向人體借點(diǎn)能量

科學(xué)家將人們在睡眠狀態(tài)下身體的功耗定義為“基礎(chǔ)代謝率”。普通成年人的基礎(chǔ)代謝率平均為85瓦特，高于一臺(tái)家用電風(fēng)扇的功率（40～60瓦特）。在這85瓦特中，肝臟和脾臟的總功耗約為23瓦特。肝臟是能量代謝和解毒器官，脾臟是重要的免疫器官之一，同時(shí)負(fù)責(zé)過濾和儲(chǔ)存血液。除去肝臟和脾臟，其余器官和組織按照功耗大小依次為：大腦（16瓦特）、骨骼肌（15瓦特）、腎臟（9瓦特）、心臟（6瓦特）、其他組織和器官（共16瓦特）。

那么，人能輸出多大的功率呢？在短跑時(shí)，普通人能達(dá)到300～400瓦特的輸出功率，但只能維持幾分鐘。受過專業(yè)訓(xùn)練的自行車運(yùn)動(dòng)員，能保持?jǐn)?shù)小時(shí)如此強(qiáng)度的功率輸出。世錦賽男子100米短跑選手，甚至能在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)出2000瓦特的輸出功率。這個(gè)數(shù)字聽上去很大，但就連老掉牙的“幸福250”摩托車的最大輸出功率都能達(dá)到7300瓦特。看來，人的輸出功率確實(shí)很一般。

據(jù)科學(xué)家統(tǒng)計(jì)，一個(gè)吃飽飯、干勁十足的成年體力勞動(dòng)者，可以在8小時(shí)的工作時(shí)間內(nèi)持續(xù)保持75瓦特的做功輸出。不過，要將這些機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能等其他形式的能量，勢必會(huì)有損耗。例如，我們在戰(zhàn)爭片中經(jīng)常可以看到一個(gè)背著戰(zhàn)地電話的電話員，在撥打電話前他必須卯足勁兒，轉(zhuǎn)動(dòng)好幾十下固定在電話機(jī)上的手搖桿，才能通過電話內(nèi)置的小型電磁發(fā)電機(jī)，給電話機(jī)（5～10瓦特）提供足夠的電能用于通信。據(jù)轉(zhuǎn)過戰(zhàn)地電話手柄的人回憶，這種設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)起來相當(dāng)吃力，沒有強(qiáng)健的體格根本轉(zhuǎn)不了一圈。

在智能手表已經(jīng)十分普及的今天，能不能讓智能手表直接從人體獲得電能呢？讓人轉(zhuǎn)手柄發(fā)電的方法肯定是難以推廣的，因此一些科學(xué)家想到了利用人類身體的熱量。為了滿足一天24小時(shí)的能量需求，一個(gè)成年人一天要從食物中獲取約2000千卡的能量。我們從食物中獲得的能量有三個(gè)歸宿：其一，用于維持我們身體運(yùn)作;其二，被轉(zhuǎn)化成脂肪儲(chǔ)存起來;其三，轉(zhuǎn)化成熱量。其中，許多熱量并沒有被我們所使用，而是通過我們皮膚和呼出的氣體持續(xù)散佚到周圍環(huán)境中，而且總量還不少，這也是為什么冬天人多的房間更暖和的原因。

既然人體會(huì)持續(xù)散佚熱量，那么我們?yōu)楹尾粚⑦@部分廢熱收集起來，為低能耗的電子設(shè)備供電呢？

1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，用兩種不同材料的金屬導(dǎo)線連接冷源和熱源，在這樣的回路中能夠產(chǎn)生電流。他將這種由溫差產(chǎn)生電流的效應(yīng)稱為熱電效應(yīng)。如果我們佩戴上一塊配備有熱電發(fā)電裝置的手表，那么只要我們體溫高于外界溫度，這塊手表就能利用溫差進(jìn)行發(fā)電。這樣的熱電裝置每平方厘米的發(fā)電功率約為30微瓦，而普通電子表的功率僅約為5微瓦。

2016年，某智能手表廠商推出了一款熱電智能手表，但其功能十分寒酸：除了普通手表的計(jì)時(shí)功能，只有簡單的計(jì)步、熱量計(jì)算和睡眠跟蹤功能。這很可能是因?yàn)槭直韮?nèi)部本就不富裕的空間在被塞進(jìn)不小的熱電模塊后，就裝不下其他類型的傳感器了。

休息狀態(tài)下人體平均耗能為85 瓦特

相比手表，人體醫(yī)用植入設(shè)備更需要免更換電池的特性?？茖W(xué)家正在想辦法提高熱電裝置的發(fā)電效率，從而讓植入醫(yī)療設(shè)備可以從人體獲取能量，免去患者定期取出設(shè)備、更換電池的痛苦。

一些胃病患者吃下食物后，胃部無法正常收縮，導(dǎo)致食物不能從胃部排空進(jìn)入腸道。為了維持正常的胃動(dòng)力，醫(yī)生需要給他們植入人工胃起搏器。胃起搏器是一個(gè)長約6厘米的裝置，可以通過電擊胃部肌肉，恢復(fù)胃部蠕動(dòng)，使患者的消化系統(tǒng)正常工作。目前的熱電裝置已經(jīng)可以利用0.3 ℃左右的溫差進(jìn)行微弱發(fā)電，這為未來醫(yī)用設(shè)備完全從人體獲得能量做好了準(zhǔn)備。

將人體的熱量轉(zhuǎn)化成電能，熱電裝置必須柔韌、纖薄且無毒。雖然薄片式的熱電發(fā)電裝置不如那些有大型熱儲(chǔ)單元的熱電發(fā)電裝置的發(fā)電效率高，但無論是智能可穿戴設(shè)備還是醫(yī)療植入設(shè)備，它們中多數(shù)的平均功耗都在微瓦級(jí)，薄片式熱電發(fā)電裝置已足夠支撐這些設(shè)備。即便要支持更高功耗的設(shè)備，也不是沒有辦法。一些科學(xué)家將熱電發(fā)電薄膜植入衣物中，利用面積較大的腰腹部進(jìn)行熱電發(fā)電，有效解決了為更大功率設(shè)備供電的問題。

不僅人可以使用熱電發(fā)電裝置，就連“好奇號(hào)”火星車和“旅行者2號(hào)”等深空探測器都配備了熱電發(fā)電模塊。旅行者2號(hào)的該模塊能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)40年，在此期間，該模塊會(huì)將電能源源不斷地供給“旅行者2號(hào)”。

排空能力弱的胃需要人工設(shè)備的刺激

已經(jīng)飛至太陽系邊緣的“旅行者2號(hào)”探測器，其中就配備了熱電發(fā)電模塊