十佳人体能量采集应用

原文作者：Anne Françoise Pele

译文转自：esmchina

人体运动产生的能量，如果可以被采集并加以利用，那么将为依赖电池的移动电子设备，提供一种清洁、持续的供电方式。

能量采集(Energy Harvesting)，意味着将环境中的微小能量加以收集转换，为小型移动设备供电。环境中可利用的能量，主要有四种：机械能(振动、形变)，热能(温差能、温度变化)，辐射能(太阳能、红外、无线射频)，化学能(化学过程、生物化学过程)。

IDTechEX的一份报告显示，2011年能量采集元件的市场规模近1亿美元，到2022年，这一数字将接近50亿美元。

从人体运动收集的生物能是一种非常有前途的清洁能源，完全可以用来替代电池给移动电子设备供电。移动电子设备的普及促进了新能源的开发，人体能源是一种新的替代品，它具有可随时取用的优点，而不需要化学燃料或其它的补给。

事实上，人体在从热量散发、关节旋转、体重作功、重心垂直位移以及组织和其它附属脏器的弹性变形等资源产生可用电能方面是非常灵活的，这使得收集能量给移动或可植入医疗设备供电创造了极好的机会；这些设备可以使用很长时间，甚至实现永久供电。

下面介绍了十种不同的人体运动能量收集设备和技术，这些设备和技术有些仍仅是设想，也有些已进入初步应用阶段。

1.靠耳朵供电的电池

美国科研小组成功地收集到老鼠内耳的能量，并给小型传感器件供电。这个科研小组由美国麻省理工学院、马萨诸塞州眼耳医院以及哈佛与麻省理工大学的联合健康科学技术中心专家组成。

哺乳动物的内耳深处是一座天然的生物电池：耳朵能把机械压力- 耳膜的振动 - 转换为大脑可处理的电信号。科研小组研发出的芯片可以在不影响正常听力的情况下收集到这种电能。

研究人员还在这种低功耗芯片上装了一种超低功率无线发射器，以获得所检测的数据。由于生物电池的电压不稳定，芯片上还装了电源转换线路，就像一般电子设备电源线两端的盒式转换器，能逐渐充电。充电时间一般为40秒到4分钟， 就能给发射器供电。信号频率本身就指示了内耳的电化性质。

植入内耳的设备可用来监控生物活动，比如听到声音、平衡失调或对治疗的反应。研究人员指出，未来可能有三种应用：耳蜗植入、诊断疾病及作为植入式助听器。用耳蜗本身的低压产生电流，这就让它变成了一种电源，给植入耳蜗的电子设备供电。此外，如果能检测出各种疾病状态下的电压，基于这种电流输出偏差，可能开发出一种诊断计算方法。最终，植入设备本身可发展成一种治疗手段。

2.膝关节压电能量收集器

来自克兰菲尔德大学、利物浦大学和索尔福德大学的英国研究人员组成的一个小组计划开发一种压电能量收集器，这种收集器可佩戴在膝关节上，依靠采集技术实现上变频。这种能量收集器设计安装在膝部外侧，呈圆形，由一个外环和一个汇聚中心组成。当人在走路状态时，外环随膝关节运动而不断旋转。外环上安装有72个拨子，这些拨子用于“采集”连接内部中心轴的能量产生臂。

由于能量收集器绑在膝关节上，因此用户通过简单的行走就能给心率计、计步器和加速度计等人体监护设备供电，而且不用担心用完电能或是如何更换电池。

上图所示为：(a)膝关节压电收集器。它佩戴在膝盖的外侧，并用背带固定。内部有一个汇聚中心，携带了许多双压电晶片元件。随着走路时关节的旋转，呈环形安装的拨子将对这些元件进行数据采集。(b)这种收集器的几何细节显示了这种安装好的双压电晶片元件的侧视图(上)和顶视图。

3.可穿戴的夹克发电机

拉脱维亚共和国里加科技大学的研究人员开发出一种机械式能量收集器，可以在人走路时发电。这种设备采用了一种平面结构，其中电力转换器由游丝形线圈和一块矩形或弧形磁铁组成，所有元件都可以安装到各种衣饰上。在人体自然运动中，发电元件彼此会发生相对运动，从而在游丝形线圈内感应出脉冲电压。

据研究人员透露，穿戴者分别以3、4、5、6公里/小时的步行速度对这种能量收集器进行了广泛测试。这4种速度分别对应一个中年人的慢跑、正常、快跑等步行状态。

如图1所示，a游丝形线圈组，b感应元件位置，c磁铁位置，d永磁体

4.靠心跳供电的起搏器

法国原子能委员会旗下的电子信息技术研究所(CEA-Leti)和索林集团的研究人员正在开发一种低功耗的心脏起搏器(功耗只有5μW，而目前的起搏器为25μW)，这种起搏器由病人自己的心脏跳动产生的机械能来供电。

这项研究的目标是取消使用电池(因为传统起搏器中的这种电池必须每隔6年到10年通过外科手术的方法进行更换)，同时开发出比传统设计小8倍的心脏刺激器(从现在的8立方厘米缩小到1立方厘米)。这种微型化构造允许将起搏器直接附加到心外膜。完整功能的原型今年底就能制造出来，并有望在今后5至10年内经过充分的有效性测试和卫生管理机构的同意后实现工业化生产。

上图显示了：(a)目前的起搏器，(b)通过能量收集技术供电的未来无线起搏器

5.心跳的振动能量

密歇根大学航空与航天工程系的研究人员设计出的一种设备，它能收集透过胸部的心跳反射能量，并将之转换成电能给起搏器或植入的去纤颤器供电。这些迷你型医疗机器可以发送电信号给心脏使它以健康的节率保持跳动。目前还没有制造出原型，但研究人员宣称“已经规划好详细的发展蓝图，并执行过仿真”，证明了这种想法的可行性。这种设计采用了百分之一英寸薄的压电陶瓷材料，可以随着心跳振动而运动，并将振动能量转换为电能。

6.呼吸也能发电

JocoPaulo Lammoglia是英国伦敦的一位工业设计师，他创建了一种概念性面具AIRE，能将佩戴者的呼吸提供的风能转换为电能给小型电子设备充电。AIRE面罩的工作原理很简单，即其内部安装有一个小型风力发电机，呼吸时所呼出的气体能够促使发电机开始运作，从而产生电能，这部分能量又通过电线传送至到佩戴者使用的小型电子设备，从而完成整个能量的收集与转换过程。

AIRE可以在室内室外的任何场合使用，而且也可以在睡眠、走路、跑步或读书时使用，“生命不息、发电不止”。它赢得了红点(Red Dot)设计概念与原型竞赛的设计概念大奖。

发明者Lammoglia表示：“我希望，有朝一日这个设计理念能够变成现实，它的量产能够促进环保，降低碳排放。无论是在室内还是室外，无论使用者是在跑步，还是在睡觉或者读书，只要戴上这个AIRE面罩，它就能工作，为小型电器充电。尽管在当今这个年代，各种各样的电子装置为人们的生活带来了便利，但同时却对电能提出了更高的需求。收集利用我们在日常活动当中所产生的能量，并且将之转换成电能，是解决能源问题一种非常好的方法。”

同时，Lammoglia还表示：“AIRE面罩不仅能节约能量，保护环境，并且也能促进使用者多参加体育锻炼。”

7.将你的体热转换成电流

PoweRFelt是美国北卡罗来纳州威克弗里斯特大学纳米科技与分子材料中心研究人员开发的一种热电器件，研究员CoreyHewitt表示只需简单地触摸一小片PowerFelt就能将人体热量转换成电流。

这种由锁定在柔性塑料纤维内的微型纳米碳管组成、摸起来感觉像织布的PowerFelt使用温差 — 比如室温和体温 — 产生电荷。

研究小组在解释这种材料的工作机制时表示：“如果抓住金属棒的一端，手上的热量会 加热电子。随着温度升高，电子寻找温度较低的区域，移动到金属棒的另一端。如此一来，一端拥有额外的电子，两端之间形成电压，也就是热电压。PowerFelt便采用这样的工作原理。”

不过，这项技术的第一个应用对象并非是大家所认为的手机，而是玩具。研究小组的成员表示：“孩子们显然会喜欢这种东西，他们可以将Power Felt放在任何地方获取电量。这等于让他们拥有一台小型发电机，让小电动玩具动起来，比如电动小汽车。这种新材料能够激发孩子们的想象力，让他们对背后 的工作原理产生兴趣，同时积极探索如何使用这种材料。”

研究员Corey Hewitt在纳米技术实验室研究热电织物样品：

8.按压驱动公交停车信号

在2012的伦敦奥运会期间，Eco-Routemaster混合动力公交车在这座英国首府运送了成百上千的体育迷。

这些公交车允许乘客将他们的身体作为能源来驱动停车信号灯，因为公交车上应用了来自EnOcean公司的能量收集无线技术。按铃动作可以产生足够的电能驱动无线模块激活停车显示灯和声音信号。

EnOcean公司的这种技术不需维护，也不需使用电池，仅需通过侦测及短频无线传导信息，能促使不同领域的产业的能源及运作成本节约率高达40%。

9.踩踏产生的步行者能量

2012年5月份为Apl的“We CANBe Anything”活动 - Apl.de.Ap基金会和Ninoyand Cory Aquino基金会建立合作伙伴关系而举办的筹资大会上，黑眼豆豆的Apl.de.ap和Will.i.am在Pavegen发电舞台上尽情表演。

每当有人在英国新创企业Pavegen Systems公司制造的脚垫上走过时，都能收集到可再生能源。这种技术将动能转换成电能，然后存储起来用于各种应用。

10.绿色的人力能量轮

贝鲁特的Nadim Inaty设计了一种绿色车轮——能量再生车轮，它可以将人体产生的动能转换为电能。这种装置由单个设备加上一个踏板和几片绿草组成，共有3种不同等级，以适应不同力量的跑步者，它在30分钟内产生的能量大约足够给12部手机充电。