人体多少特征可以用来发电呢?
“我对摩擦起电研究得越多,就越让人激动,它的应用就可能越来越多,”相关论文合著者,乔治亚理工学院纳米技术专家王钟林(Zhong Lin Wang ,音译)表示,“我可以看到我自己将在未来的20年里致力于这项研究。”
不同的材料通过摩擦起电产生的电量有很大差异,因此科学家们正在尝试各种材料。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那种金字塔阵列。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将发电量相比于平板增加五倍。
研究人员已经在老鼠,兔子和猪身上进行了相关实验,他们测试了起搏器,心脏监护仪和其他由呼吸和心跳加速提供电能的植入式装置。“我们也在研究是否可以使用摩擦起电来刺激细胞生长并加速伤口的愈合,”Wang说, “另外,我们已经开始了关于神经刺激的摩擦起电实验,以了解我们是否可以为神经科学做出任何贡献。”
王和他的同事也设计了摩擦起电的可穿戴设备。例如他们制造了摩擦电布,可以为配置锂离子电池的柔性腕带充电。这种小工具可以为采用蓝牙技术的可穿戴式心率表提供电能,从而将其数据无线传输至智能手机。“每天人体运动产生的机械能量可以通过我们的布料转换成电力,”王说。
另一种策略依赖于被称为生物燃料电池的装置,其通过酶和身体内的能量储存分子(例如血液中的葡萄糖)之间的化学反应产生电力,或者是汗液中分泌的乳酸。例如,从真菌中提取的纤维乙糖脱氢酶可以分解葡萄糖,并在纳米(十亿分之一米)碳管中产生电流。
酶的选择可能会很棘手。例如,虽然不少科学家在研究中都发现葡萄糖氧化酶可以在植入实验小鼠的生物燃料电池中产生电力,但该酶也会产生过氧化氢(一种常见的漂白剂成分),这可能会恶化设备的性能,并且会对身体产生伤害。
在另一项研究中,扫描电子显微图显示,用于实验性生物燃料电池的碳纳米管能够从身体发电。这些试管涂有能够处理天然能量分子的酶,例如可以和汗液中的乳酸盐或血液中的葡萄糖进行反应。这种工具具有电活性,同时为酶与能量的反应提供了巨大的表面积,从而允许在一定体积的情况下产生更多的电力。
法国科学家还创造了一种基于酶涂层碳纳米管的生物燃料电池,其体积大约只有半茶匙,当植入老鼠体内时,它可以通过与血糖反应产生足够的电力,为LED或数字温度计供电。实验还表明,编编织成头带和腕带的织物生物燃料电池可以通过乳汗液中乳酸与酶的化学反应产生足够的电力,从而为手表提供电能。
据达格维伦所知,这些设备目前还没有上市。但她预测这种技术不到十年就会市场化。而在未来,能量采集设备可能会变得更适用于人体。达格维伦和她的同事们甚至正在研究可降解的发电小工具。
“想象一下,”她说,“把一个装置插入你的体内,而它工作一段时间后会降解成分子而溶解到体液中,你不必打开胸部就可以将其取出:我们可以使用可生物降解的材料,比如说可随时间分解的丝和氧化锌。”
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