動(dòng)一動(dòng)，用汗水發(fā)電

文｜歡仔258

動(dòng)一動(dòng)，用汗水發(fā)電

文｜歡仔258

2015年的菠蘿發(fā)明獎(jiǎng)，頒給了來自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校賈文昭等研究者的新發(fā)明——一種利用汗水發(fā)電的紋身貼。那么，為什么汗水也能發(fā)電？它的奧秘在哪里？

酶生物燃料電池問世

提到新能源，當(dāng)人們還在想著太陽能、生物質(zhì)能等“傳統(tǒng)新能源”時(shí)，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把目光瞄準(zhǔn)了我們?nèi)祟愖约骸煤顾畞戆l(fā)電。

近年來，隨著可穿戴設(shè)備的興起，對(duì)這些設(shè)備的電源也提出了新的要求——更輕便、易于充電、對(duì)人體無傷害。因此，研究人員設(shè)想研制出能從穿戴者身上獲取足夠能量的可穿戴式電源。于是，就有了紋身生物燃料電池。

通常，人在做劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生乳酸等代謝物質(zhì)，研究者利用酶來催化這些普通的生化物質(zhì)和代謝產(chǎn)物，產(chǎn)生能量，制作出一種可以發(fā)電的紋身貼——酶生物燃料電池。想想看，夏天大家大汗淋漓的時(shí)候，在每個(gè)人身上都貼這么一塊電池來發(fā)電，那是一幅多么熱火朝天的景象?。?/p>

“汗水電池”這個(gè)新發(fā)明，讓人們把產(chǎn)生能源的方式又回到人類自身。比如，以后你會(huì)選擇自己爬樓梯并發(fā)一點(diǎn)電，還是去坐電梯消耗電呢？

監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)，順便發(fā)個(gè)電

人在做運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)越劇烈，身體產(chǎn)生的乳酸也就越多。劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體需要產(chǎn)生更多能量，因此會(huì)激活糖酵解代謝途徑。而該過程的代謝產(chǎn)物除能量外，還有乳酸。職業(yè)運(yùn)動(dòng)員可以通過在體能測(cè)試中監(jiān)測(cè)血液中的乳酸水平，來評(píng)估自己的健身和訓(xùn)練計(jì)劃。另外，醫(yī)生們也通過檢測(cè)病人在運(yùn)動(dòng)中的乳酸水平，來進(jìn)行疾病診斷，例如心臟病或肺病。

但是，現(xiàn)有的乳酸檢測(cè)手段不但不方便，還會(huì)干擾測(cè)試過程，因?yàn)檠簶颖颈仨氁谶\(yùn)動(dòng)過程中的不同時(shí)間點(diǎn)采集，然后進(jìn)行分析處理，所以通常需要在運(yùn)動(dòng)中停下來，以檢測(cè)血液中的乳酸含量，而這對(duì)正處于運(yùn)動(dòng)中的人們來說顯然是不現(xiàn)實(shí)的，他們因此也就無法實(shí)時(shí)掌握自己的乳酸水平數(shù)據(jù)。

為解決這個(gè)問題，賈文昭所在的研究團(tuán)隊(duì)最初設(shè)想的是做一個(gè)體外監(jiān)測(cè)器。他們意識(shí)到，醫(yī)療保健行業(yè)正向著可穿戴式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方向轉(zhuǎn)變。這些設(shè)備便于監(jiān)控重要的生理參數(shù)，如心率或血壓。研究者期望以非侵入且連續(xù)的方式，從人體汗液中測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)。

由于人體汗液中的乳酸含量很高，因此，研究者將乳酸氧化酶“印”在紋身上，將它作為陽極物質(zhì)，同時(shí)應(yīng)用媒介體和碳納米管來催化乳酸的氧化，并采用鉑納米顆粒作為陰極，來催化空氣中氧氣的還原反應(yīng)，從而在“汗水電池”中產(chǎn)生電流。這樣，通過電流的大小，人們就可以實(shí)時(shí)判斷測(cè)試者的運(yùn)動(dòng)情況。

“自食其力”有電發(fā)

研究者賈文昭表示，佩戴這種生物燃料電池和貼一張普通的紋身貼紙一樣，沒有特殊的感覺，而且一張貼紙可戴一天。在實(shí)驗(yàn)中，志愿者戴著臨時(shí)紋身生物燃料電池在一天內(nèi)運(yùn)動(dòng)2次，中間相隔4小時(shí)，電池還是可以正常工作。

不過研究團(tuán)隊(duì)表示，現(xiàn)在這個(gè)電池的發(fā)電量還不高。該電池每平方厘米最大發(fā)電量目前能達(dá)到70微瓦，但是他們現(xiàn)在只能把電池做到2mm×3mm大小，能產(chǎn)生4微瓦的電量。這些電量對(duì)手表來說還小了點(diǎn)，一塊小的電子手表至少也需要10微瓦才能運(yùn)轉(zhuǎn)。但別看它現(xiàn)在發(fā)電小，未來可大有發(fā)展。研究者正在尋找更有效的媒介體使催化效率更高，產(chǎn)生更大的電流。此外，研究者還計(jì)劃采取串聯(lián)并聯(lián)的方式使電量更大，再借助電子元件儲(chǔ)存電量，給電子設(shè)備供電。

不過具體能發(fā)多少電，還是要看佩戴者的身體素質(zhì)。從乳酸含量看，身體素質(zhì)越弱發(fā)電量反而越高。因?yàn)楹挂褐腥樗岬姆置谂c身體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度直接相關(guān)，在無氧代謝時(shí)，高乳酸水平對(duì)應(yīng)高的肌肉勞累程度。因此不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的人在進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的乳酸濃度會(huì)較高，也就會(huì)產(chǎn)生更大的電量。

除了做成紋身貼外，“汗水電池”還可能做成什么樣子？賈文昭表示：“我們正在研制不同的載體，比如衣服、運(yùn)動(dòng)頭箍等。我們希望這樣的電池最終可以作為我們的可穿戴傳感器供應(yīng)電源，這樣，穿戴者就可以依靠自己提供的能量，來監(jiān)測(cè)自己的健康水平?！?/p>

“汗水電池”這個(gè)新發(fā)明，讓人們把產(chǎn)生能源的方式又回到人類自身。比如，以后你會(huì)選擇自己爬樓梯并發(fā)點(diǎn)電，還是去坐電梯消耗電呢？（來源：果殼網(wǎng) 責(zé)任編輯/余風(fēng)）

作者系光學(xué)工程專業(yè)碩士生。

延伸閱讀

中國(guó)版“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”——菠蘿科學(xué)獎(jiǎng)揭曉

2015年4月12日，第4屆中國(guó)菠蘿科學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮在杭州舉行，9個(gè)國(guó)內(nèi)外“有意思的”的科研成果或事件獲獎(jiǎng)。

菠蘿科學(xué)獎(jiǎng)被譽(yù)為中國(guó)版“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”，過去4年來，一批看似無厘頭、實(shí)則是嚴(yán)肅認(rèn)真的科研成果相繼獲獎(jiǎng)，正是表達(dá)了菠蘿獎(jiǎng)主創(chuàng)人員“向好奇心致敬”的初衷。據(jù)主辦方透露，未來菠蘿科學(xué)獎(jiǎng)還將設(shè)置一個(gè)“菠蘿皮獎(jiǎng)”，專門鼓勵(lì)那些嘗試多次仍然失敗的科學(xué)研究。

2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主喬治·斯穆特教授是今年菠蘿科學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)嘉賓之一，他認(rèn)為，科學(xué)獎(jiǎng)應(yīng)當(dāng)以不同的方式去鼓勵(lì)科研人員，既需要諾貝爾獎(jiǎng)這樣嚴(yán)肅、正式的獎(jiǎng)項(xiàng)，也需要搞笑諾貝爾獎(jiǎng)這樣有趣、另類的獎(jiǎng)項(xiàng)。

菠蘿科學(xué)獎(jiǎng)的口號(hào)是“向好奇心致敬”，因此，每年都會(huì)公布我國(guó)城市好奇心指數(shù)。今年的好奇心指數(shù)調(diào)查依托淘寶“大數(shù)據(jù)”，在調(diào)查了10個(gè)不同城市人群對(duì)20個(gè)關(guān)鍵詞的搜索頻率并運(yùn)用科學(xué)算法后，發(fā)現(xiàn)北京城市好奇心指數(shù)位列首位，之后依次為上海、天津、重慶、南京、深圳、西安、武漢、沈陽和杭州。（來源：本刊資料室）