未来，科学家想用心跳给你的手机供电

目前，科学家们正在研究如何通过压电效应、热能转换、静电效应和化学反应将机械能、热能和化学能转化为电能，从而为可穿戴或可植入设备供电。在《我歌唱身体》，诗人沃尔特·惠特曼深情地讲述了“美丽、陌生、呼吸和大笑的肌肉”的“动作和力量”。

150多年后，麻省理工学院的材料科学家和工程师卡南·达吉维伦和她的同事们正在利用研究给惠特曼的诗歌赋予新的意义。他们正在研究一种可以通过跳动人们的心脏来发电的装置。

今天的电子产品如此强大，以至于智能手机的计算能力远远超过了1969年第一批宇航员被送上月球时美国宇航局载人设备的处理能力。随着时间的推移，技术的飞速发展使得人们期望越来越多的可穿戴设备或植入式设备。

大多数可穿戴设备和可植入设备的主要缺陷仍然是电池寿命。其有限的电池容量将限制设备的长期使用。当起搏器没电时，你所需要做的就是为病人的手术更换电池。这个问题的根本解决办法可能在于人体，因为人体所含的化学能、热能和机械能非常丰富。这使得科学家们反复研究设备如何从人体获取能量。

例如，一个人在呼吸时的运动可以产生0.83瓦的能量；人体在平静状态下的热量约为4.8瓦。一个人移动时手臂的能量高达60瓦。起搏器只需百万分之五瓦的能量就能工作七年，助听器只需千分之一瓦的能量就能工作五天，智能手机只需1瓦的能量就能正常工作五小时。

现在，dagviren和他的同事正在研究如何将人体本身作为设备的能源。研究人员已经开始在动物和人类身上测试这种可穿戴或可植入的设备。

能量收集策略之一是将振动、压力和其他机械应力转化为电能。这种方法可以产生所谓的压电，通常用于扬声器和麦克风。

一种常见的压电材料是锆钛酸铅，但它的高含铅量使人担心，因为铅对人体毒性太大。“但是如果铅要在结构上分解，它需要被加热到700摄氏度以上，”达胡润说。“你在人体内永远不会达到这样的温度，”达胡润说。

为了利用压电效应，杜威伦和她的同事开发了可以附着在心脏、肺和横膈膜等器官和肌肉上的扁平装置。这些装置是“机械上不可见的”，因为它们的机械特性与它们所处的环境相似，所以它们在运动时不会干扰这些组织的正常工作。

到目前为止，这些装置已经在牛、羊和猪身上进行了测试，因为这些动物的心脏大小与人类大致相同。“当这些设备被机械扭曲时，它们会产生正负电荷、电压和电流，这样它们就可以完全收集能量来给电池充电，”达胡润解释道。“你可以用它们来运行诸如心脏起搏器之类的生物医学设备，而不是在电池每六七年耗尽后进行外科手术更换。”

科学家们还在开发可穿戴的压电能量收集器，可以放在膝盖或肘部，或者放在鞋子、裤子或内衣里。这样，一个人可以在走路或弯腰时为电子产品发电。

当设计压电元件时，不需要具有最佳发电效果的材料，这似乎是违反直觉的。例如，科学家使用的材料可能只有2%或更低的转换效率，而不是选择能把5%的机械能转换成电能的材料。如果翻译得更多，“可以通过给身体增加更多的负荷来实现，但是用户肯定不想因此而感到疲劳，”dagviren说。

另一种能量收集方法是使用热电转换材料将身体热量转换成电能。“你的心脏一年跳动超过4000万次，”达胡润指出。所有这些能量都将转化为身体热能并被消耗掉——这正是一种可以被捕获的潜在资源。

人类热能发电确实面临一些重大问题。这种能量转换方法往往依赖于温差，但人体的体温往往保持在一个相当恒定的状态，所以人体内部的温差不足以产生大量的电能。然而，如果这些装置在收集体温时暴露在相对较冷的外部环境中，它们可以解决这个问题。

科学家们正在探索用于可穿戴设备的热能发电设备，比如手表。原则上，人体产生的热量可以产生足够的电能，为无线健康监测器、人工助听器和治疗帕金森病的大脑皮层刺激器提供电能。

此外，科学家还试图通过常见的静电效应为设备供电。当两种不同的材料反复碰撞或摩擦时，一种材料的表面会从另一种材料的表面捕获电子并积累电荷，这称为摩擦起电现象。摩擦起电的一个主要优点是几乎所有的材料，包括天然材料和合成材料，都能产生静电，这为研究人员设计各种小型工具提供了许多可能性。

“我对摩擦起电研究得越多，它就越令人兴奋，应用得越多，”相关论文的合著者、佐治亚理工学院纳米技术专家钟说。“我可以预见，在接下来的20年里，我将致力于这项研究。”

不同的材料通过摩擦产生不同的电量，所以科学家们正在尝试不同的材料。研究人员制作了类似于微观城市街区的立方体网格，类似于竹林的纳米线，以及类似于吉萨大金字塔的金字塔阵列。王说，这些材料不仅“看起来很漂亮”，而且用金字塔阵列覆盖表面，可以比平板增加五倍的发电量。

研究人员在老鼠、兔子和猪身上进行了实验。他们测试了起搏器、心脏监视器和其他由呼吸和心跳加速驱动的植入式设备。“我们也在研究摩擦起电是否可以用来刺激细胞生长和加速伤口愈合，”王说。“此外，我们已经开始对神经刺激进行摩擦起电实验，看看我们是否能对神经科学做出任何贡献。”

王和他的同事还设计了通过摩擦发电的可穿戴设备。例如，他们制造了摩擦电布，可以给装有锂离子电池的柔性腕带充电。这种设备可以通过蓝牙技术为可穿戴式心率仪提供能量，从而将其数据无线传输到智能手机。“人体每天运动产生的机械能可以通过我们的布料转化成电能，”王说。

另一种策略依赖于一种叫做生物燃料电池的装置，这种装置通过酶和体内能量储存分子(如血液中的葡萄糖)之间的化学反应来产生电能，即汗液中分泌的乳酸。例如，从真菌中提取的玻璃纸脱氢酶可以分解葡萄糖，并在纳米(十亿分之一米)碳管中发电。

酶的选择可能很棘手。例如，尽管许多科学家在研究中发现葡萄糖氧化酶可以在植入实验小鼠体内的生物燃料细胞中产生电能，但这种酶也会产生过氧化氢(一种常见的漂白剂成分)，这可能会降低设备的性能并对身体造成伤害。

在另一项研究中，扫描电子显微照片显示，用于实验生物燃料电池的碳纳米管可以从人体产生电能。这些试管涂有能够处理自然能量分子的酶，例如，可以与汗液中的乳酸盐或血液中的葡萄糖反应。该工具具有电活性，并为酶与能量的反应提供了大的表面积，从而允许在一定体积下产生更多的电。

法国科学家还创造了一种基于涂有酶的碳纳米管的生物燃料电池，体积只有大约半茶匙。当植入老鼠体内时，它可以通过与血糖反应产生足够的电能来驱动发光二极管或数字温度计。实验还表明，编织成头带和腕带的织物生物燃料电池可以通过牛奶汗中的乳酸和酶的化学反应产生足够的电能，从而为手表提供电能。

据杜古德所知，这些设备还没有上市。但是她预测这项技术将在不到十年内上市。将来，能量收集设备可能会变得更适合人体。杜古德和她的同事甚至在研究可降解的发电设备。

“想象一下，”她说，“如果你把一个装置插入你的身体，在工作一段时间后，它会降解成分子并溶解在体液中，你可以不打开胸腔就把它取出来:我们可以使用可生物降解的材料，比如可以跟随时间变化的丝和氧化锌。”