未来，你的身体就是一块移动电源

未来，你的身体就是一块移动电源

原标题：未来，你的身体将是移动电源

科技一直与人体密切相关。 从锋利的燧石到智能手机，我们传承了数千年的发展遗产。 但人与技术之间的这种关系即将进一步缩小——下一代电子设备可能不仅仅只是靠近我们的身体那么简单，它们可以由人体供电。

生命实际上消耗了大量的能量。 为了保持活跃，我们的身体每天需要燃烧 2,000 至 2,500 卡路里热量，这足以为适度使用的智能手机提供动力。 因此，如果可以吸收其中的一小部分能量，理论上我们的身体就可以为大多数电子设备（从医疗植入物到电子隐形眼镜）供电，而无需单个电池。 最近，研究人员在这个方向上迈出了重要的一步——揭开了这种电势的神秘面纱。

未开发的潜力

首先要说的是，我们体内存在着各种形式的能量。 大部分能量只需进行几次操作即可用于为电子设备供电。 但并不是所有的能量都可以。 生物有机体是导电体积导体。 当某些细胞或组织中发生电变化时，在该导体体积内会产生电场。 因此，电场的不同部分可以感应出电场的电势变化，其大小和波形也不同。

例如，哺乳动物的耳朵中含有一种微小的电压，称为“电位”（简称EP）。 本文所谓的电势（EP）是指动物细胞或组织，特别是神经和肌肉受到刺激时发生的电变化。 很早以前人们就发现在内耳的耳蜗里有一个螺旋形的空腔。 人体通过在该部分将压力波转化为电脉冲来获得听觉（当刺激较强且接近引起兴奋脉冲的阈值时，阴极电位变化大于阳极，发生应激反应），产生应激反应。局部电位（这种电位变化只限于刺激区域及其邻近部位，即内耳，不会向外扩散，因此称为局部反应。发生的电位称为局部电位）。 这种 EP 很难检测到，只有十分之一伏，但理论上这个功率足以为助听器和其他助听器植入物供电。

由于内耳极其敏感，在人体内访问这种 EP 长期以来一直被认为是不可想象的。 但如果我们将扎实的外科手术实力与开拓性的技术创新结合起来呢？ 2012 年，美国马萨诸塞州的研究人员成功做到了这一点。

该团队开发了一种“能量收集芯片”，其大小约为指甲盖，旨在直接从EP中提取电能。 他们用豚鼠来测试芯片。 研究人员将其植入豚鼠体内，最终成功地产生了足够的电力来为豚鼠内耳中的无线电发射器供电。 但该芯片产生的电量仅为约一纳瓦（十亿分之一瓦），对于电子植入物来说仍然太低。 即便如此，产生一纳瓦的电力相比之前已经有了很大的提高，这足以证明这个理论是可以实现的。 如果未来能够增强原型机的功率输出，那么有一天，内耳的自然电位可能会被用于助听器。 如果我们更大胆一点，理论上甚至可以让植入物帮助预防和治疗梅尼埃病等疾病。

然而，除了耳蜗之外，自由流过我们身体的电能相对较少（如果幸运的话甚至可能发现）。 大多数生物能源被锁定为其他形式。 当然，回收也是释放资源的好方法。

运动的

我们每天都走路。 能量除了为我们体内的细胞提供能量外，大部分能量都用来供给人体肌肉的运动、心脏的跳动和呼吸（相信你一定会同意这个观点，因为这些都是非常重要的）。 自行车发电机和发条手电筒这两项发明都将动能转化为电能。 看起来目前还没有类似的新想法，但事实上事情正在慢慢变得更加复杂。

在过去的几年里，研究人员已经开始开发可以通过人体运动产生电力的材料（其原理称为压电）。 压电材料在受到压力时会自发产生电荷（希腊语“piezo”的意思是挤压或按压）。 这些材料已被用于无数的工业应用中，甚至是不起眼的点烟器（当你听到“咔哒”声时听到的类似电子的声音，实际上是压电晶体被击打的声音）。 现在，他们的下一个应用领域可能是开发能够产生能量的织物。

其中最先进的是中美合作研究小组于2013年发明的合成橡胶基压电纤维。这种材料仅利用人体运动产生的动能即可产生电能。 当志愿者穿着这种织物制成的鞋垫行走时，产生的电力足以点亮 30 个 LED 灯。 更令人兴奋的是，当这种布料贴在衬衫上行走时，产生的电力甚至可以为锂离子电池充电一个小时！

压电材料的潜力随着被挖掘而变得更加广阔。 这些材料还用于从内部器官获取能量。 去年，美国成功从服用镇静剂的牛和羊的心脏跳动和肺部收缩和扩张中获取动能，并成功将其转化为电能，这一切都得益于隔膜电——研究人员在体内器官具有超附着在其上的薄压电材料。 令人印象深刻的是，植入的织物的功率约为一微瓦（百万分之一瓦），大致相当于运行起搏器所需的功率。

热

如果你没有太多的精力走路，也不喜欢有东西缠住你的器官，不用担心，你丰富的体热也可以发电！ 目前正在开发的智能织物采用了“热电”材料，通过热差产生电荷。 今年，澳大利亚和中国的研究人员首次成功合成了一种能够将热能转化为电能的新型织物。 它没有集成到衣服中，但在加热室中进行测试时，该材料能够通过人体温度产生电流。 它只产生约一纳瓦的电力，虽然不如压电织物那么多，但与EP收集芯片相当。 它是世界上第一种将热能转化为电能的材料。 这种热电织物绝对有很大的发展空间。

我们已经知道我们体内的可再生能源可以为电子设备提供动力。 然而，我们的皮肤下其实蕴藏着更丰富的能量来源，具有更大的开发潜力。 甚至可以说，这是上天赐予的化学燃料……

血

为了正常运作，我们的细胞需要持续供应化学能。 因此，我们都充满了它。 研究人员目前正在研究这种神秘而不神秘的化学能源。 对这种内部燃料供应的研究可能很快就会产生结果。 这种化学能量转换很快将不再只是新陈代谢的一部分。 以某种方式存在。

事实上，也许研究和探索之路上最大的一步已经迈出了——在过去的几十年里，人们对基于酶的生物燃料电池（EFCS）进行了研究。 电池供电的电子设备通过分解发电体液中富含能量的化学物质来获取电力。 EFCS 技术已经发明十多年了，在过去五年里，研究人员开始在活体动物身上进行实验测试。

当谈到富含能量的体液时，血液似乎是当之无愧的王者。 血浆是血液的液体成分，含有不断溶解的葡萄糖，是我们细胞的主要能量来源。 2010年，人们首次发现EFC可以从生物的血液中获取能量。 当时，法国开发人员将一种装置植入活体老鼠体内。 该设备在小鼠腹部成功运行了11天，小鼠似乎没有感到任何不适。 在此期间，它持续产生约两微瓦的功率，理论上足以为起搏器供电。

到 2012 年，发明了更强大的葡萄糖 EFC。 另一个法国团队（包括自2010年以来一直致力于该研究的研究人员）进行了一些改进，开发出了基于碳纳米管的EFC。 当植入小鼠腹部时，该设备产生约 40 微瓦的功率，足以为 LED 灯和数字温度计供电。

血糖驱动的 EFCS 尚未在人体中进行测试。 但鉴于它们已经在动物身上进行了成功测试（除了小鼠之外，EFCS 还被证明在兔子、龙虾和蟑螂身上也能正常工作），这些自给自足的燃料电池将来肯定可以用于医疗植入物，而无需需要使用传统电池，无需进行危险的手术来更换电池。

虽然该项目有许多潜在的优势，但利用血液发电存在一个严重的问题——你仍然需要进行手术。 为了使 EFC 在血液中正常发挥作用，该装置需要多次植入。 一次性手术植入对于某些患者来说可能是可以接受的，但如果需要像这样进行多次植入，可能会引起患者的恐惧。 而且，该装置本身存在危险且不方便，因此寻找一种侵入性较小的方式获取体内化学能再次被提上了台面。 值得庆幸的是，我们已经看到了一些希望。

汗

无需借助手术刀即可利用人体化学燃料的一种方法是通过我们的毛孔。 人体汗液富含一种名为乳酸的化合物，这种化合物也可用于使 EFCS 发电，作为替代葡萄糖的燃料。 研究人员已经能够测试人体汗液驱动的 EFCS 的有效性（如果你出汗多，就更容易进入），最终结果确实令人鼓舞。

第一个利用汗水发电的设备是由加州大学圣地亚哥分校的研究人员于 2013 年发明的。 它采用粘合贴片的形式，很像临时转移纹身，设备内部嵌入了乳酸清除 EFC。 为了测试该项目，一组志愿者将设备绑在手臂上，开始剧烈运动 20 分钟。 当受试者开始出汗时，燃料电池也开始发电。 由于汗液产生的电流并不稳定，无法保证电力电子设备能够正常工作，但这足以清楚地证明了这项技术的潜力。

一年后，强有力的证据终于出现，来自加州大学圣地亚哥分校的另一组研究人员找到了一种将 EFC 融入耐磨纺织吸汗带的方法。 志愿者将其佩戴在自行车上进行锻炼，骑车人的汗水成功通过该装置，由燃料电池产生电力。 此时，汗液产生的电力足以同时运行两个电子设备（LED灯和数字手表）数十秒。

汗水驱动的 EFCS 能够运行智能手表等电子产品可能还需要一段时间，但近年来这项技术一直在快速发展。 现在我们有充分的理由相信我们不那么受欢迎的汗水很快就会得到很好的利用。

与血液发电相比，用汗液作为动力源有一个明显的缺点：大多数人出汗量不大，也不是经常出汗。 智能头带是锻炼时为手表充电的好方法。 但当涉及到我们皮肤外的化学能源时，科学家需要专门处理它们。 幸运的是，还有另一种体液能量丰富，可以全天候使用。 您所需要做的就是闭上眼睛。

眼泪

乍一看，眼泪似乎不像汗水那样可靠。 但无论我们的情绪状态如何，我们的眼中总会含着泪水。 每个人都有一层薄薄的“基底”眼泪（与我们哭泣时流下的眼泪相反），我们流下它是为了保持角膜湿润。 眼泪多是用来润滑、滋润眼睛的，但同时也充满了能量。 除其他化学物质外，基底泪液还含有葡萄糖、乳酸和抗坏血酸（一种类似于维生素 C 的化合物），其中任何一种单独都可以成为 EFCS 的良好燃料来源。

使用眼泪发电的优点之一是，您不再需要考虑如何容纳该设备，因为完美的设备已经存在：隐形眼镜。 如果自给自足的燃料电池能够集成到隐形眼镜中，这项技术的潜在应用将是一场技术革命。 这样的设备可以通过分析眼泪的化学成分来监测人们的生命体征，还可以进行动态视力矫正——感知眼睛的不同位置来改变眼睛接触的晶状体部分的焦距，甚至可以直接进行视力矫正。显示动态信息，如 Glass。

“所有这些应用程序都可以改变人们的生活。但这才是真正激发人们想象力的地方。除了游戏玩家之外，我还设想如何使用 VR 隐形眼镜来训练军事人员。”

—Russ Reid，盐湖城犹他大学生物工程研究员

像这样的场景可能看起来像是科幻小说中的场景，但里德和他的同事正在一步一步地将它们变成现实。 今年7月，犹他州的研究人员开发出了有史以来第一款集成EFC的隐形眼镜，可以将人类的眼泪转化为电力。

他们的实验原型于去年首次报道，由包裹在两个薄碳纤维电极上的弹性体透镜组成，这使得透镜具有更宽的视野。 尽管尚未在人体上进行测试，但里德和同事已经尝试将隐形眼镜浸泡在合成眼泪中，并且它成功地在三个小时内保持超过一微瓦的输出。

该设备比目前的血液或汗液驱动的 EFCS 便宜。 其目前的电输出仅够间歇性点亮LED手电筒，不足以为血糖传感器等电子设备供电，因此其性能还需进一步提高。 尽管存在这些问题，犹他团队的实验表明，泪液驱动的隐形眼镜在实践中是可行的。 他们计划今年晚些时候在兔子身上进行实验。

尽管我们看到和听到了许多承诺，生物动力燃料电池仍然是一项具有不确定性的新兴技术。 即使是最复杂的设备也只有几个月的使用寿命。 为了使 EFCS 成为可行的替代电池，研究人员必须克服许多障碍，例如试图防止设备内酶的自然降解（EFCS 的一个严重问题）以及提高其电极的耐腐蚀性。

因此，这些技术可能还需要很长时间才能完善，才能成为我们身体的小帮手，比如帮助我们调节心律，或者充当医疗助听器。 纽约克拉克森大学生物技术教授卡茨表示，他设想未来 EFCS 最终可以为假肢或其他“生物计算机系统”提供动力。