng)談及能源豐富的體液時，血液似乎是毋庸置疑的王者。血漿——血液的液體成分，含有能夠不斷泛溶解的葡萄糖——這也是我們的細(xì)胞獲取能量的主要來源。在2010年人們第一次發(fā)現(xiàn)EFC能夠從生物的血液中獲取能量。當(dāng)時，法國的開發(fā)人員將一種設(shè)備植入了一個活的老鼠體內(nèi)，這個設(shè)備在老鼠腹部成功運行了11天，而且這只老鼠看起來并沒有任何不適感。在此期間，它不間斷地產(chǎn)生了大約兩微瓦的功率，而這個功率在理論上講，已經(jīng)足以給心臟起搏器供電了。

到了2012年，一個更強大的葡萄糖EFC被發(fā)明了出來。另一個法國團(tuán)隊(包括從2010年的一直努力過來的研究人員)對其做了一些改進(jìn)——研發(fā)出了基于碳納米管的EFC。當(dāng)這種設(shè)備植入老鼠的腹部后，能夠產(chǎn)生約40微瓦的功率，而這足以能夠為LED燈和數(shù)字溫度計供電了。

血糖供電EFCS尚未在人體中進(jìn)行過測試。但基于它們已經(jīng)在動物中試驗成功(除了老鼠，EFCS也已經(jīng)證明能夠在兔、龍蝦和蟑螂體內(nèi)正常工作)，這些能夠自我供給的燃料電池肯定能夠在未來用于醫(yī)療植入物中而無需再動用傳統(tǒng)電池，也更無需動冒著風(fēng)險動手術(shù)來更換電池了。

雖然這一項目有著諸多潛在的優(yōu)點，但是利用血液發(fā)電仍然有一個嚴(yán)肅的問題——那就是你還是需要開刀動手術(shù)。為了保證EFC能夠在血液中正常運作，將需要多次植入該設(shè)備。一次性外科植入或許一些患者還可以接受，但如果像這樣這樣需要多次植入的話恐怕會造成患者的恐懼心理。而且這種設(shè)備本身也具有危險性和不便性，于是尋找一個只需較少侵入性就能獲得在體內(nèi)的化學(xué)能量的方式便又一次被提上案來。值得慶幸的是，我們已經(jīng)能夠看到一些希望了。

汗液

挖掘體內(nèi)的化學(xué)燃料而又不會用到手術(shù)刀的方式之一就是通過我們的毛孔。人體汗液中含有豐富的被稱為乳酸化合物的物質(zhì)，它也可用于使EFCS發(fā)電，能夠作為替換它們的葡萄糖的燃料。研究人員已經(jīng)能夠測試人體排汗供電EFCS的效果(出汗多的話反而會更容易進(jìn)入)，而最終的結(jié)果也著實令人欣慰。

第一個能夠從汗液發(fā)電的裝置在2013年被來自于加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)明出來。它采取粘合貼劑的形式，很像一個臨時的轉(zhuǎn)印紋身，這個裝置內(nèi)部嵌入了乳酸清除EFC。為了測試這一項目，一組志愿者把這種裝置穿在他們的手臂上，并開始劇烈運動20分鐘。當(dāng)受試者開始出汗，燃料電池也開始產(chǎn)生電流。由于汗液所產(chǎn)生的電流并不穩(wěn)定，所以無法保證電力電子器件的正常運行，但是這已經(jīng)足夠清楚地證明了這項技術(shù)的潛力。

一年后，強有力的證據(jù)終于出現(xiàn)了，另一批來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員想出了一個方法——把EFC納入耐磨的紡織汗帶。志愿者穿著它騎上自行車進(jìn)行鍛煉，騎車人的汗水成功通過該設(shè)備讓燃料電池發(fā)電。此時，汗液產(chǎn)生了足夠的電力來同時運行兩個電子裝置——LED燈和數(shù)字手表——運行了幾十秒鐘。

可能還需要一段時間，汗水供電的EFCS才可以運行像智能手表之類的電子產(chǎn)品，但這項技術(shù)已經(jīng)在近幾年迅速發(fā)展?，F(xiàn)在我們有充分的理由可以認(rèn)為，我們不太喜歡的汗液將很快能被善加利用。

和血液發(fā)電相比，用汗作為電源有一個明顯的缺陷：大多數(shù)人并不會出非常多的汗，也不會非常頻繁的出汗。而智能頭帶則可以成為一個偉大的方式——在鍛煉過程中為你的手表進(jìn)行充電。但對于我們的皮膚外的化學(xué)能量來源，科學(xué)家們需要特別處理。幸運的是，還有另一種富含能量的體液，而且還能是全天候的。所有你需要做的就是閉上眼睛。

眼淚

乍一看，眼淚似乎是比汗更不可靠的能量來源。但是，不管我們的情緒狀態(tài)如何，我們總是會有眼淚在眼球上的。每個人都有為了保持角膜的濕潤狀態(tài)而流出的“基底”眼淚(而不是當(dāng)我們哭泣時嘩嘩往下流的那種眼淚)的薄膜。眼淚大多是用來潤滑和滋潤眼睛的，但它們也充滿了能量。除了其他化學(xué)物質(zhì)外，基底眼淚還含有葡萄糖、乳酸鹽和抗壞血酸(這是一種化合物，類似于維生素C)等成分，單拿出來其中的任何一個成分都能作為EFCS的很好的燃料來源。

用眼淚發(fā)電這一技術(shù)的一個優(yōu)點就是不用再費勁想拿什么來容納這一裝置了，因為現(xiàn)在就已經(jīng)存在著一個完美的搭載設(shè)備：隱形眼鏡。如果一個自給型燃料電池可以集成到隱形眼鏡中的話，這個潛在的技術(shù)的應(yīng)用簡直可以說是科技界的大革命。這樣的設(shè)備可以通過分析眼淚的化學(xué)成分來監(jiān)測人們的生命體征，同時還能進(jìn)行動態(tài)的視力矯正——感知到眼睛所處的不同位置而改變眼睛正在接觸的透鏡部分的焦距，甚至直接顯示出動態(tài)信息，就像Google Glass那樣。

”所有這些應(yīng)用都可以改變?nèi)藗兊纳?。但是，這真正激發(fā)起了人們的想象力。除了游戲玩家，我正在設(shè)想如何使用VR隱形眼鏡來對軍事人員進(jìn)行培訓(xùn)?！?/p>

——Russ Reid，鹽湖城猶他州大學(xué)生物工程研究人員

這樣的情景簡直就像是在科幻小說里一樣，但Reid和他的同事們正在一步一步地把它們轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。在今年七月，猶他州的研究人員有史以來第一次開發(fā)出了集成有EFC的隱形眼鏡，能夠把人的眼淚轉(zhuǎn)化為電力。

他們的實驗原型，在去年首次被報道，是由彈性體鏡片纏繞其周邊兩個薄的碳纖維電極構(gòu)成的，這使得鏡頭的視野變得更加開闊。雖然它尚未在人體上測試過，但Reid和同事已經(jīng)嘗試過把這個隱形眼鏡沐浴在合成淚液中，而它也成功在三個小時內(nèi)保持了超過一微瓦的輸出功率。

該設(shè)備比目前的血液或汗液驅(qū)動的EFCS更拙計。其目前的電輸出僅足以使LED閃光燈間歇性的點亮，并不足以供應(yīng)如葡萄糖傳感器等的電子設(shè)備，所以其性能必須還要進(jìn)一步提高。盡管存在這些問題，猶他州團(tuán)隊的實驗已經(jīng)表明了，眼淚為隱性眼鏡供電在實踐中是可行的。他們計劃在今年晚些時候在兔子上進(jìn)行實驗。

雖然我們看到了聽到了這些許諾，然而生物動力燃料電池仍然是一個新興的技術(shù)，具有著不確定性。即使是最復(fù)雜的設(shè)備也只有幾個月的操作壽命。為了使EFCS成為一個可行的替代電池，研究人員必須克服許多障礙，例如，設(shè)法防止設(shè)備內(nèi)酶的自然降解(這對于EFCS是一個嚴(yán)重的問題)，并提高其電極的耐腐蝕性。

因此，這些技術(shù)可能仍然需要一段較長時間完善后，才能夠成為我們身體的小幫手，例如幫助我們調(diào)節(jié)心律或者作為醫(yī)療助聽器等。Evgeny Katz，紐約克拉克森大學(xué)生物技術(shù)教授表示，他設(shè)想未來EFCS或?qū)⒆罱K為假肢或其他“生物計算機(jī)系統(tǒng)”供電。