心臟起搏器,、植入式耳蝸,、血糖監(jiān)測儀……醫(yī)學(xué)的進(jìn)步使得人類健康越來越依賴于各種電子設(shè)備,?？茖W(xué)家還在嘗試多種可植入電子設(shè)備的研制和開發(fā)，比如大腦刺激器,，有的能夠阻斷饑餓信號,，具有減肥功能；有的可治療帕金森氏癥或者慢性疼痛,。另外還有一些傳感器,，可用于檢測癌癥或心臟病發(fā)作時肌體發(fā)出的警告信號。不過,，所有這些植入式設(shè)備都有一個缺陷：雖然它們的輸出功率都很小,，大約不過10微瓦或者幾毫瓦，但是一旦電量耗盡,，周期性地更換電池不僅麻煩而且也相當(dāng)不現(xiàn)實,。比如,，心臟病人不得不每隔幾年就得重新接受一次手術(shù)更換起搏器電池，每次費(fèi)用多達(dá)2萬美元,。
為此,，研究人員試圖找到一種一勞永逸的方法，那就是利用人體內(nèi)部能量來為這些醫(yī)療設(shè)備供電,。這當(dāng)然不是什么神秘的超自然力,，而是將身體內(nèi)部儲存的化學(xué)能、身體釋放出來的熱能或者肌肉脈動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能,。研究人員希望,，未來的醫(yī)療設(shè)備可以良性“寄生”在人體內(nèi)，在需要的時候從人體內(nèi)部能量中“偷取”一點(diǎn)點(diǎn)來維持正常運(yùn)轉(zhuǎn),。
人體內(nèi)有“1000節(jié)AA電池”
葡萄糖廣泛存在于各種食物中,，是新陳代謝不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，也是人體活動所需能量的重要來源,。人體每天攝入的食物所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于1000節(jié)AA電池,，因此對于植入式醫(yī)療設(shè)備而言，人體內(nèi)的葡萄糖無疑是最充足的能量來源,。
2005年,，日本東北大學(xué)教授西澤松彥領(lǐng)導(dǎo)的研究小組新開發(fā)出了一種利用血液中的糖分發(fā)電的燃料電池。電池的電極上涂有分解血液中葡萄糖的酶,，葡萄糖分解后,，電子在電池兩極之間移動，從而產(chǎn)生電流,。利用人民幣1分硬幣大小的電極,，研究人員得到了相當(dāng)于0.2毫瓦的電量。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內(nèi)的測定血糖值的裝置或者心臟起搏器提供充足電量,。
到目前為止，大部分在實驗室中研制出來的植入式生物燃料電池都是使用酶作為催化劑,，加快反應(yīng)過程,，同時也產(chǎn)生更多電能。這種電池的缺點(diǎn)在于,，酶往往在幾個小時后就會自動分解,，從而嚴(yán)重影響電池的使用壽命。為此,，研究人員也嘗試采用從溫泉細(xì)菌中提取的更為持久的酶來進(jìn)行催化,。美國密蘇里州圣路易斯大學(xué)的電化學(xué)專家甚至將酶裝進(jìn)薄膜“口袋”中，但是在“外衣”的保護(hù)下,，酶的生命也僅延長到了兩天,，因此酶燃料電池走向?qū)嵱眠€有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善,。
玩的就是心跳
2006年12月，英國工貿(mào)部宣布啟動一項開發(fā)體內(nèi)微型發(fā)電機(jī)的計劃,，投資額高達(dá)百萬英鎊,。該項目的設(shè)計工作大部分由南安普敦大學(xué)附屬的一家公司負(fù)責(zé)。該公司已經(jīng)研制出了一套原型,，大小約是預(yù)期裝置的5倍,，并已在實驗室中開始測試。公司首席執(zhí)行官羅伊•弗里蘭表示,，他們分別從心跳以及肢體運(yùn)動兩個方面來研發(fā)這種利用人體動能發(fā)電的裝置,，但出于商業(yè)考慮，他不肯透露有關(guān)發(fā)電機(jī)工作原理的具體細(xì)節(jié),。
這個研究項目的帶頭人,、英國桌聯(lián)(Zarlink)半導(dǎo)體公司商業(yè)開發(fā)部經(jīng)理馬丁.麥克休說，他們的最終目標(biāo)是制造一個直徑6毫米,、長20或30毫米的發(fā)電設(shè)備,，大小與煙頭相當(dāng)，輸出功率達(dá)到100微瓦—150微瓦,，可以驅(qū)動心臟起搏器或者生物傳感器,，并希望這樣的裝置能夠在5年內(nèi)上市銷售。
另一種將動能轉(zhuǎn)化為電能的方法是利用壓電效應(yīng),。壓電敏感元件受到外力作用時就會產(chǎn)生電流,，但由于材料的脆弱性以及輸出功率有限，其開發(fā)前景并不被看好,。
不過,，美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員在這方面仍取得了一定的突破，并于2007年4月公布了他們研制出納米發(fā)電機(jī)的消息,。發(fā)電機(jī)的基座上垂直密布著無數(shù)根直徑只有40納米的氧化鋅電線,，電線頂端覆蓋著一塊導(dǎo)電板，即使向?qū)щ姲迨┘雍苄〉膲毫?，氧化鋅電線也很容易發(fā)生彎曲,，從而產(chǎn)生電流。
研究小組負(fù)責(zé)人王中林表示,，氧化鋅導(dǎo)線長短不一,，只有不到1%%的導(dǎo)線能夠接觸到導(dǎo)電板并參與發(fā)電。到目前為止,，這款納米發(fā)電機(jī)的輸出電量只能達(dá)到幾皮瓦(1皮瓦=百億分之一瓦),，隨著制作工藝的改進(jìn)，其效率還將大幅提高。他相信,，在兩到3年內(nèi),，他們就能夠開發(fā)出具有實用價值的發(fā)電設(shè)備。他希望將來能夠借助人體血管搏動或者肌肉運(yùn)動產(chǎn)生的微小壓力來形成電流,，甚至還可以將這種納米級的發(fā)電機(jī)植入胸腔,，在不與心臟器官接觸的情況下，將心跳產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能,。
皮膚溫差也能發(fā)電
人體能量會以熱的形式大量散失,，即使只是坐著閱讀一篇文章，散失的熱量也有100瓦,，運(yùn)動越激烈,，熱量散失也就越多。其中部分熱能———確切來說,，就是皮膚與空氣的溫差,，或者身體不同部位的溫差———可以使電子移動起來，由此產(chǎn)生電流,。日本精工手表公司就曾研制出一款不需要電池的手表,，依靠從手腕皮膚吸收幾微瓦熱量自行運(yùn)轉(zhuǎn)，但其外形笨重,、價格昂貴,，再加上人體周身皮膚溫差只能產(chǎn)生很小的電壓，輸出功率難以達(dá)到實際應(yīng)用水平,，因此精工公司至今也沒有將這款手表投入商業(yè)生產(chǎn),。
美國加州的熱力生命能量公司主要生產(chǎn)工業(yè)用溫差發(fā)電系統(tǒng)。該公司目前也在研制能夠在只有幾攝氏度溫差環(huán)境下工作的發(fā)電機(jī),，這與人體皮膚溫差原理大致相當(dāng),。公司首席技術(shù)官英葛•斯塔克說，將1000臺這樣的發(fā)電機(jī)組合在一起,，就能夠提高能量輸出,。該公司已經(jīng)研制成功的原型系統(tǒng)可以在5攝氏度溫差條件下發(fā)電100微瓦，足以驅(qū)動一個心臟起搏器或者生物傳感器,。
美國北卡三角州國際研究院采用納米材料制成1立方厘米大小的發(fā)電裝置,，可以在0.9攝氏度溫差范圍內(nèi)，輸出144微瓦電量,，考慮到能量損失，最終輸出電量也達(dá)到了67微瓦,，足以維持心臟起搏器正常工作,。由于使用了熱電半導(dǎo)體薄膜，這種裝置還有進(jìn)一步小型化的潛力。當(dāng)然,，如何在提高設(shè)備耐用性,、可靠性的同時降低成本，仍然是研究人員亟待解決的課題,。研究小組負(fù)責(zé)人拉瑪•文卡塔蘇布拉曼尼安相信,，如果成本可以大幅下降，利用這種薄膜技術(shù)最終可以研制成輸出功率足以滿足手機(jī)或者iPod播放器需要的熱電貼片,。他說,，人體大約有20%%—30%%的熱量是從手掌和頸部散失的，如果貼片的大小可以覆蓋手掌或頸部面積的1/10,，并將所散失熱量的1%%轉(zhuǎn)化為電能,，這塊貼片也能輸出10毫瓦—20毫瓦電量，可以為充電電池補(bǔ)足3次電力,。
目前,，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出好幾套人體內(nèi)部能量提取系統(tǒng)原型。未來幾年后,，很多微型醫(yī)療設(shè)備可能就完全不再需要電池了,。也許將來某一天，手機(jī),、MP3播放器等小型便攜式電器也能夠直接依靠人體“充電”,，真正實現(xiàn)“即插即用”，甚至以我們的身體作為發(fā)電媒介,，在握手的時候就能夠通過彼此攜帶的微型電腦自動交換電子名片,。(陳丹)
