2012年不可不知的10大人体运动能量收集方案

　　核心提示：能量收集技术给移动或可植入医疗设备供电创造了极好的机会。本文主要介绍了十种不同的人体运动能量收集设备和技术，这些设备和技术可能处于不同的原型创建和应用阶段。

　　从人体运动收集的生物机械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。能量收集技术是指使用环境能量向小型和移动的电气或电子设备提供电能。在我们身处的环境中共有四种主要的环境能源，它们是机械能(振动、变形)、热能(温度梯度或变化)、幅射能(太阳光、红外线、射频)和化学能(化学物质、生物化学)。

　　市场研究公司IDTechEX在最近发表的题为“2012年能量收集行动”报告中指出，2011年在能量收集元件本身方面的支出已达7亿美元，预计到2022年将增加到接近50亿美元。

　　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，它具有总是可用的优点，不需要化学燃料或补充措施。

　　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，这就给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，而且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，这些设备和技术可能处于不同的原型创建和应用阶段。

　　耳朵供电的电池:声波转换成电信号

　　这种芯片小到足以安装在中耳腔内。

　　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的科研小组成功地收集到老鼠内耳的能量给小型传感器件供电。耳蜗电压的工作原理像生物电池一样，可以将声压波形转换成电信号并发送到大脑。这些研究人员开发的芯片可以在不影响正常听力的情况下收集到这种电能。

 

　　最终这些器件可以做到监视听力或平衡感受伤的人的耳朵内的生物活动，或对治疗作出响应，甚至可能自己提供治疗手段。

　　实用!膝关节压电能量收集器

　　上面照片所示为：(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，携带了许多双压晶体管元件。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。

 

　　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，这种收集器将佩戴在膝关节上，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。

　　由于能量收集器捆绑在膝关节上，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和更换电池。

　　可佩戴的人体运动能量收集器

　　帅气!带发电机的夹克

　　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

 

　　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。在自然的人体运动中，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。

　　据这些研究人员透露，佩戴者以3公里/时、4公里/时、5公里/时和6公里/时的不同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、快跑几种步行状态。

　　收集来自心跳的振动能量

　　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

　　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。

 

　　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。

　　面具AIRE:通过呼吸发电

　　Joo Paulo 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。在面具内安装有转换风能的小型风轮机，能量则通过一根电缆传送到佩戴者使用的小型电子设备。

 

　　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。它赢得了红点(Red Dot)设计概念与原型竞赛的设计概念大奖。

　　温差!将人体热量转换成电流

　　研究生Corey Hewitt在纳米技术实验室研究热电织物样品。

　　电力毡(Power Felt)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，研究生Corey Hewitt表示只需简单地触摸一小片电力毡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电力毡使用温差——比如室温和体温——产生电荷。

　　靠心跳供电的起搏器

　　密歇根大学航空与航天工程系的研究人员设计出一种设备，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。

　　脚垫能量收集!步行者的能量

　　今年5月份为Apl的‘We Can Be Anything’活动——Apl.de.Ap基金会和Ninoy and 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。

 

　　跑步发电 跑30分钟够充12部手机

　　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。