核心提示：能量收集技術給移動或可植入醫(yī)療設備供電創(chuàng)造了極好的機會。本文主要介紹了十種不同的人體運動能量收集設備和技術，這些設備和技術可能處于不同的原型創(chuàng)建和應用階段。

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

市場研究公司IDTechEX在最近發(fā)表的題為“2012年能量收集行動”報告中指出，2011年在能量收集元件本身方面的支出已達7億美元，預計到2022年將增加到接近50億美元。

移動電子設備的普及促進了新能源的開發(fā)。人體能源是一種新的替代品，它具有總是可用的優(yōu)點，不需要化學燃料或補充措施。

事實上，人體在從熱量散發(fā)、關節(jié)旋轉、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生可用電能方面是非常靈活的，這就給收集能量給移動或可植入醫(yī)療設備供電創(chuàng)造了極好的機會，而且這些設備可以使用很長時間，甚至實現(xiàn)永久供電。

下面介紹了十種不同的人體運動能量收集設備和技術，這些設備和技術可能處于不同的原型創(chuàng)建和應用階段。

耳朵供電的電池:聲波轉換成電信號

這種芯片小到足以安裝在中耳腔內。

由美國麻省理工學院、馬薩諸塞州眼耳醫(yī)院以及哈佛與麻省理工大學的聯(lián)合健康科學技術中心專家組成的科研小組成功地收集到老鼠內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，可以將聲壓波形轉換成電信號并發(fā)送到大腦。這些研究人員開發(fā)的芯片可以在不影響正常聽力的情況下收集到這種電能。

最終這些器件可以做到監(jiān)視聽力或平衡感受傷的人的耳朵內的生物活動，或對治療作出響應，甚至可能自己提供治療手段。

實用!膝關節(jié)壓電能量收集器

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

來自克蘭菲爾德大學、利物浦大學和索爾福德大學的英國研究人員組成的一個小組計劃開發(fā)一種壓電能量收集器，這種收集器將佩戴在膝關節(jié)上，依靠采集技術實現(xiàn)上變頻。這種能量收集器設計安裝在膝部外側，呈圓形，由一個外環(huán)和一個匯聚中心組成。當人在走路狀態(tài)時，外環(huán)隨膝關節(jié)運動而不斷旋轉。外環(huán)上安裝有72個撥子，這些撥子用于“采集”連接內部中心軸的能量產生臂。

由于能量收集器捆綁在膝關節(jié)上，因此用戶通過簡單的行走就能給心率計、計步器和加速度計等人體監(jiān)護設備供電，而且不用擔心用完電能和更換電池。

可佩戴的人體運動能量收集器

帥氣!帶發(fā)電機的夾克

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

拉脫維亞共和國里加科技大學的研究人員開發(fā)出一種機械式能量收集器，可以在人走路時發(fā)電。這種設備采用了一種平面結構，其中電力轉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。在自然的人體運動中，發(fā)電元件彼此會發(fā)生相對運動，從而在游絲形線圈內感應出脈沖電壓。

據(jù)這些研究人員透露，佩戴者以3公里/時、4公里/時、5公里/時和6公里/時的不同步行速度對這種能量收集器進行了廣泛測試，這4種速度分別對應一個中年人的慢跑、正常、快跑幾種步行狀態(tài)。

收集來自心跳的振動能量

上圖顯示了：(a)目前的起搏器，(b)通過能量收集技術供電的未來無線起搏器

法國原子能委員會旗下的電子信息技術研究所(CEA-Leti)和索林集團的研究人員正在開發(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產生的機械能來供電。

研究的目標是取消使用電池(因為傳統(tǒng)起搏器中的這種電池必須每隔6年到10年通過外科手術的方法進行更換)，同時開發(fā)出比傳統(tǒng)設計小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，并有望在今后5至10年內經(jīng)過充分的有效性測試和衛(wèi)生管理機構的同意后實現(xiàn)工業(yè)化生產。

面具AIRE:通過呼吸發(fā)電

Joo Paulo Lammoglia是英國倫敦的一位工業(yè)設計師，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能轉換為電能給小型電子設備充電。在面具內安裝有轉換風能的小型風輪機，能量則通過一根電纜傳送到佩戴者使用的小型電子設備。

AIRE可以在室內室外的任何場合使用，而且也可以在睡眠、走路、跑步或讀書時使用。它贏得了紅點(Red Dot)設計概念與原型競賽的設計概念大獎。

溫差!將人體熱量轉換成電流

研究生Corey Hewitt在納米技術實驗室研究熱電織物樣品。

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

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

靠心跳供電的起搏器

密歇根大學航空與航天工程系的研究人員設計出一種設備，它能收集透過胸部的心跳反射能量，并將之轉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)療機器可以發(fā)送電信號給心臟使它以健康的節(jié)率保持跳動。目前還沒有制造出原型，但研究人員宣稱“已經(jīng)規(guī)劃好詳細的發(fā)展藍圖，并執(zhí)行過仿真”，證明了這種想法的可行性。這種設計采用了百分之一英寸薄的壓電陶瓷材料，可以隨著心跳振動而運動，并將振動能量轉換為電能。

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——Apl.de.Ap基金會和Ninoy and Cory Aquino基金會建立合作伙伴關系而舉辦的籌資大會上，黑眼豆豆的Apl.de.ap和Will-i-am在Pavegen發(fā)電舞臺上盡情表演。

每當有人在英國新創(chuàng)企業(yè)Pavegen Systems公司制造的腳墊上走過時，都能收集到可再生能源。這種技術將動能轉換成電能，然后存儲起來用于各種應用。

跑步發(fā)電 跑30分鐘夠充12部手機

貝魯特的Nadim Inaty設計了一種綠色車輪——能量再生車輪，它可以將人體產生的動能轉換為電能。這種裝置由單個設備加上一個踏板和幾片綠草組成，共有3種不同等級，以適應不同力量的跑步者，它在30分鐘內產生的能量大約足夠給12部手機充電。