[科普中國(guó)]-生命在于“發(fā)電”，天然電池就是你！

見(jiàn)過(guò)“天然電池”嗎？

在億萬(wàn)年前的自然界，一類體內(nèi)裝有“活發(fā)電機(jī)”的生物是歷史上利用電能的“先驅(qū)者”。它們被統(tǒng)稱為“電魚(yú)”，囊括了電鰩、電鯰、電鰻和長(zhǎng)頷魚(yú)等五百種不同種類。這些魚(yú)或利用電能來(lái)捕食，或用電信號(hào)彼此聯(lián)絡(luò)。通過(guò)模仿電魚(yú)的發(fā)電器官，人類造出了世界上第一個(gè)人工電池——伏打電池。隨后，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，所有自然生物的生命活動(dòng)都會(huì)發(fā)出電流，包括人類自己！

利用身體肌肉自然運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量

據(jù)美國(guó)《物理》雜志官網(wǎng)10月2日?qǐng)?bào)道，德國(guó)最頂尖理工科大學(xué)之一的卡爾斯魯厄理工學(xué)院已將人體發(fā)電列為重點(diǎn)研究課題，目標(biāo)是利用生命運(yùn)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)人體自主發(fā)電。

產(chǎn)生電能的途徑很多，為何一定要將人體變成“發(fā)電機(jī)”？

科學(xué)家們指出，日常生活中，越來(lái)越多的電子智能設(shè)備正變?yōu)槿祟惒豢苫蛉钡摹巴椤?，比如手機(jī)、便攜音樂(lè)播放器、脈沖測(cè)量?jī)x、血壓跟蹤器以及眼壓計(jì)、心臟起搏器和胰島素泵等。從體育電子器件到身體保健設(shè)備，都帶來(lái)了無(wú)數(shù)便捷體驗(yàn)，但它們?cè)谑褂眠^(guò)程中的電力供應(yīng)卻是個(gè)難題。

為了讓人們?cè)谌我鈺r(shí)間都能自如使用智能設(shè)備，卡爾斯魯厄理工學(xué)院應(yīng)用信息學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)提出，將人體肌肉自然運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量利用起來(lái)。通過(guò)能量轉(zhuǎn)換裝置，將動(dòng)能化為電能。這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)費(fèi)力，但實(shí)際發(fā)電過(guò)程不需要用戶輸入任何額外功率。

克里斯琴·帕里塔克是研究團(tuán)隊(duì)成員之一，他指出，目前已開(kāi)發(fā)出兩種系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)人體發(fā)電，一種是下肢附著設(shè)備，它能感應(yīng)人體行走時(shí)的重心變化，用設(shè)備中的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量彈簧儲(chǔ)存能量。與機(jī)械發(fā)條不同，它利用移動(dòng)磁鐵和線圈組成的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電。其缺陷在于發(fā)電的最大功率不夠高，甚至無(wú)法讓助聽(tīng)器運(yùn)行，或?yàn)橹悄苁謾C(jī)充電。

另一種是足底液墊設(shè)備，它安裝在鞋里面。人們只要穿上鞋，地面的起伏變化和摩擦滾動(dòng)就能讓設(shè)備內(nèi)部的液體在軟管內(nèi)來(lái)回流動(dòng)，由此自然形成液壓泵。這就仿佛一個(gè)微型潮汐發(fā)電場(chǎng)，在反復(fù)壓縮的活塞運(yùn)動(dòng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電。

只要流體運(yùn)動(dòng)不停，電荷梯度就會(huì)一直存在下去

當(dāng)然，將發(fā)電裝置固定在身體表面并不是唯一選擇，人體血管中的納米級(jí)發(fā)電裝置也被提上了研究進(jìn)程。外媒“華爾街深井”就在9月14日的報(bào)道中指出，水力發(fā)電的原始概念已延展進(jìn)入生物領(lǐng)域。成功利用血液流動(dòng)發(fā)電，已成為人體發(fā)電研究歷程中的另一重要里程碑。

與體外發(fā)電不同，體內(nèi)發(fā)電方式主要利用了“纖維狀流體納米發(fā)電機(jī)”。這種裝置的原材料是碳納米管，后者具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，是種極輕、極小的一維納米材料。加之具備完美的六邊形結(jié)構(gòu)，它已算是當(dāng)前地球上最強(qiáng)大的物質(zhì)材料之一。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)和有序排列的方式，碳納米管可以被制成特殊薄片，之后再包裹到充當(dāng)核心的聚合物上，形成結(jié)構(gòu)纖維。起初，研究者先制作出了厚度不足1厘米的試驗(yàn)品。當(dāng)把纖維全部浸潤(rùn)到流動(dòng)的鹽水溶液中時(shí)，能量便產(chǎn)生了。

原來(lái)，碳納米管不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有韌性，而且還具有電活性。當(dāng)處于完全氧化或還原狀態(tài)時(shí)，它表現(xiàn)得像絕緣體一樣。一旦狀態(tài)打破，它在氧化態(tài)和還原態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，便能與溶液發(fā)生離子交換，實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程，成為電導(dǎo)體。

當(dāng)研究者把納米發(fā)電機(jī)兩端與電極相連，再放入鹽水流體中時(shí)，溶液接觸碳納米管纖維的同時(shí)，也打破了雙層材料內(nèi)部原本平衡的電荷分布狀態(tài)。由此，外層與內(nèi)層之間出現(xiàn)電荷梯度，就產(chǎn)生了電。只要流體運(yùn)動(dòng)不停，電荷梯度就會(huì)一直存在下去，從而產(chǎn)生不間斷的電流。

研究者指出，早在2010年，史蒂文斯理工學(xué)院的科學(xué)家們就制造出能附著在體表的壓電納米發(fā)電機(jī)。它通過(guò)感應(yīng)血液在經(jīng)脈中流動(dòng)的“推力”輸出能量。2011年，來(lái)自瑞士伯爾尼應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)又制造出一款能夠感應(yīng)血流量的發(fā)電渦輪機(jī)。如今，人們發(fā)現(xiàn)安置在體內(nèi)的納米發(fā)電機(jī)用起來(lái)更方便。它伸縮靈活，持續(xù)變形100萬(wàn)次后依然保持良好性能。一組青蛙活體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與太陽(yáng)能電池和其它小型能量收集裝置相比，新型納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率要高出22.3%。

能源發(fā)展史上的一個(gè)重大突破

媒體表示，自電子智能設(shè)備產(chǎn)生以來(lái)，就為電池打開(kāi)了銷售渠道。盡管已有無(wú)數(shù)研究致力于提高電池的使用壽命，但迄今為止電池的進(jìn)步未能與其價(jià)格增長(zhǎng)幅度相匹配。在便攜成為主流的大環(huán)境下，研究者不得不轉(zhuǎn)換思路，探索從用戶身上直接收集能量的新方式。

除了以上提到的運(yùn)動(dòng)發(fā)電和血液發(fā)電，體熱發(fā)電也是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。因?yàn)槿耸菧匮獎(jiǎng)游?，體溫總保持在37攝氏度左右，皮膚和空氣之間始終有溫差存在。如果用膠帶或膠水將微型熱電發(fā)電機(jī)固定在皮膚表面，溫差就會(huì)在電路中產(chǎn)生電流。這種能量轉(zhuǎn)換方式不僅能為可穿戴設(shè)備供電，還能把人體變成手機(jī)充電器。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院提出的體外運(yùn)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，雖然充電效果不夠理想，但研究者表示他們正開(kāi)發(fā)一個(gè)更強(qiáng)大的消費(fèi)版本，預(yù)計(jì)今年年底就能出結(jié)果。而體內(nèi)納米發(fā)電機(jī)盡管具備諸多理想特征，但會(huì)帶來(lái)心肌肥大或血液黏滯等潛在健康威脅。

外媒評(píng)論認(rèn)為，將人體變?yōu)殡娏?lái)源的設(shè)備本就不多，如果該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展成熟，將是能源發(fā)展史上的一個(gè)重大突破。過(guò)去太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能由于綠色清潔，受到環(huán)保人士的推崇。而人體發(fā)電設(shè)備不僅具備清潔能源的優(yōu)勢(shì)，還突破了地域環(huán)境條件的限制。它們不依賴于天氣，只要生命在運(yùn)動(dòng)，它們就可以在任意時(shí)間被使用。未來(lái)只要輸出電量足夠大，人們甚至不再需要充電器或插頭就能使用手機(jī)等便攜電子設(shè)備。