耗之不竭的電池

人的身體產(chǎn)生的能量足以為可穿戴設(shè)備、醫(yī)療傳感器和植入式器械提供動力，而設(shè)計師正在努力將其變成現(xiàn)實。

人是一部復(fù)雜的機器，擁有可以彎曲、擠壓、拉伸、流動、顫抖和跳動的運轉(zhuǎn)部件。科學(xué)家現(xiàn)在正在利用這些能源來解決困擾可穿戴設(shè)備、醫(yī)療傳感器和植入式器械的常見問題——電池電量耗盡。

通過設(shè)計實現(xiàn)自我供電的設(shè)備，這一問題有望得到解決。人體本身就可以充當(dāng)便攜式電源，正好可以為迅猛增長的可穿戴設(shè)備市場提供動力。“電子藥”已開始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)醫(yī)藥領(lǐng)域，因此會有更多的人將依賴于植入式電刺激器和起搏器等器械來保持健康。這些器械可通過“生物電池”和能量采集性能實現(xiàn)能源自主，無須進行侵入性手術(shù)來更換電池。這種無線技術(shù)將能夠避免植入的充電電纜被移位或被感染——這些都是在今天司空見慣的問題。

自21世紀(jì)初以來，科學(xué)家一直在研究由人體供電的設(shè)備。相對于源自人體的微量電力來說，這項技術(shù)所需的能耗太大。但經(jīng)過20年的發(fā)展，現(xiàn)在的設(shè)備消耗的能量已經(jīng)非常低，這為無數(shù)從人體獲取能量的想法開啟了一扇大門。

細(xì)胞發(fā)電站 細(xì)胞可以看作電池——將含糖燃料轉(zhuǎn)化為能量的生化電池。德國初創(chuàng)公司Celtro正在利用這一活體能源，通過微針陣列從數(shù)十萬個細(xì)胞中獲取微量能量。Celtro的首款產(chǎn)品將是一種微型自主起搏器。公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人格爾德 · 泰佩（Gerd Teepe）介紹說：“肌肉收縮會從某一個位置開始，然后擴散至整個心肌中。我們希望利用這種雪崩效應(yīng)，在多個點位收集能量。”除了收集能量，多功能微針還可以插入心臟組織，對心臟進行監(jiān)測，并在必要時提供輔助性電刺激以恢復(fù)起搏。2021年，Celtro籌集到了種子資金，以開展實驗室概念驗證。

紙質(zhì)燃料電池 法國初創(chuàng)公司BeFC正在制造已經(jīng)通過環(huán)保認(rèn)證的生物電池。該公司生產(chǎn)的電池使用了碳層、纖維素層和葡萄糖層，以及少量專有酶。加入一滴液體，例如血液或尿液，就會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能。這種紙片可以為一次性診斷設(shè)備和連續(xù)監(jiān)測傳感器提供動力，如糖尿病患者使用的葡萄糖監(jiān)測包。這些電池在用過之后，甚至可以用于堆肥，而不像其他微型電池那樣最終被丟棄或焚燒。BeFC目前正在籌集A輪融資，預(yù)計其第一批產(chǎn)品將在2024年上市。

顫動心臟 總部位于巴黎的初創(chuàng)公司Cairdac正在研發(fā)一種由心臟本身提供動力的起搏器。該公司的無鉛起搏器被裝在一個裝有壓電能量收集器的“膠囊”里，這個膠囊類似于一個由心跳、血液流動和振動引起擺動的鐘擺。擺動被轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，直到起搏器監(jiān)測到心臟需要震動來重置節(jié)奏。最近，這家初創(chuàng)公司在A輪融資中籌集了1 700萬歐元（約合1.27億人民幣），以繼續(xù)進行臨床前測試并向人體試驗邁進。

體內(nèi)照明 太陽能電池板正在成為一種常見的家用設(shè)備，而且它們也可能很快在醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，植入皮下的太陽能電池板產(chǎn)生的電力相當(dāng)于陽光直射下的10%，足以為一個耗能超低的傳感器供電。暴露于陽光之下數(shù)個小時就可以使一個植入式溫度傳感器運行24小時，最佳植入部位位于頸部和肩部之間。

水力發(fā)電心臟 瑞士伯爾尼大學(xué)的研究人員表示，小型渦輪機可以利用血液流動并將其轉(zhuǎn)化為電能。他們設(shè)計了一款可以植入心臟血管中的魚雷狀渦輪機。這種設(shè)備就像水力發(fā)電站一樣，可以利用血流發(fā)電。該技術(shù)面臨一個尚未解決的巨大挑戰(zhàn)，即如何避免在渦輪機的葉片上形成血塊。但在實驗室模擬中，該渦輪機產(chǎn)生的能量足以為市面上的無鉛心臟起搏器供電。

壓電貼片 意大利初創(chuàng)公司PiezoSkin宣稱，該公司已經(jīng)開發(fā)出一種超薄壓電皮膚貼片，可以同時測量運動并從中獲取能量。在一項研究中，該公司用這種貼片監(jiān)測吞咽困難者的頸部運動。該公司的生物相容性薄膜也可以從其他身體運動和振動中獲取能量，用于傳感器和可穿戴設(shè)備。

感知熱量 瑞士初創(chuàng)公司Mithras表示，可以利用熱量為可穿戴生物傳感器甚至植入設(shè)備提供動力。該公司的熱電發(fā)電機（TEG）通過利用人體和環(huán)境之間的溫差來發(fā)電。Mithras公司估計，只要溫差達(dá)到5℃，一塊面積為12平方厘米的TEG皮膚貼片就能完全為一個人工耳蝸供電。

資料來源 Wired