新しいバッテリー導入埋め込み型ヒューマン電源装置が開発されました

外国メディアの報道によると、科学者たちは現在、圧電効果、熱エネルギー変換、静電効果、化学反応を使用して、機械的、熱的、化学的エネルギーを人体の電気エネルギーに変換し、ウェアラブルまたは埋め込み型デバイスに電力を供給することを研究しています。

『I Sing the Body Electric』では、詩人のウォルト・ホイットマンが「美しく、独特で、呼吸し、笑う筋肉」の「行動と力」について深く説明しています。 150年以上後、MITの材料科学者でエンジニアのCanan Dagdevirenと彼女の同僚は、ホイットマンの詩の研究に新しい意味を与えています。彼らは、人々の心拍に基づいて電気を生成できる装置を研究しています。

現在の電子機能は非常に強力であるため、スマートフォンの計算能力は、1969年に最初の宇宙飛行士が月に派遣されたときのNASAの関連する有人機器の処理能力をはるかに上回っています。時間の経過とともに、技術の急速な発展はますます高くなっています。ウェアラブルまたは埋め込み型デバイスへの期待。

ほとんどのウェアラブルおよび埋め込み型デバイスの主な欠点は、バッテリーの寿命であり、バッテリー容量が限られているため、長期間の使用が制限されます。ペースメーカーの電力がなくなった場合は、バッテリーを交換するための手術を行う必要があります。この問題の根本的な解決策は、人体が化学エネルギー、熱エネルギー、および機械エネルギーに富んでいるため、人体の内部にある可能性があります。これにより、科学者はデバイスが人体からエネルギーを取得する方法を繰り返し研究するようになりました。

たとえば、呼吸中の人の動きは、0.83ワットのエネルギーを生成する可能性があります。穏やかな状態の人体の熱は約4.8ワットです。人の腕は最大60ワットのエネルギーを動かします。ペースメーカーは7年間、100万分の5しか必要とせず、補聴器は5日間実行するのに1000ワットに1つしか必要とせず、1ワットのエネルギーでスマートフォンは5時間動作します。

現在、Dagdevirenらは、人体自体をデバイスのエネルギー源として使用する方法を研究しています。研究者は、動物と人間でウェアラブルまたは埋め込み型デバイスのテストを開始しました。

エネルギー収集戦略の1つは、振動、圧力、その他の機械的ストレスからのエネルギーを電気エネルギーに変換することです。この方法では、通常スピーカーやマイクに使用される、いわゆる圧電素子を製造できます。

一般的に使用されている圧電材料の1つはチタン酸ジルコン酸鉛ですが、鉛は人体に毒性が強すぎるため、鉛含有量が高いことが懸念されます。ダグデビレン氏は、「しかし、鉛の構造を破壊したい場合は、摂氏700度以上に加熱する必要がある」と語った。ダグデビレン氏は、「人体ではこの温度に達することは決してできない」と語った。

動物の心臓は人間の心臓とほぼ同じ大きさであるため、これまでのところ、装置は牛、羊、豚でテストされています。 「これらのデバイスが機械的に歪むと、正と負の電荷、電圧、電流が発生するため、それらを集めてバッテリーを充電することができます」とDagdeviren氏は説明します。 「これらを使用して、ペースメーカーなどの生物医学装置を実行できます。バッテリーが消耗した後、6〜7年ごとに外科的交換を行う代わりに。」

科学者たちはまた、膝や肘の関節に装着したり、靴、ズボン、下着に装着したりできるウェアラブル圧電エネルギーコレクターを開発しています。このようにして、人は歩いたり、かがんだりしたときに電子製品の電気を生成することができます。

圧電素子を設計する場合、電気を生成するための最も効率的な材料は必要ありません。これは、やや直感に反しているようです。例えば、科学者によって使用される材料はむしろ電気エネルギーに機械エネルギーの5 <UNK>を変換することができる材料を選択するよりも、わずか2 <UNK>以下で変換効率を有することができます。それがもっと変化する場合、「それは体にもっと体重をかけることによって行われるかもしれませんが、ユーザーは確かに疲れたくないです」とDagdevirenは言います。

別のエネルギー収集方法は、熱電変換材料を使用して体温を電気エネルギーに変換することです。 「あなたの心臓は1年に4000万回以上鼓動します」とDagdevirenは指摘します。このエネルギーはすべて体温に変換されて放散されます。これはまさに、捕獲できる潜在的な資源の一種です。

確かに、人間の火力発電にはいくつかの大きな問題があります。このエネルギー変換法は温度差に依存することが多いですが、体温はかなり一定の状態を保つことが多いため、体内の温度差は多くの電力を生成するのに十分ではありません。ただし、これらのデバイスが比較的涼しい外部環境にさらされているときに体温を収集できる場合は、問題を解決できます。

科学者たちは、時計などのウェアラブルデバイス用の火力発電所を模索しています。原則として、人体によって生成された熱は、パーキンソン病のワイヤレスヘルスモニター、人工補聴器、および大脳皮質刺激装置を提供するのに十分な電力を生成できます。

さらに、科学者は一般的な静電効果を介してデバイスに電力を供給しようとします。 2つの異なる材料が繰り返し衝突または摩擦すると、ある材料の表面が別の材料の表面から電子を奪い、電荷を蓄積する可能性があります。これを摩擦帯電といいます。摩擦帯電の主な利点は、天然素材や合成素材を含むほとんどすべての素材が静電気を発生することです。これにより、研究者はさまざまなガジェットを設計するための多くの可能性を得ることができます。

「摩擦帯電を研究すればするほど、それはより刺激的になり、使用される可能性が高くなります」と、この論文の共著者であるジョージア工科大学のナノテクノロジー専門家であるWangzhonglinは述べています。 「私は今後20年間この研究に取り組んでいるのを見ることができます。」

材料が異なれば、摩擦によって生成される電気の量も大きく異なるため、科学者はさまざまな材料を実験しています。研究者たちは、竹林のナノワイヤーに似た微細な街区に似た立方体グリッドと、ギザの大ピラミッドに似たピラミッド配列を作成しました。王氏によると、この素材は「美しく見える」だけでなく、ピラミッド配列で表面を覆うことで、タブレットの5倍の発電量を増やすことができるとのことです。

研究者は、マウス、ウサギ、ブタの呼吸と急速な心拍を動力源とするペースメーカー、心臓モニター、その他の埋め込み型デバイスをテストしました。 「我々はまた、摩擦電気を使用して細胞増殖を刺激し、創傷治癒を加速する可能性を研究している」とワン氏は述べた。 「さらに、神経科学に貢献できるかどうかを確認するために、神経刺激に関する摩擦電気実験を開始しました。」

Wangと彼の同僚は、摩擦帯電用のウェアラブルデバイスも設計しました。たとえば、彼らはリチウムイオン電池で柔軟なリストバンドを充電できる摩擦テープを作りました。このガジェットは、Bluetoothテクノロジーを使用してデータをスマートフォンにワイヤレスで送信するウェアラブル心拍数メーターに電力を供給することができます。 「人体の日々の動きによって生成された機械的エネルギーは、私たちの生地を通して電気に変換することができます」と王は言いました。

別の戦略は、酵素と体内のエネルギー貯蔵分子（血液中のブドウ糖など）との間の化学反応、または汗から分泌される乳酸を介して電気を生成するバイオ燃料電池デバイスと呼ばれるデバイスに依存しています。たとえば、真菌から抽出されたセルロースヘキソースデヒドロゲナーゼは、グルコースを分解し、ナノメートル（10億分の1メートル）の炭素管で電気を生成します。

酵素の選択には注意が必要です。たとえば、多くの科学者は、グルコースオキシダーゼが実験用マウスに埋め込まれたバイオ燃料電池で電気を生成できることを発見しましたが、酵素は過酸化水素（一般的な漂白剤成分）も生成し、デバイスの性能を低下させ、身体に損傷を与える可能性があります。

別の研究では、走査型電子顕微鏡写真は、実験的なバイオ燃料セルで使用されるカーボンナノチューブが体から電気を生成できることを示しました。これらの試験管は、汗の乳酸塩や血中のブドウ糖などの自然エネルギー分子を処理できる酵素でコーティングされています。このツールは電気的にアクティブであると同時に、酵素エネルギー反応のための大きな表面積を提供し、特定のボリュームでより多くの電気を生成することを可能にします。

フランスの科学者たちはまた、酵素でコーティングされたカーボンナノチューブをベースにしたバイオ燃料電池を作成しました。これは小さじ半分のサイズです。マウスに移植すると、血糖値と反応してLEDやデジタル体温計に電力を供給するのに十分な電力を生成できます。実験では、ヘッドバンドとリストバンドに織り込まれたファブリックバイオ燃料電池が、汗中の乳酸と酵素の化学反応を通じて時計に電力を供給するのに十分な電力を生成できることも示されています。

Dagdevirenが知る限り、これらのデバイスはまだ市場に出回っていません。しかし、彼女はこの技術が10年以内に市場に出ると予測しています。将来的には、エネルギー収集装置が人体により適したものになる可能性があります。 Dagdevirenと彼女の同僚は、分解可能な発電ガジェットにも取り組んでいます。

「想像してみてください。デバイスを体内に挿入すると、一定期間の作業後に分子に分解され、体液に溶解します。胸を開いて取り外す必要はありません。生分解性の材料を使用できます。フィラメントや酸化亜鉛など、時間の経過とともに分解するもの。」

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