Bateri baru boleh ditanam untuk peranti berkuasa manusia?
Menurut laporan media asing, para saintis sedang mengkaji penukaran tenaga mekanikal, haba, dan kimia dalam tubuh manusia menjadi tenaga elektrik melalui kesan piezoelektrik, penukaran tenaga haba, kesan elektrostatik, dan tindak balas kimia, untuk menyediakan peranti yang boleh dipakai atau boleh ditanam. Dikuasakan oleh.
Dalam ISing the Body Electric, penyair Walt Whitman bercakap dengan penuh kasih sayang tentang "tindakan dan kuasa" "otot yang cantik, pelik, bernafas, ketawa." Lebih dari 150 tahun kemudian, ilmuwan bahan MIT dan insinyur Canan Dagdeviren dan rekan- rekannya menggunakan penelitian untuk memberikan makna baru pada puisi Whitman. Mereka bekerja pada peranti yang boleh menjana elektrik dari mengalahkan hati orang.
Elektronik hari ini sangat kuat sehingga kuasa pengkomputeran telefon pintar jauh melebihi kuasa pemprosesan peralatan krew yang berkaitan dengan NASA ketika angkasawan pertama dihantar ke bulan pada tahun 1969. Dari masa ke masa, perkembangan pesat teknologi telah membawa kepada jangkaan yang lebih tinggi dan lebih tinggi untuk peranti boleh pakai atau boleh ditanam.
Kelemahan utama peranti yang paling boleh dipakai dan boleh ditanam masih hayat bateri, yang kapasiti bateri terhad boleh mengehadkan penggunaan jangka panjang peranti. Apabila kuasa perentak jantung habis, yang perlu anda lakukan ialah menggantikan bateri untuk pembedahan pesakit. Penyelesaian asas untuk masalah ini mungkin terletak di dalam tubuh manusia, yang kaya dengan tenaga kimia, haba, dan mekanikal. Ini telah menyebabkan para saintis berulang kali mengkaji bagaimana peranti menuai tenaga dari tubuh manusia.
Sebagai contoh, pergerakan yang dibuat seseorang semasa bernafas boleh menjana 0.83 watt tenaga; tubuh manusia mempunyai kira-kira 4.8 watt haba dalam keadaan tenang; dan lengan seseorang boleh menjana sehingga 60 watt tenaga semasa bersenam. Seorang perentak jantung hanya memerlukan lima juta watt untuk berjalan selama tujuh tahun, alat bantu pendengaran hanya memerlukan seribu watt untuk berjalan selama lima hari, dan watt kuasa boleh menggerakkan telefon pintar selama lima Jam.
Sekarang Dagviren dan rakan sekerja sedang menyiasat cara menggunakan tubuh manusia itu sendiri sebagai sumber tenaga untuk peranti itu. Penyelidik telah mula menguji peranti boleh pakai atau boleh ditanam pada haiwan dan manusia.
Salah satu strategi penuaian tenaga ini melibatkan menukar tenaga daripada getaran, tekanan dan tekanan mekanikal lain kepada tenaga elektrik. Kaedah ini menghasilkan apa yang dipanggil piezoelektrik, yang biasanya digunakan dalam pembesar suara dan mikrofon.
Bahan piezoelektrik yang biasa digunakan adalah zirkonat titanate plumbum, tetapi kandungan plumbumnya yang tinggi telah menimbulkan kebimbangan kerana plumbum terlalu toksik kepada manusia. "Tetapi untuk memecahkan plumbum secara struktur, anda perlu memanaskannya hingga lebih daripada 700 darjah Celsius," kata Dagvilen. "Anda tidak akan pernah sampai ke suhu itu dalam tubuh manusia."
Untuk memanfaatkan kesan piezoelektrik, Dagviren dan rakan-rakannya membangunkan peranti rata yang boleh dilekatkan pada organ dan otot seperti jantung, paru-paru dan diafragma. Peranti ini "tidak kelihatan secara mekanikal" kerana sifat mekanikal mereka lebih mirip dengan persekitaran mereka, jadi mereka bergerak tanpa mengganggu fungsi normal tisu-tisu ini.
Setakat ini, peranti telah diuji pada lembu, biri-biri dan babi, kerana haiwan ini mempunyai hati kira-kira saiz yang sama dengan hati manusia. "Apabila peranti ini diputarbelitkan secara mekanikal, ia menghasilkan caj positif dan negatif, voltan dan arus, supaya tenaga dapat dituai untuk mengecas bateri," jelas Dagviren. "Anda boleh menggunakannya untuk menjalankan peranti bioperubatan jantung seperti perentak jantung, dan bukannya perlu diganti secara pembedahan setiap enam atau tujuh tahun selepas bateri habis."
Para saintis juga sedang membangunkan penuai tenaga piezoelektrik boleh pakai yang boleh dipakai pada lutut atau siku, atau diletakkan di dalam kasut, seluar atau seluar dalam. Dengan cara itu, seseorang boleh menjana elektrik untuk elektronik apabila mereka berjalan atau bengkok.
Ia mungkin kelihatan berlawanan apabila mereka bentuk komponen piezoelektrik yang anda tidak memerlukan bahan terbaik untuk menjana elektrik. Sebagai contoh, bukannya memilih bahan yang boleh menukar 5% tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik, saintis mungkin menggunakan bahan yang mempunyai kecekapan penukaran sebanyak 2 peratus atau kurang. Sekiranya ia diterjemahkan lebih banyak, "ia mungkin melakukannya dengan meletakkan lebih banyak beban pada badan, tetapi pengguna pasti tidak mahu letih dari itu," kata Dagvilen.
Kaedah penuaian tenaga lain ialah menggunakan bahan penukaran termoelektrik untuk menukar haba pukal kepada tenaga elektrik. "Hati anda berdegup lebih daripada 40 juta kali setahun," kata Dagviren. Semua tenaga ini hilang sebagai haba badan—sumber yang berpotensi yang boleh ditangkap.
Penjanaan kuasa haba manusia menghadapi beberapa masalah besar. Jenis penukaran tenaga ini sering bergantung pada perbezaan suhu, tetapi suhu badan badan sering tetap agak malar, jadi perbezaan suhu dalam badan tidak cukup tinggi untuk menghasilkan banyak elektrik. Walau bagaimanapun, jika peranti ini boleh terdedah kepada persekitaran luaran yang agak sejuk semasa mengumpul suhu badan, masalah itu boleh diselesaikan.
Para saintis meneroka peranti yang menjana haba untuk peranti boleh pakai, seperti jam tangan berkuasa. Haba yang dihasilkan oleh tubuh manusia boleh, pada dasarnya, menjana elektrik yang mencukupi untuk menggerakkan monitor kesihatan tanpa wayar, alat bantu pendengaran buatan dan stimulator kortikal serebrum untuk penyakit Parkinson.
Di samping itu, saintis juga cuba menghidupkan peranti melalui kesan elektrostatik biasa. Apabila dua bahan yang berbeza bertembung atau menggosok antara satu sama lain berulang kali, permukaan seseorang boleh merebut elektron dari permukaan yang lain, mengumpul caj elektrik, fenomena yang dikenali sebagai elektrifikasi triboelektrik. Kelebihan utama elektrifikasi triboelektrik adalah keupayaan hampir semua bahan, baik semula jadi dan sintetik, untuk menjana elektrik statik, yang membuka banyak kemungkinan bagi penyelidik untuk merancang pelbagai jenis alat.
"Semakin saya mengkaji triboelektrik, semakin menarik, dan semakin banyak aplikasi yang mungkin ada," kata pakar nanoteknologi Georgia Tech ZhongLin Wang, pengarang bersama makalah itu. "Saya dapat melihat diri saya berkomitmen untuk penelitian ini selama 20 tahun ke depan."
Jumlah elektrik yang dihasilkan oleh bahan yang berbeza melalui triboelektrik berbeza-beza, jadi saintis bereksperimen dengan pelbagai bahan. Para penyelidik membuat grid kiub yang menyerupai blok bandar mikroskopik, nanowires yang menyerupai hutan buluh, dan pelbagai piramid jenis yang menyerupai Piramid Besar Giza. Bukan sahaja bahan-bahan ini "kelihatan cantik," kata Wang, tetapi meliputi permukaan dengan pelbagai piramid boleh meningkatkan penjanaan kuasa dengan faktor lima berbanding panel rata.
Penyelidik telah menjalankan eksperimen pada tikus, arnab dan babi, di mana mereka telah menguji perentak jantung, monitor jantung dan peranti implan lain yang dikuasakan oleh pernafasan dan degupan jantung yang cepat. "Kami juga menyiasat sama ada kami boleh menggunakan triboelektrik untuk merangsang pertumbuhan sel dan mempercepatkan penyembuhan luka," kata Wang. "Juga, kami telah memulakan eksperimen triboelektrik pada rangsangan saraf untuk melihat sama ada kami boleh melakukannya untuk neurosains. sebarang sumbangan."
Wang dan rakan-rakannya juga merancang peranti boleh pakai yang dikenakan secara triboelectrically. Sebagai contoh, mereka membuat kain triboelektrik yang boleh mengecas gelang tangan fleksibel dengan bateri lithium-ion. Alat ini memberi kuasa kepada monitor kadar denyutan jantung boleh pakai yang didayakan Bluetooth, yang menghantar datanya secara wayarles ke telefon pintar. "Tenaga mekanikal yang dihasilkan oleh pergerakan manusia setiap hari boleh ditukar menjadi elektrik melalui kain kami," kata Wang.
Strategi lain bergantung pada peranti yang dipanggil sel biofuel, yang menjana elektrik melalui tindak balas kimia antara enzim dan molekul penyimpanan tenaga dalam badan, seperti glukosa dalam darah, atau laktat yang dirembeskan dalam peluh. Sebagai contoh, dehidrogenase selobiosa yang diekstrak dari kulat boleh memecahkan glukosa dan menjana arus elektrik dalam nanometer (bilion meter) tiub karbon.
Pemilihan enzim boleh menjadi rumit. Sebagai contoh, walaupun beberapa saintis telah mendapati bahawa glukosa oxidase boleh menjana elektrik dalam sel biofuel yang ditanam pada tikus makmal, enzim juga menghasilkan hidrogen peroksida (komponen peluntur biasa), yang mungkin Ia akan merosot prestasi peranti dan menyebabkan kemudaratan badan.
Dalam kajian lain, mengimbas mikrograf elektron menunjukkan bahawa nanotube karbon yang digunakan dalam sel biofuel eksperimen dapat menjana elektrik dari badan. Tiub disalut dengan enzim yang memproses molekul tenaga semulajadi, seperti laktat dalam peluh atau glukosa dalam darah. Alat ini adalah elektroaktif sambil menyediakan kawasan permukaan yang besar untuk enzim bertindak balas dengan tenaga, membolehkan lebih banyak elektrik dijana untuk jumlah tertentu.
Para saintis Perancis juga telah mencipta sel biofuel berdasarkan nanotube karbon bersalut enzim yang bersaiz kira-kira setengah sudu teh dan, apabila ditanam pada tikus, boleh menjana elektrik yang mencukupi untuk menggerakkan termometer LED atau digital dengan bertindak balas dengan gula darah . Eksperimen juga menunjukkan bahawa sel biofuel kain yang ditenun menjadi ikat kepala dan gelang tangan boleh menjana elektrik yang mencukupi untuk kuasa jam tangan melalui tindak balas kimia asid laktik dalam susu dan peluh dengan enzim.
Setakat yang diketahui oleh Dagvilen, tiada peranti ini kini berada di pasaran. Tetapi dia meramalkan teknologi akan berada di pasaran dalam masa kurang dari satu dekad. Pada masa akan datang, peranti penuaian tenaga mungkin menjadi lebih sesuai untuk tubuh manusia. Dagvilen dan rakan-rakannya juga bekerja pada alat penjanaan kuasa yang boleh rosak.
"Bayangkan," katanya, "meletakkan peranti di dalam badan anda, dan selepas beberapa ketika ia merosot menjadi molekul yang larut ke dalam cecair badan, dan anda boleh mengeluarkannya tanpa membuka dada anda: kita boleh menggunakan Bahan terbiodegradasi seperti sutera dan zink oksida yang terurai dari masa ke masa."
