【科学强国】汗液也能发电？让人体发电成为可能

天气这么热，出的汗可不能浪费。其实咸咸的汗水还有妙用，那就是发电。

想象一下，假如你手腕上的智能手表永远不会断电，因为你的汗液可以为它供电。这么有前途的能量来源，一起来了解下。

汗液发电：新型可发电生物膜

汗液具有降温散热、保护皮肤、排泄体内废物等作用，而过于发达的汗腺也常常会给人们带来苦恼，粘腻的汗水打湿衣物，不仅会让人感到难受，还可能散发出“不友好”的味道。

近日，来自马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMass Amherst）的研究团队表示，他们设计的新型可发电生物膜有望彻底改变可穿戴电子设备行业，为个人医疗传感器、个人电子设备等提供长期、持续的电力。

据论文描述，这种大约只有一张纸厚度的生物膜是由一种改造过的硫还原地杆菌（G. sulfurreducens）自然产生的。生物膜由大约 40 微米厚或大约一张纸厚度的细菌细胞片组成。确切地说，它是由基因工程改造的硫还原杆菌组成的。

相比于以往的研究，这种新型生物膜不仅可以提供和同等大小电池一样多甚至更多的能量，而且可以持续工作，且不需要“投喂”。

并且，这种透明的、小巧的、薄薄的、柔韧的生物膜可以像创可贴一样直接贴在皮肤上，连续不断地产生稳定的电力。

此外，据英国《每日邮报》网站报道，国外的研发人员宣称，一种像石膏一样缠绕在手指上的新型可穿戴装置也可以在人睡觉时收集汗水并利用它发电。这款装置的样机目前只能储存少量电力，需要连续佩戴3周才能为智能手机提供电力，但美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的研发人员希望未来能够提高容量。

研究人员说，指尖是人体汗腺最集中的部位之一，每个指尖产生的汗液是其他大多数部位的100到1000倍。

这种新装置利用一个无源系统用指尖上的汗液发电，即使你正在睡觉或完全静坐。借助一种智能海绵材料，汗液可以被导体收集和处理。当佩戴者按压、开始出汗或轻敲手指时，能量收集器会产生少量电力。它将打字、发短信、弹钢琴或敲摩尔斯电码等活动转换成额外的电力。因此，发一条推文就可以为手机充电。

他们发现，佩戴10个小时能产生可让手表走24小时的电力——大约400毫焦。

但从这么小的部位收集汗水并将其转化为电力，需要特殊的材料和工程技术。

体温发电：柔软、可拉伸

来自华盛顿大学的研究团队研发了一种由无机半导体和印刷多功能软质材料制成的高效可拉伸热传导发电机，在自供电可穿戴电子设备、热触觉传感器、软机器人和人机交互等方面具有巨大应用潜力。

据介绍，这种柔性的、可穿戴的热传导发电机，不仅可以将体热转化为电能，而且还具备柔软、可拉伸、结实、高效的特性。在以往的研究中，这些特性很难完全组合到一起。

此外，即使经过 30% 应变的拉伸循环 15000 余次后，原型热传导发电机仍然可以保持完整的功能，该热传导发电机的功率密度比以往的可拉伸热传导发电机增加了 6.5 倍。

这项研究的一个独特之处在于，从材料合成到器件制造和表征，覆盖了整个生产流程。这让研究团队可以自由地设计新材料，发挥创意，设计生产过程中的每一步。

体温供电：人体永动机

永动机到底有没有可能被制造出来，科学上来说是不可能的。但是日本发明了一个薄膜，似乎可以制造一个人体永动机。

日本某高校此前研究了一种“体温充电薄膜”，它是在由碳纳米管制成的材料上涂上“冠醚”等有机化合物，制作出来的厚度仅0.1毫米的薄膜。

它可以捕捉体表的热量，利用体温和外界环境差来发电，做成腕带大小的充电薄膜就可以作为一个微型人体供电设备，给手机充电。

它的发电效率只有太阳能电池的十分之一，设计初衷是为了给心脏起搏器做人体设备供电。

不过顺着这个思路，如果能做出足够面积的充电薄膜，我们是否可以用人体连接电风扇。夏天人体温度越高，产生的温差电动势越大，风扇转得越快，体温下降，风扇也就慢下来。这不是现成的降温神器吗？

一件T恤解决充电难题

《自然·通讯》上的一篇论文曾介绍过可以存储人体能量的“可穿戴微电网”。如果人们穿戴了这种设备，运动产生的动能与汗液都可以转化为电能为小型电子设备供电。

该论文由加州大学圣迭戈分校（UC San Diego）的研究人员完成，他们集成了汗水驱动的生物燃料电池，运动驱动的摩擦发电机和储能用的超级电容三种设备，并借此从佩戴者的运动中收集能量。

可穿戴微电网的各类部件通过柔性材料连接，印在衬衫上并覆盖有防水涂层。

研究人员称，只要不使用清洁剂，可穿戴微电网不会受到反复弯曲、折叠、弄皱或在水中清洗的影响。

研究团队对可穿戴微电网进行了测试，佩戴者骑自行车或跑步运动10分钟，然后休息20分钟。在30分钟的测试过程中，可穿戴微电网可以全程满足LCD手表或小型电致变色显示器（一种响应电压改变而变色的显示器）的供电需求。

根据实验，整个系统的启动速度比仅具有生物燃料电池的速度快2倍，使用寿命比仅具有摩擦发电机的寿命长3倍。

人体生物能的利用

当前，科学家们已经提出了很多利用人体发电的形式，除了最常见的心跳发电、脚部运动和肌肉运动发电等利用动能转化为电能的生物发电，还有更大胆的血液发电、汗液发电、尿液发电甚至头发发电等。

日本的研究人员就发明了一种装置，可以从血液葡萄糖中提取能量。这样，每个人就成为了“电池”。日本人发明的这种装置，提供了一种新的方法，将人类血液中的葡萄糖转变成为电能。

而在拉斯维加斯的boulder广场，一家名叫engoplanet的公司为其研发了一款清洁能源的路灯，其连接着装有三个迷你发电器的的踏板。每次有人走上这个踏板的时候，就会产生5瓦左右的电量，然后就被输送到了电池中去。

另外，还有人体生物能的“热能”也可以利用。人体每天都要散发大量的热量，并通过辐射传播出来。据实测，一般一个50公斤重的成年人一昼夜所消耗的热量约为2500千卡左右。这些热量若蓄集起来，可以将50公斤的水，从0℃加热到50℃。利用人体的热能制成温差电池，就可以将人体热能转换成电能。

比如，美国新泽西州修建的电信电话公司总部大楼，利用全公司2000多名职员的体温供暖，室温可保持在18℃以上，只有当室外气温下降到-9℃以下时，才需要通暖气来取暖。

有人会问：这些发电方式所产生的电量加起来也可能不如一个跑步机产生的多，它们真的有必要费尽心思地研发出来吗？

目前盛行在人体内植入对人类健康进行检测的微电子系统，其能够实现全天候地检测和报告人的生理、病例水平，从而发出相应的指令，来为人们人体的疾病提供预警。那么，利用血液发电的升华电池可以说完美解决了该电子系统的用电问题。

并且，在心脏起搏器、胰岛素泵、各种植入类芯片的电力提供上，其也将能提供巨大的帮助。至少不用开刀。最主要的是，这些植入人体的设备本身体积微小，其并不需要太多的电力来维持运转。利用人体自身提供电力支持，是再好不过的了。

总的来说，不论是面对未来的巨大电力需求，还是微电子系统的供电需求，来源于人体的发电都正在成为一个新的趋势。

随着科学技术的不断发展，人类开发利用自身的人体生物能，必将取得更大成果。

（来源：中国小康网）

作者：风华

审校：龚紫陌

视觉：龙昊