眾所周知，人體運動可以產生大量能量，科研人員把人類的許多運動，比如行走、跳舞、穿衣等方式都與轉化能量聯系在了一起，怎樣把這些能量變成能源成了一些科學家感興趣的話題。這種聯想并不是天方夜譚，科學家早就從理論上證明此種想法是可行的。依據能量守恒的原則，自然界不同的能之間可以相互轉化，這些能包括動能、機械能、電能和熱能等。

       據測算，一個體重50公斤的人一晝夜所消耗的熱量約2500千卡，若將這些熱量收集起來，可將50公斤的水從0℃加熱到50℃。有科學研究認為，一個人一生中有1/3以上的能量被白白浪費掉，全世界有60多億人口，如能將這部分人體生物能開發利用起來，就相當于建造了10座百萬千瓦級的核電站。 而人體的大部分能量是在維持各個器官運轉以及人體運動的狀態中散發出來的，如果能將這些能量再轉化成電能，將是人類應對全球能源危機的另一種出路。

       隨著物聯網和可穿戴設備的興起，如何能夠擺脫電池，能夠找到一種取之不盡的能源，不斷為這類小型低耗電的電子設備供電，正成為一個很熱門的研究課題。這個課題叫“能量采集技術”。

       能量采集的需求正在不斷增加，各種各樣的研究工作也正在進行，其中一個就是利用人體來為電子設備提供“永遠”不衰竭的電力。能量采集技術需要與該類型能量源匹配的能量采集傳感器，將來自周圍環境的可用能量轉換為電能。典型的能量源包括電磁波、風、振動和熱能。

       電池一直是小型便攜設備的主要電源，但它們的使用已經相當不方便。這些裝置中的電池占體積很大，并且只能持續有限的時間，必須不斷地充電和替換，這變得昂貴和耗時。而且電池往往會造成不方便，如對于手機而言，常常因為打到一半突然沒電而不得不中斷通話。

       來自人體的能量采集技術可以是替代電池供電設備的方法。對于一般的小型電子設備，改為使用身體的能量作為能量源將會帶來很多好處。平時我們沒有太多覺察自己的身體。其實人體通過日常行為和劇烈身體活動會產生能量，這正是極好的能量來源。

       與從機器獲取能量相比，從身體提取能量要復雜得多，因為提取能量的采集器的尺寸相當小，并且人體運動發生在較低的頻率。過去，有一些產品，如手表、手電筒和收音機，曾使用人工發電的電源來工作。

       目前，正在進行研究從人體提取的能量用于低功率生物醫學應用。例如，向在身體中植入的醫療裝置供電，以延長裝置的使用期限。否則為了置換這些裝置里的電池，需要不斷動手術。今后，人體供電的應用將逐漸擴大到用于可穿戴設備甚至手機。

       我們可以把人的日常活動中產生的能量加以利用，例如從人的呼吸、體熱、手臂運動、步行、跑步和蹬踏動作等等。這些傳感器加上信號處理電路，將這些能量轉換成電力。這個采集器可以放在衣服、手表、鞋類或眼鏡等人體的佩戴物上，對電子設備充電而不會對用戶造成任何不良影響。

       三種不同傳感器的能量采集

       從人體中提取能量，一般使用三種傳感器，包括熱電傳感器、電磁傳感器和壓電傳感器。熱電傳感利用身體熱量，而電磁傳感和壓電傳感從身體運動中提取能量。

       熱是來自身體的許多種能量來源之一。例如，在新研制的一種可穿戴式無線腦電圖系統中，就是用身體熱量來工作的。這個腦電圖系統使用了一種熱電傳感器，它在室溫下產生超過2mW的功率，而這個系統本身只需要0．66mW的功率，完全可以滿足需要。

       通過將熱電傳感器貼在身體上，這些傳感器能夠感測身體和房間之間的溫度差以建立電勢。研究表明，身體上雖然有大量（約100W）的熱能，但從體熱中只能獲得毫瓦范圍內的電功率。身體的暴露部位，如前額、手腕和頭部等部位，是可以提取最大量功率的區域，而被衣服遮擋的人體部位釋放較少的熱量。

       研究表明，當熱電傳感器放在人體的正確位置時（一般放置在身體的軀干上，這里人體組織溫度最高），可以產生大約10－30μW／cm2的電能。此外，這種傳感器越厚或者越小，產生的功率量就越高。

       人體也是一個很大的動能源，這通過諸如行走、跑步、慢跑和相關身體部位的運動而產生。一些關于利用電磁能量的研究也在進行中，已發現電磁傳感器可以用于為可佩戴裝置或其他便攜電子設備提供能量。電磁傳感器在功能上類似于熱電傳感器，從身體運動提取能量并將其轉換為電壓、電流等電量。

       研究人員已經研制了一種安裝在髖部的電磁傳感器，可以用于采集在身體運動（例如步行或跑步）期間髖部運動產生的動能。根據他們的研究，從人體運動提取的動能可以轉換為電能，然后可以用于向配備在人身上的設備提供電力。從該研究中，發現當以每秒1．5米的速度行走或跑步時，可以產生1V的最大開路電壓（當沒有連接外部負載時的電壓）和0．3－2．46 mW的電力。

       為了使動能采集效率更高，有人想出把傳感器放到腰部的皮帶上，再使用一個呈擺動形式的連桿，連桿的一端接到傳感器，而另一端接到大腿表面。位于大腿內側的擺動連桿隨著大腿一起移動，而人行走時圍繞髖關節擺動。這樣，傳感器產生的電壓隨著步行速度而增加。這表明，由于功率是電壓的函數，所以傳感器產生的功率量也隨著步行速度而增加。

       有的研究者提出使用電磁傳感器來測量呼吸期間胸圍的變化，并從呼吸中提取能量。結果顯示，在正常呼吸期間，電磁傳感器能夠收獲約29．4μW的功率。此外，已經得出結論，以12次呼吸／分鐘的頻率，傳感器能夠感測0．4cm的最小胸部位移（0．55cm的胸圍變化），并且最大胸部位移為3cm（胸部周長變化為3．6cm）。雖然肺活量計是測量一個人換氣量的最普通的裝置，但它有它的缺點，即正常人使用時會感到不舒適，所以必須要加以改進。

       使用壓電材料來進行人體能量采集是另一種常用方法。當壓電材料施加機械變形時，就會產生電壓。這種能量提取方法就取決于兩個因素：一個是壓電材料的物質特性，另外一個是施加到材料的機械量。

       一個現在用得較多的發明是在鞋子內部裝一個壓電傳感器，通過壓電換能來給電子設備充電。實驗結果表明，通過步行可以實現150－675mW的平均功率，而通過慢跑可以獲得675－2100mW的平均功率。這種鞋子現在也已有了不同的改進版本。如有的使用聚偏二氟乙烯（PVDF）片堆疊來控制鞋底彎曲的能量。結果，當PVDF堆疊被彎曲時，位于外表面上的片材被拉伸，同時內表面中的片材被壓縮，產生1．1mW的總平均功率。

       還有一種鞋放了一種彈簧鋼組成的單壓電條，目的是在行走時從腳跟的打擊施加的壓力中提取能量。當腳跟部施加壓力或釋放壓力時，鋼金屬彎曲，導致壓電材料延伸或者壓縮。使用這種方法，與以前的設計相比，該方法獲得約230mW的能量。

       除了用于能量采集的鞋子之外，壓電方法也已經用于醫療應用供電中。例如，研究者提出了一種導管的研究，該導管含有將被插入到心臟的壓電薄膜帶，并且隨后用于向起搏導線提供電功率。簡單來說，心臟的運動導致導管彎曲，使得導管內的壓電膜變形。壓電膜的變形導致導管產生電能。

       類似的辦法也已有人用于呼吸頻率檢測。讓被檢查者佩戴壓電帶，壓電帶的輸出與胸部運動的位移成比例，當胸部運動更快時，電壓輸出更高。反過來在被檢者不呼吸時，檢查者的胸部沒有運動，結果，沒有從傳感器產生的電壓輸出。

       最近幾年來，研究者又新發明了一種新的半導體器件，叫“摩擦生電器件”，當該器件移動時，就會產生一定電位差。如果再與晶體管相連接，晶體管就會產生電流，從而可以為其他電子設備提供電能。這種器件在很多方面都比壓電材料優越，因此很有發展前景。

       使用熱電、電磁和壓電裝置可以從人體采集能量。我們已經看到所有這些方法已經明顯地發揮作用、可給小型設備提供電能。但是，根據所使用的傳感器的類型和身體上要利用能量的位置，可提取的功率量存在著差異。

       例如，從人體熱量可以收獲2．4W～4．8W的能量。

       當采用通過身體運動而獲得的功率時，使用熱電傳感器（如嵌入在手表中）只能產生10μW的功率，而通過將電磁傳感器連接到髖關節則可以實現最大284μW的功率。這表明，就人體運動而言，身體的腰部和髖關節區域是發生大多數運動的位置，并且因此與身體的較小區域（例如手腕）相比產生較高的功率。

       當對使用電磁和壓電傳感器從人體運動獲得的能量水平進行對比時，顯而易見的是，壓電方法只能產生2－8mW的功率，而電磁方法能夠產生大約250mW。但即使電磁傳感器產生最大量的能量，壓電方法仍被認為更有效，因為它不影響人的步態周期，更容易使用，并且與電磁方法相比更靈敏。

       人體是個最安全的能量來源

       雖然用電池作為電源的設備是目前最多的方式，但它是一種低效、昂貴、占體積的方法。更嚴重的是，充電電池有時甚至會發生爆炸。由于這些原因，人們都在尋找新的可靠的能源。而人體本身具有可用的“取之不盡”的能量源，是一種最安全、最方便的能源。

       另一方面，為了使人體供電的負擔不要太大，人們也在研究如何把電子裝置的功耗盡量做小。如現在有的超低功耗數字助聽器芯片，只消耗96μW，即不到0．1毫瓦。這樣的話，人體就可直接給它供電了。

       研究者也在研究為什么現在一些人工智能的硬件所消耗的能量，需要比人腦消耗的能量多幾萬倍或甚至更多。他們在研究利用仿生學的辦法，來大大降低電子設備的功耗。如果把小型便攜電子設備消耗的功率，都降低到毫瓦級或更低，那么使用人體供電就輕而易舉了。

       雖然人體供電技術目前還剛剛起步，提取的能量的效率不高，但是這方面已經成為當今研究人員的關鍵研究領域。隨著今后這方面的研究進展，電能產出效率會越來越高，由我們人體“自主供電”而完全不用電池的時代一定會到來。