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人体的能量采集:传感器采集方案

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-01-05  来源:钛媒体  浏览次数:56
       众所周知,人体运动可以产生大量能量,科研人员把人类的许多运动,比如行走、跳舞、穿衣等方式都与转化能量联系在了一起,怎样把这些能量变成能源成了一些科学家感兴趣的话题。这种联想并不是天方夜谭,科学家早就从理论上证明此种想法是可行的。依据能量守恒的原则,自然界不同的能之间可以相互转化,这些能包括动能、机械能、电能和热能等。

       据测算,一个体重50公斤的人一昼夜所消耗的热量约2500千卡,若将这些热量收集起来,可将50公斤的水从0℃加热到50℃。有科学研究认为,一个人一生中有1/3以上的能量被白白浪费掉,全世界有60多亿人口,如能将这部分人体生物能开发利用起来,就相当于建造了10座百万千瓦级的核电站。 而人体的大部分能量是在维持各个器官运转以及人体运动的状态中散发出来的,如果能将这些能量再转化成电能,将是人类应对全球能源危机的另一种出路。

       随着物联网和可穿戴设备的兴起,如何能够摆脱电池,能够找到一种取之不尽的能源,不断为这类小型低耗电的电子设备供电,正成为一个很热门的研究课题。这个课题叫“能量采集技术”。

       能量采集的需求正在不断增加,各种各样的研究工作也正在进行,其中一个就是利用人体来为电子设备提供“永远”不衰竭的电力。能量采集技术需要与该类型能量源匹配的能量采集传感器,将来自周围环境的可用能量转换为电能。典型的能量源包括电磁波、风、振动和热能。

       电池一直是小型便携设备的主要电源,但它们的使用已经相当不方便。这些装置中的电池占体积很大,并且只能持续有限的时间,必须不断地充电和替换,这变得昂贵和耗时。而且电池往往会造成不方便,如对于手机而言,常常因为打到一半突然没电而不得不中断通话。

       来自人体的能量采集技术可以是替代电池供电设备的方法。对于一般的小型电子设备,改为使用身体的能量作为能量源将会带来很多好处。平时我们没有太多觉察自己的身体。其实人体通过日常行为和剧烈身体活动会产生能量,这正是极好的能量来源。

       与从机器获取能量相比,从身体提取能量要复杂得多,因为提取能量的采集器的尺寸相当小,并且人体运动发生在较低的频率。过去,有一些产品,如手表、手电筒和收音机,曾使用人工发电的电源来工作。

       目前,正在进行研究从人体提取的能量用于低功率生物医学应用。例如,向在身体中植入的医疗装置供电,以延长装置的使用期限。否则为了置换这些装置里的电池,需要不断动手术。今后,人体供电的应用将逐渐扩大到用于可穿戴设备甚至手机。

       我们可以把人的日常活动中产生的能量加以利用,例如从人的呼吸、体热、手臂运动、步行、跑步和蹬踏动作等等。这些传感器加上信号处理电路,将这些能量转换成电力。这个采集器可以放在衣服、手表、鞋类或眼镜等人体的佩戴物上,对电子设备充电而不会对用户造成任何不良影响。

       三种不同传感器的能量采集

       从人体中提取能量,一般使用三种传感器,包括热电传感器、电磁传感器和压电传感器。热电传感利用身体热量,而电磁传感和压电传感从身体运动中提取能量。

       热是来自身体的许多种能量来源之一。例如,在新研制的一种可穿戴式无线脑电图系统中,就是用身体热量来工作的。这个脑电图系统使用了一种热电传感器,它在室温下产生超过2mW的功率,而这个系统本身只需要0.66mW的功率,完全可以满足需要。

       通过将热电传感器贴在身体上,这些传感器能够感测身体和房间之间的温度差以建立电势。研究表明,身体上虽然有大量(约100W)的热能,但从体热中只能获得毫瓦范围内的电功率。身体的暴露部位,如前额、手腕和头部等部位,是可以提取最大量功率的区域,而被衣服遮挡的人体部位释放较少的热量。

       研究表明,当热电传感器放在人体的正确位置时(一般放置在身体的躯干上,这里人体组织温度最高),可以产生大约10-30μW/cm2的电能。此外,这种传感器越厚或者越小,产生的功率量就越高。

       人体也是一个很大的动能源,这通过诸如行走、跑步、慢跑和相关身体部位的运动而产生。一些关于利用电磁能量的研究也在进行中,已发现电磁传感器可以用于为可佩戴装置或其他便携电子设备提供能量。电磁传感器在功能上类似于热电传感器,从身体运动提取能量并将其转换为电压、电流等电量。

       研究人员已经研制了一种安装在髋部的电磁传感器,可以用于采集在身体运动(例如步行或跑步)期间髋部运动产生的动能。根据他们的研究,从人体运动提取的动能可以转换为电能,然后可以用于向配备在人身上的设备提供电力。从该研究中,发现当以每秒1.5米的速度行走或跑步时,可以产生1V的最大开路电压(当没有连接外部负载时的电压)和0.3-2.46 mW的电力。

       为了使动能采集效率更高,有人想出把传感器放到腰部的皮带上,再使用一个呈摆动形式的连杆,连杆的一端接到传感器,而另一端接到大腿表面。位于大腿内侧的摆动连杆随着大腿一起移动,而人行走时围绕髋关节摆动。这样,传感器产生的电压随着步行速度而增加。这表明,由于功率是电压的函数,所以传感器产生的功率量也随着步行速度而增加。

       有的研究者提出使用电磁传感器来测量呼吸期间胸围的变化,并从呼吸中提取能量。结果显示,在正常呼吸期间,电磁传感器能够收获约29.4μW的功率。此外,已经得出结论,以12次呼吸/分钟的频率,传感器能够感测0.4cm的最小胸部位移(0.55cm的胸围变化),并且最大胸部位移为3cm(胸部周长变化为3.6cm)。虽然肺活量计是测量一个人换气量的最普通的装置,但它有它的缺点,即正常人使用时会感到不舒适,所以必须要加以改进。

       使用压电材料来进行人体能量采集是另一种常用方法。当压电材料施加机械变形时,就会产生电压。这种能量提取方法就取决于两个因素:一个是压电材料的物质特性,另外一个是施加到材料的机械量。

       一个现在用得较多的发明是在鞋子内部装一个压电传感器,通过压电换能来给电子设备充电。实验结果表明,通过步行可以实现150-675mW的平均功率,而通过慢跑可以获得675-2100mW的平均功率。这种鞋子现在也已有了不同的改进版本。如有的使用聚偏二氟乙烯(PVDF)片堆叠来控制鞋底弯曲的能量。结果,当PVDF堆叠被弯曲时,位于外表面上的片材被拉伸,同时内表面中的片材被压缩,产生1.1mW的总平均功率。

       还有一种鞋放了一种弹簧钢组成的单压电条,目的是在行走时从脚跟的打击施加的压力中提取能量。当脚跟部施加压力或释放压力时,钢金属弯曲,导致压电材料延伸或者压缩。使用这种方法,与以前的设计相比,该方法获得约230mW的能量。

       除了用于能量采集的鞋子之外,压电方法也已经用于医疗应用供电中。例如,研究者提出了一种导管的研究,该导管含有将被插入到心脏的压电薄膜带,并且随后用于向起搏导线提供电功率。简单来说,心脏的运动导致导管弯曲,使得导管内的压电膜变形。压电膜的变形导致导管产生电能。

       类似的办法也已有人用于呼吸频率检测。让被检查者佩戴压电带,压电带的输出与胸部运动的位移成比例,当胸部运动更快时,电压输出更高。反过来在被检者不呼吸时,检查者的胸部没有运动,结果,没有从传感器产生的电压输出。

       最近几年来,研究者又新发明了一种新的半导体器件,叫“摩擦生电器件”,当该器件移动时,就会产生一定电位差。如果再与晶体管相连接,晶体管就会产生电流,从而可以为其他电子设备提供电能。这种器件在很多方面都比压电材料优越,因此很有发展前景。

       使用热电、电磁和压电装置可以从人体采集能量。我们已经看到所有这些方法已经明显地发挥作用、可给小型设备提供电能。但是,根据所使用的传感器的类型和身体上要利用能量的位置,可提取的功率量存在着差异。

       例如,从人体热量可以收获2.4W~4.8W的能量。

       当采用通过身体运动而获得的功率时,使用热电传感器(如嵌入在手表中)只能产生10μW的功率,而通过将电磁传感器连接到髋关节则可以实现最大284μW的功率。这表明,就人体运动而言,身体的腰部和髋关节区域是发生大多数运动的位置,并且因此与身体的较小区域(例如手腕)相比产生较高的功率。

       当对使用电磁和压电传感器从人体运动获得的能量水平进行对比时,显而易见的是,压电方法只能产生2-8mW的功率,而电磁方法能够产生大约250mW。但即使电磁传感器产生最大量的能量,压电方法仍被认为更有效,因为它不影响人的步态周期,更容易使用,并且与电磁方法相比更灵敏。

       人体是个最安全的能量来源

       虽然用电池作为电源的设备是目前最多的方式,但它是一种低效、昂贵、占体积的方法。更严重的是,充电电池有时甚至会发生爆炸。由于这些原因,人们都在寻找新的可靠的能源。而人体本身具有可用的“取之不尽”的能量源,是一种最安全、最方便的能源。

       另一方面,为了使人体供电的负担不要太大,人们也在研究如何把电子装置的功耗尽量做小。如现在有的超低功耗数字助听器芯片,只消耗96μW,即不到0.1毫瓦。这样的话,人体就可直接给它供电了。

       研究者也在研究为什么现在一些人工智能的硬件所消耗的能量,需要比人脑消耗的能量多几万倍或甚至更多。他们在研究利用仿生学的办法,来大大降低电子设备的功耗。如果把小型便携电子设备消耗的功率,都降低到毫瓦级或更低,那么使用人体供电就轻而易举了。

       虽然人体供电技术目前还刚刚起步,提取的能量的效率不高,但是这方面已经成为当今研究人员的关键研究领域。随着今后这方面的研究进展,电能产出效率会越来越高,由我们人体“自主供电”而完全不用电池的时代一定会到来。
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