收集身体中的能量

发表时间:2019/8/8   来源:《知识-力量》2019年9月37期   作者:庞豪杰
[导读] 获得不间断的电能也许不需要借助大型的发电设备,也不需要过于尖端 的发电技术,其实人体本身就是一个有待开掘的能量源。

(浙江师范大学工学院,浙江 金华 321004

摘要:获得不间断的电能也许不需要借助大型的发电设备,也不需要过于尖端 的发电技术,其实人体本身就是一个有待开掘的能量源。

关键词:收集身体;能量

 


对大多数人来说,电可能是目前阶段最好的能源——干净、方便。然而,就像自来水一样,电也并非凭空就可以获得的。为了应对日益紧迫的能源危机,人们总是希望能找到“永动机”,提供源源不断的电能。但能量守恒定律直到今天仍牢不可破,我们仍然需要时不时忍受手机没电的困扰、MP3播放器没电的无聊以及遥控器忘了充电或者换电池的无奈。其实,在所有人的目光都紧盯着大型发电技术的进展时,我们都忽视自己其实就是最恒定的能量释放源。我们的心跳和呼吸就可以产生源源不绝的电能,我们当然不可能期望这种电能驱动一辆汽车,但能让我们自力更生地解决一些日常生活中遇到的麻烦问题。

我们很少意识到自己每天会释放多少能量,就像没有人刻意去数每天的心跳次数一样。然而能量的耗散每时每刻都在进行当中,且占据了我们摄入能量的三分之一。我们的体温让空气分子运动加快,心跳的震动通过骨骼、肌肉和皮肤汇入各种声音的大合唱,地板在我们的体重下嘎吱作响,衣服的皱褶因为我们的运动而积蓄能量,再悄无声息地将它们释放到空气当中。平均来看,每人每天将会浪费1000大卡左右的能量,足以将10升水从零度烧到沸腾。而在过去的数百万年中,这些能量只是消散在空气中而已。

18世纪下半叶,瑞士力洛克地区的制表大师发明了自动表,可以算做是将日常活动转化为能量的重要尝试。它的原理至今也没有变化:手臂的运动将会带动一个绕轴旋转的重锤,继而旋紧发条。人们甚至都不会意识到手表的重量,而只要佩戴它行走15分钟,就能让手表精确运行8天。今天的一些购物中心已经开始使用这种设备的放大版:当顾客推动旋转门的时候,会带动地下的一根轮轴旋转,然后驱动发电机发电。如果在自家装一套这样的旋转门,显然得不偿失。但是这种将动能转换成电力的思路还有其他的用比方说,让电视遥控器永远都不用换电池。

20107月,日本兄弟工业公司展示了电池大小的发电设备。这种叫做VbGB(振动发电电池)的小东西是为了家用电器设计的,特别瞄准了那些耗电量低、只是偶尔使用的小工具。在和标准五号和七号电池完全相同的外壳里藏着振动发电机和储电电容,只需像摇体温计那样摇上几秒钟,就足以把电视上的频道换个遍。而韩国的开发者最近开发出将声波的振动转化成电能的方式,虽然需要摇滚演唱会级别的那种音量才能产生让人满意的电能,但确实验证了这种方式的可行性。

使用振动的能量来发电的设备并不只有这两种。早在2007年,英国安普敦大学的一个研究小组就开发出了方糖大小的振动发电设备,用于那些机械里或者管道中的工业传感器上。它基于最原始的设想:将一块磁铁悬挂在线圈中央,振动的能量将会让磁铁运动,线圈中也就产生了电流。它能够让那些安装在难以到达的位置的传感器不用担心没电的问题,也不用预先铺设电力线。它的发明者希望它能有更多的用途,例如通过人体内天然的振动源——心脏——来为体内植入设备供电。虽然现在还没有成型的产品,但是理论上的确能够实现——只是,它的体积还得进一步缩小,而输出的电力还要更强才行。这可能还需要几年时间。

当然,并不是每个人都需要或者想要在体内植入一个小发电机。也许把发电机植入鞋子或者衣服会是更好的主意,虽然它们看起来可能会像是《国产凌凌漆》中周星驰的那些怪异装备。实际上,它们已经出现在生活当中了。

大部分烟民都会随身携带一个小发电设备,只要拆开一次性打火机就能看到。当按下开关时,导线会打出微小的蓝色电火花,而它的能量来自于一小片压电陶瓷。这种特殊的晶体结构早在130年前就被人们发现,当它的形状变化的时将会产生电能,而通电也会让形状变化。今天的压电材料已经出现在几乎每一个地方,从手机到闹钟,从太空船到深海潜艇。也许用不了几年,它也会出现在我们的衣服和鞋子里。

8年前,新加坡国立大学和新加坡国防科技局就开始合作,研究将压电材料应用于鞋子或者衣服中的可能性。两年之后,他们开发出了压电鞋,每走一步都能发电,然后存放在电池里。虽然从鞋跟里拔出一块手机电池的场景有些喜剧意味,但是它的确可以解一些燃眉之急。只有一个问题,这种尺寸的压电材料并没有太高的柔韧性。凡是穿过这种发电鞋的人都抱怨它不舒服——太薄的压电材料将会断裂,而太厚了又会太硬。这个问题一直没有得到很好的解决,直到20103月份,普林斯顿大学的机械工程学迈克尔.麦卡尔平解决了这个问题。他把最常用的压电材料锆钛酸铅做成细丝,再把它封装在柔软的硅橡胶中。使用这种方式制造的发电橡胶有良好的柔韧性和惊人的发电效率,能够将80%的机械能转化成电能。

研发过程并不容易,不过麦卡尔平借鉴了集成电路的制作方法。他在基板上刻出宽度只有10微米的沟槽,填入原料,在高温下烧结,然后覆盖上硅橡胶,把基板熔化掉,然后在另一面再覆盖一层硅橡胶。硅橡胶不会被身体排斥,所以这种微小的发电装置不仅能够做成鞋垫和衣服的配件,甚至可以植入体内,在呼吸间产生电流。看起来,这种发电橡胶里像是有细细的条纹。每厘米的宽度中能够容纳1000条发电纤维,只要两只鞋垫大小的发电橡胶,就足以驱动小型电子设备。

在将压电装置小型化的尝试中,麦卡尔平并不是走得最远的那个人。乔治亚理工学院和北京大学工学院的王中林教授开创了一个被称为“纳米压电电子学”的新领域,将压电材料的尺寸缩小到只有通过电子显微镜才能看到的程度。现在他的团队开发出的纳米发电材料,让一件外套提供的电量,能够与一节干电池相仿。

早在4年前,王中林的团队就因为纳米发电机的发明而令人瞩目:他们发现千万分之一米直径的氧化锌纤维也具有压电特性。两年后第一版发电衣纤维面世,在经过数十万倍放大之后,这些纤维像是两个卷发筒,上面长满了密密麻麻的氧化锌纤维。当这两个“卷发筒”相互挤压时,氧化锌纤维上的电荷将会转移到镀金的卷筒上,然后被电线导出。当时这种纳米发电纤维的发电能力还不够高,每平方米衣料的理论最大发电量只有80毫瓦。一年之后,他们又推出了改进的纳米发电机,这次不再像是卷发筒,而更像是地板刷——纳米氧化锌纤维如同刷毛般根根竖立,而另一块电极板的表面被处理成台阶状,扣在这些纤维上面。在任何运动过程中,氧化锌纤维刮在电极板上的扭曲都会产生电荷,聚集在一起通过导线导出。使用这种技术制造的织物将会随着我们的每一个细微的动作而发电,从袖子里抽出一根充电线的场景,不再只是科幻小说中的话题。

显然,我们不能指望这样小型的发电装置完全替代传统的发电设备,但是却可以让那些我们须臾不可离身的手持设备摆脱背负一大块电池的命运,让随身携带备用电池的和充电器的历史一去不返。这看似简单的一步,也许在不久以后,就会为我们带来完全不同的生活。

 

作者简介:庞豪杰(1998-),男,浙江嘉兴人,学生,本科,单位:浙江师范大学工学院,机电技术教育专业。




投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: