核心提示：能量收集技術(shù)給移動(dòng)或可植入醫(yī)療設(shè)備供電創(chuàng)造了極好的機(jī)會(huì)。本文主要介紹了十種不同的人體運(yùn)動(dòng)能量收集設(shè)備和技術(shù)，這些設(shè)備和技術(shù)可能處于不同的原型創(chuàng)建和應(yīng)用階段。

從人體運(yùn)動(dòng)收集的生物機(jī)械能是一種非常有前途的清潔能源，完全可以用來(lái)替代電池給移動(dòng)電子設(shè)備供電。能量收集技術(shù)是指使用環(huán)境能量向小型和移動(dòng)的電氣或電子設(shè)備提供電能。在我們身處的環(huán)境中共有四種主要的環(huán)境能源，它們是機(jī)械能(振動(dòng)、變形)、熱能(溫度梯度或變化)、幅射能(太陽(yáng)光、紅外線、射頻)和化學(xué)能(化學(xué)物質(zhì)、生物化學(xué))。

市場(chǎng)研究公司IDTechEX在最近發(fā)表的題為“2012年能量收集行動(dòng)”報(bào)告中指出，2011年在能量收集元件本身方面的支出已達(dá)7億美元，預(yù)計(jì)到2022年將增加到接近50億美元。

移動(dòng)電子設(shè)備的普及促進(jìn)了新能源的開(kāi)發(fā)。人體能源是一種新的替代品，它具有總是可用的優(yōu)點(diǎn)，不需要化學(xué)燃料或補(bǔ)充措施。

事實(shí)上，人體在從熱量散發(fā)、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、體重作功、重心垂直位移以及組織和其它附屬臟器的彈性變形等資源產(chǎn)生可用電能方面是非常靈活的，這就給收集能量給移動(dòng)或可植入醫(yī)療設(shè)備供電創(chuàng)造了極好的機(jī)會(huì)，而且這些設(shè)備可以使用很長(zhǎng)時(shí)間，甚至實(shí)現(xiàn)永久供電。

下面介紹了十種不同的人體運(yùn)動(dòng)能量收集設(shè)備和技術(shù)，這些設(shè)備和技術(shù)可能處于不同的原型創(chuàng)建和應(yīng)用階段。

耳朵供電的電池:聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

這種芯片小到足以安裝在中耳腔內(nèi)。

由美國(guó)麻省理工學(xué)院、馬薩諸塞州眼耳醫(yī)院以及哈佛與麻省理工大學(xué)的聯(lián)合健康科學(xué)技術(shù)中心專(zhuān)家組成的科研小組成功地收集到老鼠內(nèi)耳的能量給小型傳感器件供電。耳蝸電壓的工作原理像生物電池一樣，可以將聲壓波形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并發(fā)送到大腦。這些研究人員開(kāi)發(fā)的芯片可以在不影響正常聽(tīng)力的情況下收集到這種電能。

最終這些器件可以做到監(jiān)視聽(tīng)力或平衡感受傷的人的耳朵內(nèi)的生物活動(dòng)，或?qū)χ委熥鞒鲰憫?yīng)，甚至可能自己提供治療手段。

實(shí)用!膝關(guān)節(jié)壓電能量收集器

上面照片所示為：(a)膝關(guān)節(jié)壓電收集器。它佩戴在膝蓋的外側(cè)，并用背帶固定。內(nèi)部有一個(gè)匯聚中心，攜帶了許多雙壓晶體管元件。隨著走路時(shí)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，呈環(huán)形安裝的撥子將對(duì)這些元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。(b)這種收集器的幾何細(xì)節(jié)顯示了這種安裝好的雙壓電晶片元件的側(cè)視圖(上)和頂視圖。

來(lái)自克蘭菲爾德大學(xué)、利物浦大學(xué)和索爾福德大學(xué)的英國(guó)研究人員組成的一個(gè)小組計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種壓電能量收集器，這種收集器將佩戴在膝關(guān)節(jié)上，依靠采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)上變頻。這種能量收集器設(shè)計(jì)安裝在膝部外側(cè)，呈圓形，由一個(gè)外環(huán)和一個(gè)匯聚中心組成。當(dāng)人在走路狀態(tài)時(shí)，外環(huán)隨膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而不斷旋轉(zhuǎn)。外環(huán)上安裝有72個(gè)撥子，這些撥子用于“采集”連接內(nèi)部中心軸的能量產(chǎn)生臂。

由于能量收集器捆綁在膝關(guān)節(jié)上，因此用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的行走就能給心率計(jì)、計(jì)步器和加速度計(jì)等人體監(jiān)護(hù)設(shè)備供電，而且不用擔(dān)心用完電能和更換電池。

可佩戴的人體運(yùn)動(dòng)能量收集器

帥氣!帶發(fā)電機(jī)的夾克

如圖1所示，a——游絲形線圈組，b——感應(yīng)元件位置，c——磁鐵位置，d——永磁體

拉脫維亞共和國(guó)里加科技大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種機(jī)械式能量收集器，可以在人走路時(shí)發(fā)電。這種設(shè)備采用了一種平面結(jié)構(gòu)，其中電力轉(zhuǎn)換器由游絲形線圈和一塊矩形或弧形磁鐵組成，所有元件都可以安裝到各種衣飾上。在自然的人體運(yùn)動(dòng)中，發(fā)電元件彼此會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而在游絲形線圈內(nèi)感應(yīng)出脈沖電壓。

據(jù)這些研究人員透露，佩戴者以3公里/時(shí)、4公里/時(shí)、5公里/時(shí)和6公里/時(shí)的不同步行速度對(duì)這種能量收集器進(jìn)行了廣泛測(cè)試，這4種速度分別對(duì)應(yīng)一個(gè)中年人的慢跑、正常、快跑幾種步行狀態(tài)。

收集來(lái)自心跳的振動(dòng)能量

上圖顯示了：(a)目前的起搏器，(b)通過(guò)能量收集技術(shù)供電的未來(lái)無(wú)線起搏器

法國(guó)原子能委員會(huì)旗下的電子信息技術(shù)研究所(CEA-Leti)和索林集團(tuán)的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種低功耗的心臟起搏器(功耗只有5μW，而目前的起搏器為25μW)，這種起搏器由病人自己的心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能來(lái)供電。

研究的目標(biāo)是取消使用電池(因?yàn)閭鹘y(tǒng)起搏器中的這種電池必須每隔6年到10年通過(guò)外科手術(shù)的方法進(jìn)行更換)，同時(shí)開(kāi)發(fā)出比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)小8倍的心臟刺激器(從現(xiàn)在的8立方厘米縮小到1立方厘米)。這種微型化構(gòu)造允許將起搏器直接附加到心外膜。完整功能的原型今年底就能制造出來(lái)，并有望在今后5至10年內(nèi)經(jīng)過(guò)充分的有效性測(cè)試和衛(wèi)生管理機(jī)構(gòu)的同意后實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

面具AIRE:通過(guò)呼吸發(fā)電

Joo Paulo Lammoglia是英國(guó)倫敦的一位工業(yè)設(shè)計(jì)師，他創(chuàng)建了一種概念性面具AIRE，能將佩戴者的呼吸提供的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能給小型電子設(shè)備充電。在面具內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)換風(fēng)能的小型風(fēng)輪機(jī)，能量則通過(guò)一根電纜傳送到佩戴者使用的小型電子設(shè)備。

AIRE可以在室內(nèi)室外的任何場(chǎng)合使用，而且也可以在睡眠、走路、跑步或讀書(shū)時(shí)使用。它贏得了紅點(diǎn)(Red Dot)設(shè)計(jì)概念與原型競(jìng)賽的設(shè)計(jì)概念大獎(jiǎng)。

溫差!將人體熱量轉(zhuǎn)換成電流

研究生Corey Hewitt在納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究熱電織物樣品。

電力氈(Power Felt)是美國(guó)北卡羅來(lái)納州威克弗里斯特大學(xué)納米科技與分子材料中心研究人員開(kāi)發(fā)的一種熱電器件，研究生Corey Hewitt表示只需簡(jiǎn)單地觸摸一小片電力氈就能將人體熱量轉(zhuǎn)換成電流。

這種由鎖定在柔性塑料纖維內(nèi)的微型納米碳管組成、摸起來(lái)感覺(jué)像織布的電力氈使用溫差——比如室溫和體溫——產(chǎn)生電荷。

靠心跳供電的起搏器

密歇根大學(xué)航空與航天工程系的研究人員設(shè)計(jì)出一種設(shè)備，它能收集透過(guò)胸部的心跳反射能量，并將之轉(zhuǎn)換成電能給起搏器或植入的去纖顫器供電。這些迷你型醫(yī)療機(jī)器可以發(fā)送電信號(hào)給心臟使它以健康的節(jié)率保持跳動(dòng)。目前還沒(méi)有制造出原型，但研究人員宣稱(chēng)“已經(jīng)規(guī)劃好詳細(xì)的發(fā)展藍(lán)圖，并執(zhí)行過(guò)仿真”，證明了這種想法的可行性。這種設(shè)計(jì)采用了百分之一英寸薄的壓電陶瓷材料，可以隨著心跳振動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。

腳墊能量收集!步行者的能量

今年5月份為Apl的‘We Can Be Anything’活動(dòng)——Apl.de.Ap基金會(huì)和Ninoy and Cory Aquino基金會(huì)建立合作伙伴關(guān)系而舉辦的籌資大會(huì)上，黑眼豆豆的Apl.de.ap和Will-i-am在Pavegen發(fā)電舞臺(tái)上盡情表演。

每當(dāng)有人在英國(guó)新創(chuàng)企業(yè)Pavegen Systems公司制造的腳墊上走過(guò)時(shí)，都能收集到可再生能源。這種技術(shù)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后存儲(chǔ)起來(lái)用于各種應(yīng)用。

跑步發(fā)電 跑30分鐘夠充12部手機(jī)

貝魯特的Nadim Inaty設(shè)計(jì)了一種綠色車(chē)輪——能量再生車(chē)輪，它可以將人體產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。這種裝置由單個(gè)設(shè)備加上一個(gè)踏板和幾片綠草組成，共有3種不同等級(jí)，以適應(yīng)不同力量的跑步者，它在30分鐘內(nèi)產(chǎn)生的能量大約足夠給12部手機(jī)充電。