人體內的動力

美國科學協會的一份最新報告指出：人體內蘊涵有化學能、動能、靜電能與溫差能等，每人每年源源不斷發出的這些廢棄的能量達到0.182千瓦；全球現有70多億人每年廢棄的總能量達到12.7億千瓦；相當于7座中國三峽水電站的發電總量。

由此科學家寄予希望的是，利用人體蘊涵的動力，讓人體內的醫療植入物像良性寄生蟲那樣運轉，即從人體內悄悄吸取足夠的能量，讓自身運行，而人類作為寄主甚至都沒有察覺到。

體內醫療裝置完全棄用電池

真是諸事不順。你的視網膜植入物告訴你，現在已是黃昏時分，盡管你才剛剛吃過午飯。你的心咚咚直跳，可是眼前并沒有讓你傾心的戀人。植入你體內的傳感器已經發出3次血糖警報和一次心臟病發作的警告——像往常一樣，這些都是錯誤警報。甚至那個討厭的膀胱控制閥似乎也是又一次泄漏，一聲嘆息!要是你的醫生能早點安排給你做電池更換手術，那該多好!現在你只能排隊等候。

這種可怕的以電子或電動機械裝置行使人體部分生理功能的狀況還沒有成為現實，但也并非純屬科學幻想。數以百萬計的心臟病患者已經植入了起搏器和除顫器，數以萬計的耳聾患者通過植入人造耳蝸改善聽力。

關于其他可以植入人體裝置的想法層出不窮，其中包括植入大腦下垂體的刺激器以阻止饑餓信號；或植入脊背肌的調控器以防止肥胖，抑或植入胸骨肌的靜電器治療帕金森病和慢性神經疼痛，還有植入胸腔的傳感器以監測癌癥或心臟病發作的分子預警信號。盡管如此，有一點美中不足：更換電池簡直太難了。

現在，植入了以電池為動力的起搏器的心臟病患者，就需要每隔3～5年做一次手術，以便更換電池。每次手術花費2萬美元，并且誰也不喜歡為了更換電池而讓自己的胸腔被打開。

或許有更好的辦法。研究人員正在探索利用人體內部的動力——不是某種神秘的生命力，而是人體自身食物儲存所蘊涵的化學能量——并將部分動力轉換成電。人們寄予希望的是，可以讓醫療裝置像良性寄生蟲那樣運轉，即悄悄吸取足夠的能量，讓自身運行，而你作為寄主甚至都沒有察覺到。

我們談論的是為許多裝置提供從幾十微瓦到幾毫瓦的功率。同樣也可以利用我們人體中的動能，即我們的心臟不停跳動與肌肉運動所產生的動能。還有人體源源不斷發出的廢棄的熱能溫差與靜電，這些所謂的能量提取系統有幾個已經處于試驗樣品階段，更多的還在研發中。有可能在幾年時間里，許多醫療裝置將完全棄用電池。最終，你的身體甚至可能提供足夠的電能，像帶動手機或MP4那樣帶動醫療裝置。

利用人體化學能

醫療植入物最好的動力來源是你的身體已經用作能量供應的葡萄糖。葡萄糖含有巨大的能源——你每天攝入的食物裝載著相當于一千節AA電池的能量。因此，將一點食物轉化為電能，為體內的植入物提供動力，應該不會造成痛苦。

美國航天工程師們正在研發生物燃料電池，這種電池有一個電極將葡萄糖的電子剝落，并將電子傳遞到有氧的另一電極，從而產生電壓，通過外部電路帶動電流。葡萄糖和氧由人體提供，因此燃料電池本身的構成只有兩個電極和一對導電用的觸點。

燃料電池傳導的電流受制于電極的表面面積，但除此之外，燃料電池的體積可以極小；對可能僅需幾十微瓦的起搏器或傳感器來說，一個葡萄糖燃料電池可以置于胸腔或肌肉組織內，或者附著在它要提供動力的裝置上。

順便提一句，動力與電極表面面積的關系表明，你不可能利用葡萄糖燃料電池幫助減肥。如果要達到減肥效果，燃料電池必須將你從正常飲食中吸收的能量中的相當一部分消耗掉，這就需要電極表面面積達到數千平方厘米，那還不如去騎自行車呢。

目前制造的實驗性可植入生物燃料電池多數用酶來催化每個電極上的反應，因為這能比非酶電極釋放更多的能量，盡管如此，這還是一種缺陷。酶的活性只能持續幾小時，或最多幾天，然后開始減弱，導致功率輸出迅速衰減。因此，酶燃料電池尚未從實驗室階段跨越到實用階段。

為了延長電池壽命，一些研究人員嘗試采用更持久的酶，這種酶來自溫泉中的細菌，另一個有希望的方法是把酶保存在電極表面類似膜一樣的袋中。實際上，開發性能超越電池的可植入燃料電池越來越困難，因為體積更小，功率更大的電池不斷面世。

一個由得克薩斯大學的拉切爾·威爾頓領導的研究小組正在研發一種不用外殼的電池，這種電池為鋅陽極、氫化銀陰極，兩個電極都包裹著一層薄膜，以保留反應物，排斥不需要的交叉反應物。威爾頓希望最終能制造出一種體積小于1立方毫米的電池。

盡管這種電池只能持續幾天，但這沒關系，因為威爾頓設想它可以用于一次性貼片式傳感器，類似某種已經投放市場的血糖監測器。使用者將傳感器電極插入皮下——幾乎沒有疼痛感，因為傳感器電極像發絲一樣纖細——并將貼片固定好。幾天后，他們可以拿出貼片，拔出電極，更換新的電池。

利用人體動能

如果利用人體的化學能被證明太困難，那么提取一點點取之不盡的人體動能怎樣?動能以各種形式存在：例如呼吸和心跳這類有規律、不斷重復的動作，或四肢的自發運動，比如行走、屈臂。英國生物能工程師愛德華·威爾遜已經制造出實用的裝置，能接受機械振動產生的能量。現在的問題在于如何將這種技術運用于為醫療裝置提供動力。

2010年12月，英國貿工部宣布了一項價值100萬英鎊的計劃，由政府和行業各投資一半，成立一個開發人體內微發電機的財團。大多數設計工作正在由南安普敦大學下屬的Perpetuum公司進行，該公司現已制造了一個比例放入的樣機，體積相當于該裝置預計體積的5倍。這個樣機開始在實驗室投入試驗。

新型發電機的工作原理是利用一個移動物體的慣性，要么促使電容器的帶電極板靠攏，要么通過磁場移動一個導電線圈。最終的目標是制造一個跨度為6毫米，長度為20或30毫米的裝置，能產生足夠的能量來帶動心臟起搏器或生物傳感器。開發者希望5年內向市場投放這種發電機。

不過，對于更多渴求動力的裝置來說，這種慣性發電機看來不是一個可取的辦法。在南安普敦大學領導歐盟振動能利用項目的史蒂夫·布勞頓估計，一個慣性發電機產生10微瓦功率可能需要一個20克的物體移動5厘米——這樣的裝置太不實用，不適合植入體內。

另一種將運動轉化為電能的途徑是壓電發電。只要彎曲壓電材料，就能產生電壓，因此從字面上看，這是一個有價值的制造發電機的選擇。

不過，許多專家對用壓電材料為醫療裝置提供動力的前景感到悲觀。理由是壓電材料比較脆弱，電力輸出也有限。但是，Perpetuum公司的專家們正在改用鯊魚皮研制壓電發電池，有望五年后推出實用產品。

利用人體溫差能

雖然生物電池和機械發電機尚未通過試驗樣品階段，熱力發電卻已經產生了至少一個產品。

你的身體流失大量的熱能——如果你的活動不比閱讀這篇文章更累，那么流失熱能的速度相當于100瓦的功率。但是，如果你從事辛苦的體力勞動，那么流失熱能的速度會增加許多倍。這樣的熱能——或者準確地說，是你的皮膚與空氣之間、或你的身體較暖的部分與較冷的部分之間的溫度差異，從而產生能量。

人們知道這種溫差能效應已經有200多年了，并正在嘗試利用。

首先，人體上微小的溫差可以產生極其微弱的電壓，這很難提高到有用的程度，輸出功率也很低。但是，日本精工公司推出的利用體溫發電作為動力源的腕表，從皮膚體溫中吸收幾個微瓦的功率，為其電子器件提供動力。

不過，這種表體積較大，價格較高，很難進入實用的市場。目前，精工公司正在研制實用化的人體溫差供能產品。

利用人體靜電腦

如果利用人體的化學能、動能或溫差能都被證明比較困難，那么提取一點點取之不盡的人體靜電能怎樣?

美國航天工程的相關研究發現，人體不像金屬導體那樣有整齊的晶格點陣與大量的自由電子；也不像絕緣體那樣，電子受嚴重束縛形成絕緣性能。

由于人體存在大量的水與微量金屬元素等，所以就存在不少游離態的電荷。其中有自由電子，也有像骨頭與脂肪等電介質起著絕緣作用，所以導電性能介于金屬導體與絕緣體之間，可以認為是“生物半導體”例如體液中游離態的電荷存在，由于接觸分離或感應可使一般人體電位為1KV左右。某些情況下可高達50KV左右(如人在帶電雷云下行走，頭頂可被雷云感應出50KV靜電位)。

而且，人體生命活動的基本單位是細胞，每一個細胞(有細胞核、細胞質、細胞膜)就有三層，內層與外層都是蛋白質，中間一層是磷脂分子層，核與質中還有它們的微細結構。每個細胞可視為一個微型電池，都是小能源。細胞有一定的壽命，到時會死亡，相當于電池的化學能耗完報廢。人體的新陳代謝就相當于更新“電池”，所以有新的細胞不斷產生，維持著生命的延續。

美國太空生物工程學家瓦爾哈拉·雷諾的實驗發現，人體內心臟的跳動不斷地發出靜電，可在皮膚表面產生0.001～0.002伏，頻率約幾十周的電能。大腦也能產生0.00002～0.0001伏，頻率為10周的靜電能量。心電圖與腦電圖就是人們心臟與大腦活動的靜電記錄。

現在，雷諾領導的科研小組正在開發用海豚喉肌提取的似硅膠物制作生物蓄電池。這種直徑約三厘米的生物蓄電池，是利用心臟博動吸收10～20微瓦功率的靜電，為其電子器件提供動力。但目前這種生物蓄電池的制作材料提取難度很大，價格高昂，該科研小組正在尋求其他替代材料。

目前，人體能量提取裝置所能提供的動力，與它們在日復一日的使用中所應提供的動力之間，還存在很大的差距。但是看看幾年前，當時最早的便攜式電話的耗電與當今的節能設計之間也存在類似差距。

如果能量提取裝置能繼續改善性價比與輸出功率，植入的電子裝置能繼續完善耗電量，那么，用不了多久，你的身體將能提供你需要的所有電力，從而免除你更換電池的負擔。

更重要的是，人體動力應用的廣泛深入研究，是生命科學領域的一個新的前沿，那里，很可能孕育著自然科學的新的偉大突破，可能將會發現生命物質運動中“新的物理學定律”。

(譯據美國《奧秘與探索》)