人体平均每天消耗的能量大约相当于800节AA电池。但身体的机械效率估计仅为15%到30%，这意味着我们从食物中获取的大部分能量都以热量的形式释放出来。
与此同时，人类越来越需要安全、可靠的电源来为研究人员正在开发的、日益增多的植入式设备供电，以改善和挽救生命。目前，心脏起搏器、植入式除颤器、神经刺激器、药物输送系统和骨生长发生器主要依赖锂离子电池，但这些电池在电量耗尽时必须通过手术更换，这存在感染或泄漏的风险，可能伤害患者并增加费用。
为了解决这个问题，世界各地的研究人员正在开发植入式发电机，它们将从我们的身体中获取能量，并希望这些发电机能为新一代设备供电。
体内能量采集
这听起来可能像是《黑客帝国》和《神奇旅程》的科幻交叉，但微型植入式能量采集器问世已有一段时间。这些设备依赖于我们普遍用于能量生产的相同热能、动能和化学方法。
由于我们的身体浪费了大量的热能，植入式热电发电机（TEG）受到了特别关注。像其他TEG一样，这些发电机通过将热表面和冷表面之间的温差转化为电能来工作，但这存在挑战。
“开发植入式TEG需要平衡生物相容性、密封性、小型化和可制造性等关键因素，其中生物相容性是绝对优先的，”德国玉溪应用科学大学的饶永臣说，他从事这些发电机的研究。“这些因素可能存在相互冲突的需求。例如，虽然钛具有出色的密封性，但其高导热性会降低TEG的效率。”
由于体内微型发电机两侧的温差会特别小，因此人们也担心它能提供多少功率。这是饶和他的同事们希望克服的问题。
“热电材料的未来突破，例如具有更高效率的生物相容性选项，或封装技术的进步，可以显著提升植入式TEG的性能，”他说。
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可穿戴发电机
通过肌肉弯曲或肢体屈伸产生电力的可穿戴发电机的概念已经存在了一段时间。但在2018年，达特茅斯塞耶工程学院的研究人员约翰·张及其同事开发了一种原型发电机，它利用悬臂梁设计从人类心脏的跳动中产生电力，并展示了该设备为起搏器供电的潜力。
张在研究中说：“这项研究表明，足够的电能可以从起搏器导线的动能中转换出来，特别是在低频下，以维持运行。”
这并不是研究人员唯一一次尝试利用心脏的能量。早在2011年，瑞士伯尔尼应用科学大学的Alois Pfenniger及其同事开发了一种微型涡轮机，设计用于安装在人体动脉内，并像水力发电机从水中发电一样，利用血液流动产生电力。
在模拟动脉的管子进行的试验中，Pfenniger及其同事可以产生约800微瓦的电量——大大超过为起搏器供电所需的10微瓦。然而，有人担心任何减缓血液流动的设备都可能使其凝结，从而导致危险的血栓。
还有人致力于从身体的化学能中发电。今年早些时候，由中国天津工业大学的刘希正领导的团队成功测试了一种植入式自充电电池，该电池使用钠基合金作为阳极，并利用身体液体中的氧气作为阴极。将电池植入大鼠背部后，他们发现它既稳定又具有生物相容性。
刘希正及其同事表示：“我们的钠氧电池彻底改变了植入式电池的概念。”
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harnessing the Power Within
虽然我们的身体产生大量的能量，但任何旨在利用这些能量的设备都不能干扰我们的日常功能。这意味着我们最多只能收集毫瓦级的能量，但这仍然足以满足许多目前使用的植入式设备的供电需求。
能量采集植入物的科学仍处于早期阶段。但新材料和新设计的不断发展可能会提高发电机的效率和生物相容性，最终我们将从我们的身体中为植入物和可穿戴设备获取能量。
“由于物联网（IoT）的兴起以及人口老龄化对长效植入式医疗设备日益增长的需求，[这些发电机]具有巨大的潜力，”饶说。
然而，当这种情况发生时，我们不仅可以用这些发电机为简单的医疗设备供电，还可以为各种传感器、接口、体外设备和其他生物黑客增强设备供电，这是可以想象的。
这可能是一个老生常谈的说法，但似乎利用内在力量确实有很多收获。
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文章来源
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神经工程与康复杂志。人体运动的生物机械能量采集：理论、现状、设计指南和未来方向
饶永臣。德国玉溪应用科学大学
微电子可靠性。电活性植入物封装热电发电机的设计优化
会议：第六届医学与生物微技术国际会议 (MMB 2011)。通过血管内涡轮发电机进行人体能量采集
化学。植入式生物相容性钠氧电池
