人體是最安全的能量源，怎么把能量從身體中取出 - 全文

隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的興起，如何能夠擺脫電池，能夠找到一種取之不盡的能源，不斷為這類小型低耗電的電子設(shè)備供電，正成為一個(gè)很熱門的研究課題。這個(gè)課題叫“能量采集技術(shù)”。

能量采集的需求正在不斷增加，各種各樣的研究工作也正在進(jìn)行，其中一個(gè)就是利用人體來(lái)為電子設(shè)備提供“永遠(yuǎn)”不衰竭的電力。能量采集技術(shù)需要與該類型能量源匹配的能量采集傳感器，將來(lái)自周圍環(huán)境的可用能量轉(zhuǎn)換為電能。典型的能量源包括電磁波、風(fēng)、振動(dòng)和熱能。

電池一直是小型便攜設(shè)備的主要電源，但它們的使用已經(jīng)相當(dāng)不方便。這些裝置中的電池占體積很大，并且只能持續(xù)有限的時(shí)間，必須不斷地充電和替換，這變得昂貴和耗時(shí)。而且電池往往會(huì)造成不方便，如對(duì)于手機(jī)而言，常常因?yàn)榇虻揭话胪蝗粵](méi)電而不得不中斷通話。

來(lái)自人體的能量采集技術(shù)可以是替代電池供電設(shè)備的方法。對(duì)于一般的小型電子設(shè)備，改為使用身體的能量作為能量源將會(huì)帶來(lái)很多好處。平時(shí)我們沒(méi)有太多覺(jué)察自己的身體。其實(shí)人體通過(guò)日常行為和劇烈身體活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生能量，這正是極好的能量來(lái)源。

與從機(jī)器獲取能量相比，從身體提取能量要復(fù)雜得多，因?yàn)樘崛∧芰康牟杉鞯某叽缦喈?dāng)小，并且人體運(yùn)動(dòng)發(fā)生在較低的頻率。過(guò)去，有一些產(chǎn)品，如手表、手電筒和收音機(jī)，曾使用人工發(fā)電的電源來(lái)工作。

目前，正在進(jìn)行研究從人體提取的能量用于低功率生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。例如，向在身體中植入的醫(yī)療裝置供電，以延長(zhǎng)裝置的使用期限。否則為了置換這些裝置里的電池，需要不斷動(dòng)手術(shù)。今后，人體供電的應(yīng)用將逐漸擴(kuò)大到用于可穿戴設(shè)備甚至手機(jī)。

我們可以把人的日?；顒?dòng)中產(chǎn)生的能量加以利用，例如從人的呼吸、體熱、手臂運(yùn)動(dòng)、步行、跑步和蹬踏動(dòng)作等等。這些傳感器加上信號(hào)處理電路，將這些能量轉(zhuǎn)換成電力。這個(gè)采集器可以放在衣服、手表、鞋類或眼鏡等人體的佩戴物上，對(duì)電子設(shè)備充電而不會(huì)對(duì)用戶造成任何不良影響。

三種不同傳感器的能量采集

從人體中提取能量，一般使用三種傳感器，包括熱電傳感器、電磁傳感器和壓電傳感器。熱電傳感利用身體熱量，而電磁傳感和壓電傳感從身體運(yùn)動(dòng)中提取能量。

熱是來(lái)自身體的許多種能量來(lái)源之一。例如，在新研制的一種可穿戴式無(wú)線腦電圖系統(tǒng)中，就是用身體熱量來(lái)工作的。這個(gè)腦電圖系統(tǒng)使用了一種熱電傳感器，它在室溫下產(chǎn)生超過(guò)2mW的功率，而這個(gè)系統(tǒng)本身只需要0.66mW的功率，完全可以滿足需要。

通過(guò)將熱電傳感器貼在身體上，這些傳感器能夠感測(cè)身體和房間之間的溫度差以建立電勢(shì)。研究表明，身體上雖然有大量(約100W)的熱能，但從體熱中只能獲得毫瓦范圍內(nèi)的電功率。身體的暴露部位，如前額、手腕和頭部等部位，是可以提取最大量功率的區(qū)域，而被衣服遮擋的人體部位釋放較少的熱量。

研究表明，當(dāng)熱電傳感器放在人體的正確位置時(shí)(一般放置在身體的軀干上，這里人體組織溫度最高)，可以產(chǎn)生大約10- 30μW/cm2的電能。此外，這種傳感器越厚或者越小，產(chǎn)生的功率量就越高。

人體也是一個(gè)很大的動(dòng)能源，這通過(guò)諸如行走、跑步、慢跑和相關(guān)身體部位的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。一些關(guān)于利用電磁能量的研究也在進(jìn)行中，已發(fā)現(xiàn)電磁傳感器可以用于為可佩戴裝置或其他便攜電子設(shè)備提供能量。電磁傳感器在功能上類似于熱電傳感器，從身體運(yùn)動(dòng)提取能量并將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電量。

研究人員已經(jīng)研制了一種安裝在髖部的電磁傳感器，可以用于采集在身體運(yùn)動(dòng)(例如步行或跑步)期間髖部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能。根據(jù)他們的研究，從人體運(yùn)動(dòng)提取的動(dòng)能可以轉(zhuǎn)換為電能，然后可以用于向配備在人身上的設(shè)備提供電力。從該研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)以每秒1.5米的速度行走或跑步時(shí)，可以產(chǎn)生1V的最大開(kāi)路電壓(當(dāng)沒(méi)有連接外部負(fù)載時(shí)的電壓)和0.3-2.46 mW的電力。

為了使動(dòng)能采集效率更高，有人想出把傳感器放到腰部的皮帶上，再使用一個(gè)呈擺動(dòng)形式的連桿，連桿的一端接到傳感器，而另一端接到大腿表面。位于大腿內(nèi)側(cè)的擺動(dòng)連桿隨著大腿一起移動(dòng)，而人行走時(shí)圍繞髖關(guān)節(jié)擺動(dòng)。這樣，傳感器產(chǎn)生的電壓隨著步行速度而增加。這表明，由于功率是電壓的函數(shù)，所以傳感器產(chǎn)生的功率量也隨著步行速度而增加。

有的研究者提出使用電磁傳感器來(lái)測(cè)量呼吸期間胸圍的變化，并從呼吸中提取能量。結(jié)果顯示，在正常呼吸期間，電磁傳感器能夠收獲約29.4μW的功率。此外，已經(jīng)得出結(jié)論，以12次呼吸/分鐘的頻率，傳感器能夠感測(cè)0.4cm的最小胸部位移(0.55cm的胸圍變化)，并且最大胸部位移為3cm(胸部周長(zhǎng)變化為3.6cm)。雖然肺活量計(jì)是測(cè)量一個(gè)人換氣量的最普通的裝置，但它有它的缺點(diǎn)，即正常人使用時(shí)會(huì)感到不舒適，所以必須要加以改進(jìn)。

使用壓電材料來(lái)進(jìn)行人體能量采集是另一種常用方法。當(dāng)壓電材料施加機(jī)械變形時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。這種能量提取方法就取決于兩個(gè)因素：

一個(gè)是壓電材料的物質(zhì)特性，另外一個(gè)是施加到材料的機(jī)械量。

一個(gè)現(xiàn)在用得較多的發(fā)明是在鞋子內(nèi)部裝一個(gè)壓電傳感器，通過(guò)壓電換能來(lái)給電子設(shè)備充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)步行可以實(shí)現(xiàn)150-675mW的平均功率，而通過(guò)慢跑可以獲得675-2100mW的平均功率。這種鞋子現(xiàn)在也已有了不同的改進(jìn)版本。如有的使用聚偏二氟乙烯(PVDF)片堆疊來(lái)控制鞋底彎曲的能量。結(jié)果，當(dāng)PVDF堆疊被彎曲時(shí)，位于外表面上的片材被拉伸，同時(shí)內(nèi)表面中的片材被壓縮，產(chǎn)生1.1mW的總平均功率。

還有一種鞋放了一種彈簧鋼組成的單壓電條，目的是在行走時(shí)從腳跟的打擊施加的壓力中提取能量。當(dāng)腳跟部施加壓力或釋放壓力時(shí)，鋼金屬?gòu)澢?，?dǎo)致壓電材料延伸或者壓縮。使用這種方法，與以前的設(shè)計(jì)相比，該方法獲得約230mW的能量。

除了用于能量采集的鞋子之外，壓電方法也已經(jīng)用于醫(yī)療應(yīng)用供電中。例如，研究者提出了一種導(dǎo)管的研究，該導(dǎo)管含有將被插入到心臟的壓電薄膜帶，并且隨后用于向起搏導(dǎo)線提供電功率。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，心臟的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)管彎曲，使得導(dǎo)管內(nèi)的壓電膜變形。壓電膜的變形導(dǎo)致導(dǎo)管產(chǎn)生電能。

類似的辦法也已有人用于呼吸頻率檢測(cè)。讓被檢查者佩戴壓電帶，壓電帶的輸出與胸部運(yùn)動(dòng)的位移成比例，當(dāng)胸部運(yùn)動(dòng)更快時(shí)，電壓輸出更高。反過(guò)來(lái)在被檢者不呼吸時(shí)，檢查者的胸部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，結(jié)果，沒(méi)有從傳感器產(chǎn)生的電壓輸出。

最近幾年來(lái)，研究者又新發(fā)明了一種新的半導(dǎo)體器件，叫“摩擦生電器件”，當(dāng)該器件移動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定電位差。如果再與晶體管相連接，晶體管就會(huì)產(chǎn)生電流，從而可以為其他電子設(shè)備提供電能。這種器件在很多方面都比壓電材料優(yōu)越，因此很有發(fā)展前景。

使用熱電、電磁和壓電裝置可以從人體采集能量。我們已經(jīng)看到所有這些方法已經(jīng)明顯地發(fā)揮作用、可給小型設(shè)備提供電能。但是，根據(jù)所使用的傳感器的類型和身體上要利用能量的位置，可提取的功率量存在著差異。

例如，從人體熱量可以收獲2.4W?4.8W的能量。

當(dāng)采用通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)而獲得的功率時(shí)，使用熱電傳感器(如嵌入在手表中)只能產(chǎn)生10μW的功率，而通過(guò)將電磁傳感器連接到髖關(guān)節(jié)則可以實(shí)現(xiàn)最大284μW的功率。這表明，就人體運(yùn)動(dòng)而言，身體的腰部和髖關(guān)節(jié)區(qū)域是發(fā)生大多數(shù)運(yùn)動(dòng)的位置，并且因此與身體的較小區(qū)域(例如手腕)相比產(chǎn)生較高的功率。

當(dāng)對(duì)使用電磁和壓電傳感器從人體運(yùn)動(dòng)獲得的能量水平進(jìn)行對(duì)比時(shí)，顯而易見(jiàn)的是，壓電方法只能產(chǎn)生2-8mW的功率，而電磁方法能夠產(chǎn)生大約250mW。但即使電磁傳感器產(chǎn)生最大量的能量，壓電方法仍被認(rèn)為更有效，因?yàn)樗挥绊懭说牟綉B(tài)周期，更容易使用，并且與電磁方法相比更靈敏。

人體是個(gè)最安全的能量來(lái)源

雖然用電池作為電源的設(shè)備是目前最多的方式，但它是一種低效、昂貴、占體積的方法。更嚴(yán)重的是，充電電池有時(shí)甚至?xí)l(fā)生爆炸。由于這些原因，人們都在尋找新的可靠的能源。而人體本身具有可用的“取之不盡”的能量源，是一種最安全、最方便的能源。

另一方面，為了使人體供電的負(fù)擔(dān)不要太大，人們也在研究如何把電子裝置的功耗盡量做小。如現(xiàn)在有的超低功耗數(shù)字助聽(tīng)器芯片，只消耗96μW，即不到0.1毫瓦。這樣的話，人體就可直接給它供電了。

研究者也在研究為什么現(xiàn)在一些人工智能的硬件所消耗的能量，需要比人腦消耗的能量多幾萬(wàn)倍或甚至更多。他們?cè)谘芯坷梅律鷮W(xué)的辦法，來(lái)大大降低電子設(shè)備的功耗。如果把小型便攜電子設(shè)備消耗的功率，都降低到毫瓦級(jí)或更低，那么使用人體供電就輕而易舉了。

雖然人體供電技術(shù)目前還剛剛起步，提取的能量的效率不高，但是這方面已經(jīng)成為當(dāng)今研究人員的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。隨著今后這方面的研究進(jìn)展，電能產(chǎn)出效率會(huì)越來(lái)越高，由我們?nèi)梭w“自主供電”而完全不用電池的時(shí)代一定會(huì)到來(lái)。