برق بدن

دانشمندان به دنبال راه هایی برای برداشت انرژی از بدن برای ایجاد الکتریسیته برای توان دادن به دستگاه های قابل کاشت یا پوشیدنی هستند ، مانند این تصویر از ضربان ساز قلبی خود توان که انرژی خود را از حرکات ماهیچه‌ای استخراج می کند.
اعتبار: KAIST
 
در شعر «من سرود برق بدن را می‌خوانم» والت ویتمن به تغزل در مورد "عمل و قدرت" "گوشت زیبا ، کنجکاو ، در حال نفس کشیدن ، و در حال خندیدن" می پردازد. بیش از 150 سال بعد ، دانشمند و مهندس علوم مواد MIT ، کنان داگدویرن ، و همکارانش در حالِ دادنِ معنای جدیدی به شعر ویتمن با وسیله ای هستند که می تواند از طریق تغییر فرم در پاسخ به ضربان قلب ، الکتریسیته تولید کند.
 
امروزه الکترونیک آنقدر قدرتمند است که توان محاسباتی یک تلفن هوشمند بیش از تمام توان محاسباتی NASA در زمانی است که اولین انسان ها را در سال 1969 به ماه فرستاد. پیشرفت های بسیار فوق العاده‌ای که فناوری با گذشت زمان به دست آورده است باعث افزایش امیدواری در مورد دستگاه های پوشیدنی یا حتی کاشته شده در بدن شده است که همچنین بتوانند همچنان تواناتر شوند.
 
اشکال اساسی اکثر دستگاههای پوشیدنی و کاشتنی هنوز در باتری آنها باقی مانده است که ظرفیت محدود آنها استفاده طولانی مدت از آنها را محدود می کند. آخرین کاری که می خواهید انجام دهید وقتی مثلاً یک دستگاه ضربان ساز قلب از کار می‌افتد ، باز کردن سینه بیمار فقط برای تعویض باتری است. راه حل این مشکل ممکن است در داخل بدن انسان موجود باشد – که پر از انرژی ، به اشکال شیمیایی ، حرارتی و مکانیکی است. امروزه الکترونیک آنقدر قدرتمند است که توان محاسباتی یک تلفن هوشمند بیش از تمام توان محاسباتی NASA در زمانی است که اولین انسان ها را در سال 1969 به ماه فرستاد. این امر دانشمندان را هدایت کرده است به تحقیق مجموعه بزرگی از روش هایی برای دستگاه ها برای برداشت انرژی از بدن هایی که حامل این دستگاه ها هستند و این امر به تفصیل توسط داگدویرن و همکارانش در نشریه مرور سالانه مهندسی زیست پزشکی ارائه شده است.
 
به عنوان مثال ، حرکات دم مانندی که شخص هنگام تنفس ایجاد می کند ، می تواند 0.83 وات توان تولید کند. و گرمای بدن فرد تا 4.8 وات، و حرکات بازوهای شخص ، تا 60 وات توان می تواند تولید کند. این چیزی نیست وقتی که شما در نظر بگیرید که یک دستگاه ضربان ساز فقط به 50 میلیونم وات انرژی نیاز دارد ، یک سمعک نیز به یک هزارم وات نیاز دارد ، و یک تلفن هوشمند فقط به یک وات نیاز دارد.
 
اکنون داگدویرن و دیگران در حال طراحی دستگاه هایی هستند که از خود بدن انسان به عنوان منبع انرژیشان استفاده می کنند. به طور فزاینده‌ای ، محققان در حال آزمایش چنین دستگاه های پوشیدنی یا کاشتنی در مدل های حیوانی و انسانی هستند.
 

یک استراتژی برداشت انرژی درگیرِ تبدیل انرژی از ارتعاشات ، فشار و سایر تنش های مکانیکی به انرژی الکتریکی است. این رویکرد ، که آنچه را که به پیزو الکتریسیته مشهور است تولید می کند ، اغلب در بلندگوها و میکروفون ها مورد استفاده قرار می گیرد.
 

 

 
یک برداشت کننده نازک و انعطاف پذیر انرژی مکانیکی بر روی قلب یک گاو سوار شده است.
اعتبار: CANAN DAGDEVIREN
 
یک ماده پیزوالکتریک متداول ، تیتانات زیرکونات سرب است ، که محتوای سرب آن این نگرانی را ایجاد می کند که ممکن است برای استفاده در انسان بیش از حد سمی باشد.. داگدویرن می گوید: "اما برای این که سرب از ساختارها تجزیه شود ، آنها باید تا دماهایی بالاتر از 700 درجه سانتیگراد گرم شوند." "شما هرگز به چنین درجه حرارتی در بدن نمی رسید."
 
برای بهره گیری از پیزوالکتریسیته ، داگدویرن و همکارانش دستگاه های مسطحی ایجاد کرده اند که می توانند بر روی اندام ها و ماهیچه هایی مانند قلب ، ریه ها و دیافراگم نصب شوند. این دستگاه ها از نظر مکانیکی "نامرئی هستند" به این معنی که خواص مکانیکی آنها شبیه چیزهایی است که روی آنها متورق شده اند ، بنابراین هنگام حرکت ، مانع حرکت آن بافت ها نمی شوند.
 
چنین دستگاه هایی تاکنون در گاوها ، گوسفندان و خوک ها ، و همه حیوانات دارای قلب هایی تقریباً به اندازه قلب انسان آزمایش شده اند. داگدویرن توضیح می دهد: "وقتی این دستگاه ها به صورت مکانیکی از شکل می افتند ، بارهای مثبت و منفی ، ولتاژ و جریان ایجاد می کنند - و شما می توانید این انرژی را برای شارژ مجدد باتری ها جمع کنید." "شما می توانید از آنها برای اداره دستگاه های زیست پزشکی‌ای مانند ضربان سازهای قلبی استفاده کنید به جای این که آنها را هر شش یا هفت سال ، وقتی که باتری های آنها خالی می شود ، تعویض کنید."
 
دانشمندان همچنین در حال توسعه جمع آوری کننده های پوشیدنی انرژی پیزو الکتریسیته هستند که می توانند بر روی مفاصلی مانند زانو یا آرنج یا در کفش ، شلوار یا لباس زیر پوشیده شوند. از این طریق ، فرد می تواند هر زمان که قدم می زند یا بازوهای خود را خم می کند ، برق برای اسباب های الکترونیکی تولید کند.
 
هنگام طراحی وسایل پیزوالکتریک ، ممکن است شخص – برخلاف درک مستقیم – نخواهد موادی را انتخاب کند که در تولید برق بهترین هستند. به عنوان مثال ، به جای انتخاب ماده ای که 5 درصد از کل انرژی مکانیکی دریافتی خود را به الکتریسیته تبدیل می کند ، ممکن است شما ماده ای بخواهید با راندمان تنها 2 درصد یا کمتر. فرد می تواند هر زمان که قدم می زند یا بازوهای خود را خم می کند ، برق برای اسباب های الکترونیکی تولید کند. اگر ماده بخواهد مقدار بیشتری را تبدیل کند ، "ممکن است این کار با قرار دادن بار بیشتری بر روی بدن میسر شود و شما نخواهید این کار ، بدن را خسته کند."
 

یک رویکرد متفاوتِ برداشت کننده انرژی ، از مواد ترموالکتریک برای تبدیل گرمای بدن به الکتریسیته استفاده می کند. داگدویرن یادآور می شود: "قلب شما بیش از 40 میلیون بار در سال می تپد." تمام آن انرژی به صورت گرما در بدن هدر می رود – که منبع بالقوه غنی‌ای برای جذب برای سایر مصارف است.
 

 

 
این ژنراتور ترموالکتریکی بافت شیشه ای کاملاً روی انحنا های مچ قرار می گیرد تا بتواند گرما را به طور مؤثر برداشت کند.
اعتبار: KAIST
 
منبع: Charles Q. Choi