動一動，用汗水發電

2015-01-04 06:13:12歡仔258

大眾科學 2015年6期

文｜歡仔258

動一動，用汗水發電

文｜歡仔258

2015年的菠蘿發明獎，頒給了來自美國加州大學圣地亞哥分校賈文昭等研究者的新發明——一種利用汗水發電的紋身貼。那么，為什么汗水也能發電？它的奧秘在哪里？

酶生物燃料電池問世

提到新能源，當人們還在想著太陽能、生物質能等“傳統新能源”時，加州大學圣地亞哥分校的研究團隊已經把目光瞄準了我們人類自己——用汗水來發電。

近年來，隨著可穿戴設備的興起，對這些設備的電源也提出了新的要求——更輕便、易于充電、對人體無傷害。因此，研究人員設想研制出能從穿戴者身上獲取足夠能量的可穿戴式電源。于是，就有了紋身生物燃料電池。

通常，人在做劇烈運動時，會產生乳酸等代謝物質，研究者利用酶來催化這些普通的生化物質和代謝產物，產生能量，制作出一種可以發電的紋身貼——酶生物燃料電池。想想看，夏天大家大汗淋漓的時候，在每個人身上都貼這么一塊電池來發電，那是一幅多么熱火朝天的景象啊！

“汗水電池”這個新發明，讓人們把產生能源的方式又回到人類自身。比如，以后你會選擇自己爬樓梯并發一點電，還是去坐電梯消耗電呢？

監測運動，順便發個電

人在做運動時，運動越劇烈，身體產生的乳酸也就越多。劇烈運動時，人體需要產生更多能量，因此會激活糖酵解代謝途徑。而該過程的代謝產物除能量外，還有乳酸。職業運動員可以通過在體能測試中監測血液中的乳酸水平，來評估自己的健身和訓練計劃。另外，醫生們也通過檢測病人在運動中的乳酸水平，來進行疾病診斷，例如心臟病或肺病。

但是，現有的乳酸檢測手段不但不方便，還會干擾測試過程，因為血液樣本必須要在運動過程中的不同時間點采集，然后進行分析處理，所以通常需要在運動中停下來，以檢測血液中的乳酸含量，而這對正處于運動中的人們來說顯然是不現實的，他們因此也就無法實時掌握自己的乳酸水平數據。

為解決這個問題，賈文昭所在的研究團隊最初設想的是做一個體外監測器。他們意識到，醫療保健行業正向著可穿戴式生物醫學設備方向轉變。這些設備便于監控重要的生理參數，如心率或血壓。研究者期望以非侵入且連續的方式，從人體汗液中測得相關數據。

由于人體汗液中的乳酸含量很高，因此，研究者將乳酸氧化酶“印”在紋身上，將它作為陽極物質，同時應用媒介體和碳納米管來催化乳酸的氧化，并采用鉑納米顆粒作為陰極，來催化空氣中氧氣的還原反應，從而在“汗水電池”中產生電流。這樣，通過電流的大小，人們就可以實時判斷測試者的運動情況。

“自食其力”有電發

研究者賈文昭表示，佩戴這種生物燃料電池和貼一張普通的紋身貼紙一樣，沒有特殊的感覺，而且一張貼紙可戴一天。在實驗中，志愿者戴著臨時紋身生物燃料電池在一天內運動2次，中間相隔4小時，電池還是可以正常工作。

不過研究團隊表示，現在這個電池的發電量還不高。該電池每平方厘米最大發電量目前能達到70微瓦，但是他們現在只能把電池做到2mm×3mm大小，能產生4微瓦的電量。這些電量對手表來說還小了點，一塊小的電子手表至少也需要10微瓦才能運轉。但別看它現在發電小，未來可大有發展。研究者正在尋找更有效的媒介體使催化效率更高，產生更大的電流。此外，研究者還計劃采取串聯并聯的方式使電量更大，再借助電子元件儲存電量，給電子設備供電。

不過具體能發多少電，還是要看佩戴者的身體素質。從乳酸含量看，身體素質越弱發電量反而越高。因為汗液中乳酸的分泌與身體運動強度直接相關，在無氧代謝時，高乳酸水平對應高的肌肉勞累程度。因此不經常運動的人在進行高強度運動時，產生的乳酸濃度會較高，也就會產生更大的電量。

除了做成紋身貼外，“汗水電池”還可能做成什么樣子？賈文昭表示：“我們正在研制不同的載體，比如衣服、運動頭箍等。我們希望這樣的電池最終可以作為我們的可穿戴傳感器供應電源，這樣，穿戴者就可以依靠自己提供的能量，來監測自己的健康水平。”

“汗水電池”這個新發明，讓人們把產生能源的方式又回到人類自身。比如，以后你會選擇自己爬樓梯并發點電，還是去坐電梯消耗電呢？（來源：果殼網責任編輯/余風）

作者系光學工程專業碩士生。