讓人體成為充電器

科學家正在開發能利用運動、汗液和體熱發電的新技術以及新材料。未來，人們身上的衣服就可以發電，為小型電子設備充電。

重要看點

通過人體能量收集技術，科學家開發了多種新型織物，可以將人體運動時產生的能量和汗液中的能量轉化為電能。

美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的科學家發現，織物上的小孔小于100納米時，就能利用空氣中的水分子發電。

英國格拉斯哥的一家俱樂部安裝了一套能量轉換系統，能利用客人的體熱供暖和制冷。

人們在用手機查看未來的天氣情況、發送短信和為商品支付費用時，手機的電量就會下降。通常，在手機電量即將耗盡時，人們就需要用充電器為手機充電。如果身在戶外，人們就需要盡快在附近找到便攜充電設備來充電。但未來，人們不必再為低電量而焦慮了，因為電源就在我們的身上。

我們的身體會產生大量能量，只是以前我們一直任由它們散失掉了。現在，科學家正在開發新材料和新裝置來收集這些能量，比如納米級的可編織發電機，可以像纖維一樣被編織進我們的衣服里。

也就是說，未來的衣服就含有能量收集纖維，能夠從我們的每個動作中采集能量，甚至能夠從我們皮膚上滲出的汗滴中采集能量。

科學家的目標是，未來我們不再需要充電器，因為我們隨時隨地就可以為小型電子設備充電。

更令人驚嘆的是，人體運動時產生的能量不僅可以用來為電子設備充電，還可以用來調節整棟建筑的室內溫度。

人體能量收集技術

從電動汽車到平板電腦、手機和各種可穿戴設備（如智能手表和心率監測器），這些高科技產品都需要電能，我們需要在它們的電池電量快耗盡時及時充電。

然而，我們并不總是在電源附近，持續的電力需求也給能源網絡帶來了巨大的壓力：隨著全球逐步向可再生能源時代過渡，人類需要大量可再生能源來滿足巨大的電力需求。

人體產生的能量就是一種可再生能源。我們在運動、出汗和散發熱量的過程中會不斷地產生能量。這些能量可以被收集起來，轉化為電能，科學家將這項技術稱為“人體能量收集技術”。

隨著各種新型材料和小型可穿戴能源設備的發明，科學家對人體能量收集技術的興趣與日俱增，尤其是對人體運動時產生的能量（也就是機械能）的利用。

人體的每次運動都會產生機械能。通常，這些能量最終都會以熱能的形式散逸到環境中。

如今，科學家開發了一種新型織物，不僅能夠將人體產生的機械能收集起來，還成功地將機械能轉化為電能。

新型織物是由“摩擦電材料”制成的，而科學家開發這種材料的靈感，源于摩擦起電現象。

當兩種物質發生摩擦時，由于不同物質對電子的束縛能力不同，電子會在這兩種物質之間發生轉移，這就是摩擦起電。也就是說，經過摩擦，一種物質會放出電子，并因此帶正電；而另一種物質會接收電子，帶負電。

如果用氣球摩擦頭發，我們就可以觀察到這種現象。頭發會失去電子，帶正電；而氣球會獲得電子，并帶負電，因此，經過摩擦，氣球能夠將頭發“吸”起來。

運用這一原理，科學家可以讓電子在電路中流動，從而產生電流。

為了從人體的運動中采集能量，研究人員設計了一種內部含有合金導體、外層包裹著硅膠材料的纖維。人們在穿著由這種纖維制成的衣服跑步時，織物會與皮膚摩擦，進而從皮膚上獲得電子。

接下來，衣服和皮膚之間會產生電壓差，使電子在纖維中流動，形成電流。這樣，人體就可以通過運動不斷產生電能。

利用汗液發電

科學家并沒有就此止步，因為有時人體的運動無法產生足夠的電能，人們也不可能時刻都在運動。所以，科學家把汗液作為另一種能量來源，開發了可以從汗液獲取能量的纖維。

人體的汗液中不僅有水，還含有一些可降解有機物，比如乳酸。這使汗液成了一種天然的生物燃料。科學家利用汗液和特殊纖維構建出了一種生物燃料電池，能成功地將汗液中的化學能轉化為電能。

非凡的碳納米管

碳納米管是一種性能卓越的納米材料，它的基本結構是碳原子與相鄰的3 個碳原子相連形成的一個個六邊形晶格。目前， 世界上最細的碳納米管直徑只有0.4納米。

碳納米管具有出眾的力學、電學和化學性能。這種材料的強度遠超鋼鐵，密度卻只有鋼鐵的1/6，這意味著它既輕，又擁有強大的載荷能力。碳納米管傳導電子的速度也很快，具有出色的導電性，這預示著更快的充電速度。

自1991年被發現以來，這種材料在各個領域都引發了廣泛關注，被譽為有可能“徹底改變21 世紀”的神奇材料之一。

利用人體發電

把摩擦電材料和“排汗纖維”織入衣服，就能從人體獲取能量。當我們運動時，摩擦電材料可以產生電能；當我們出汗時，汗液中的化學能也會被轉化為電能。

1發電纖維

將聚酯纖維與合金導體盤繞在一起，并用硅膠包裹起來，就制成了能利用人體的運動發電的纖維。發電纖維與皮膚摩擦時吸收電子，皮膚失去電子，使電荷重新分布。纖維在碰到皮膚前的一瞬間，電子在電壓差的作用下朝皮膚移動，形成電流。

2為電池充電

當發電纖維遠離皮膚的一瞬間，電子會反向流動。這是因為正電荷在靜電感應的作用下移動到了纖維內部的導體中，從而使皮膚與纖維之間形成新的電壓差。當發電纖維不斷接觸和遠離皮膚時，電子就會來回流動。這個過程可以為電池充電。

3汗液產生電能

“ 排汗纖維”含有碳納米管和生物酶。碳納米管可以提高電子的移動速度，而生物酶的作用在于促進汗液中乳酸的分解。當人體出汗時，汗液中的成分會分解產生代謝物、電子等，電子會從纖維被汗液浸濕的一端流向干燥的一端，形成電流。

什么是生物燃料電池

生物燃料電池和我們常見的電池有很多相似之處：它們都需要陽極釋放電子，需要陰極接收電子，從而在外電路中形成電流，釋放電能。兩者的不同之處在于，生物燃料電池消耗的是外部供應的生物燃料（比如葡萄糖），而且需要生物酶或微生物來分解燃料，從而釋放電子。普通電池中， 產生電流的是預先被裝在電池內部的化學物質（比如氯化銨和氯化鋅）。

科學家通過向一種橡膠纖維中泵入特制溶液，制成了這種纖維。碳納米管（目前納米尺度下導電性最好的材料之一）和生物酶（可以加速汗液中有機物的化學反應）是特制溶液中的兩種關鍵成分，能夠使汗液中的物質發生高效的電化學反應。

當這種纖維接觸到汗水時，汗液中的有機物會被分解，產生代謝物、氫離子、電子等，而電子會在纖維中流動：從被汗液浸濕的一端，流向干燥的一端，從而產生電流。

“排汗纖維”的最大優點是，只要人們出汗，這種纖維就會發電。而且，在人們跑完步后，它們仍然能夠發電。

當摩擦電材料與“排汗纖維”被集成在一件衣服上時，就形成了一個可穿戴的微電網，能確保身體幾乎在任何時候都能產生電能。

除了利用身體的運動和汗液來產生電能，科學家還在嘗試利用環境因素發電，比如空氣。

用空氣發電

空氣中含有一定的水分，而水分可以產生電能。美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的科學家發現，當織物上的小孔小于100 納米（約為頭發絲直徑的千分之一）時，織物就具備了利用空氣中的水分子發電的潛力。

通過空氣中的水分子來產生電能的過程， 有點兒像雷暴云中的多層電荷的形成過程。

從環境中收集能量的3種方法

利用全新的技術和材料，科學家可以從人體、環境中采集能量。未來，這些先進的技術和材料或許可以幫助我們擺脫充電的煩惱。

1利用空氣發電的材料

多金屬氧酸鹽常見于火山活動區域，科學家基于這類化合物構建了一種納米材料。當空氣中的水分接觸到材料時，部分水分子會通過上面的小孔進入內部，大部分水分子會在表面相互碰撞，出現電荷分離，形成電壓差并產生電流。

2收集太陽能的衣服

英國諾丁漢特倫特大學的科學家制作了一款1.5毫米×5毫米的太陽能電池，并將1200塊這樣的電池縫在了0.5 米×0.25米的布料上。在陽光下，電池的發電功率達到了400毫瓦，足以為智能手表充電。

除了利用運動和汗液，科學家還能利用空氣中的水分發電

在強烈氣流的影響下，云層中水滴和冰晶間的碰撞導致電荷分離，部分物質帶上了正電，另一部分則帶上了負電。之后，在重力等因素的作用下，帶正電的物質和帶負電的物質會逐漸聚集在不同區域，使得云層產生多層電荷，從而形成電壓差。

空氣中的水分要產生電能，依靠的是水分子之間的碰撞。在空氣中，一個水分子在與其他水分子碰撞之前，會移動大約100 納米的距離。因此，科學家制造了一種薄薄的多孔材料，上面分布著大量直徑小于100納米的小孔。

這種多孔材料在與空氣中的水分子接觸時，少量的水分子會進入材料，存留在內部，但大部分水分子會在材料表面相互碰撞，進而帶電。薄層材料的表面更容易受到水分子的撞擊，因此更容易帶有電荷，從而與內部形成電壓差，產生電流。

就這樣，科學家僅利用多孔材料和空氣中的水分子，就創造出了一臺小型發電機。

利用體熱調節室內溫度

來自人體的能量不僅可以用于為小型電子設備充電，還有更大的用途，比如調節整棟建筑物的溫度。

通過空氣源熱泵，空氣中的熱量（比如火車站里乘客的體熱）可以被收集起來，用于供暖。

不僅如此，人體產生的熱量還可以用于制冷。自2022 年以來，英國格拉斯哥的一家俱樂部一直在利用客人的體熱為俱樂部內部供暖和制冷。俱樂部內配有一套能量轉換系統，可以將空氣中的熱量收集起來，并將熱能轉化為電能，從而驅動冷卻裝置制冷。

到目前為止，我們只能從人體的運動、汗液中獲取微瓦或毫瓦級的能量。從我們周圍的空氣中獲取能量的小型便攜設備也是如此。

要啟動廚房里的烤箱，或者給停在車庫里的電動汽車充電，這些電能是遠遠不夠的。但是，科學家對人體能量收集技術充滿信心。

科學家認為，通過利用人體產生的能量，我們有一天也許能夠完全拋棄手機充電器。科學家甚至已經開始討論如何將人體能量收集技術產生的電能輸入電網了。這樣一來，人體產生的能量將可能成為和太陽能、風能一樣的可再生能源，用于滿足人們日益增長的電力需求。

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3利用人體熱量供暖

身體散發的熱量可以用來為建筑物供暖。瑞典斯德哥爾摩的一家商務中心通過收集斯德哥爾摩中央車站里乘客的體熱，節省了5% ～ 10% 的供暖費用。