原理
這種迷你震動發電機的科學原理非常簡單,即利用在兩個磁鐵之間的線圈運動來產生電流。
這種新裝置的開發令心臟病患者在更換起搏器電池時可以免於外科手術。科學家們甚至希望能用這種高效發電機為其他各種攜帶型無線設備供電。在未來,手機用戶只要將手機放在心臟附近的口袋中,就可以很方便地為手機充電了。
套用
心臟起搏器因耗盡電能而一再更換,手機在緊要關頭瞬間停電,MP3在我們盡情享受音樂時突然熄火。面對這些問題,科學家設計出了一款只靠心跳就能發電的“迷你發電機”。
2007年7月24日曾報導,英國科學家成功開發出了一款能將振動轉化為電能的“迷你發電機”,根據研究者的設計和實驗,心臟病人只要安裝了這個發電機,就不必再通過手術更換心臟起搏器的電池,只要靠心跳,心臟起搏器就能夠運轉。
當然,這個發電機的前景還不止於此。按照同一原理,我們只要把手機、MP3等無線設備放在胸前口袋,心臟的跳動同樣能為它們供電。
心臟工作原理
心臟的正常起搏點是一個叫竇房結的地方,它會自動有規律地發出電衝動,這個電衝動傳到心肌細胞的時候,會使心肌收縮;衝動過後,心肌就會舒張。這樣就完成了一次“心跳”。據北京安貞醫院心臟外科主任醫師屈正介紹,人的心臟就像一個自動化的“血泵”,每一次心跳都向人體各部分輸入大量含有氧和養料的新鮮血液,並使血液在體內不停地循環,以完成生命體所需營養的分配等功能。與此同時,心跳也使心臟本身有了動能,心跳產生的是機械能,而心肌代謝產生的是化學能。
他認為,“迷你發電機”要利用心跳的能量,其實是要採集在心臟跳動時把血打出去那一瞬間產生的機械能,而不是利用心臟本身的能量,也不是利用心肌代謝用以供養全身的化學能。因此,這本身就是在利用人體內的一種額外的富餘能量,不會影響心臟對人體的供能。
心臟起搏器作用
屈正解釋說,心臟一般在兩種情況下需要用到心臟起搏器:第一種是心跳頻率過慢,第二種是心力衰竭。第一種情況下,利用心跳產生的能量給起搏器充電是很有可能的。在給心臟病人裝入心臟起搏器時,起搏器本來是有電的,這樣就有一個初始的能量使心臟跳動頻率正常,隨後每次心跳瞬間所釋放出的機械能都可以轉化為電能持續給起搏器供電。而在第二種情況下卻不太可能,因為心力衰竭的心臟本身就跳不動,它需要外界給它供能才能維持跳動。
屈正認為,現在問題的關鍵就在於如何從技術上成功地採集心跳產生的機械能,以及採集之後用哪種特殊材料如何轉化為電能。
前景
“迷你發電機”可廣泛套用
北京理工大學材料博士林海波在接受筆者採訪時談到,上述“迷你發動機”的核心部件是一種壓電材料(屬於電子材料),此壓電材料具有壓電性,就是當晶體受到張應力、壓應力或剪應力作用產生應變時,晶體就會顯示出極化和電場,產生電能,這種利用機械能轉化為電能的現象就是壓電效應。所以,“迷你發電機”可以利用人體的心臟跳動形成機械能,進而轉化為一定的電能,產生的電能可以用來為心臟起搏器供電。產生電量的大小與心臟跳動的強度、頻率及材料的本身轉化能力有關,不同的材料具有不同的轉化能力。
對於心臟跳動較弱的,可以選用轉化力強的發動機為起搏器供電;當人處於運動或心情變化等過程中,心臟的跳動會引起一定幅度變化的電能,這種不穩定性可以通過添加穩定過濾器來調節其穩定性,同時穩定的起搏器也調節了心臟跳動的變化。
但是如果心臟單位時間內產生的功率與手機所需功率不同,可以用何種方式進行調節呢?林海波介紹說,一種方法是對應所需不同能量的器件採用不同功率的“迷你發電機”,也就是說,不同的材料在同一外力作用下產生的電能是不同的。比如說,現在已研製成的多層壓電變壓器,最大功率已超過50W,並且已大量地套用於筆記本式計算機液晶顯示器的背光電源,以及複印機和傳真機的高壓電源中。另一種方法就是還可以利用變壓器進行轉換,如果發動機里有內置變壓器也可進行。
美好理想能變成現實嗎
在身體裡面再鑲嵌一個能量轉化的裝置是否可行?據心臟起搏器生產廠家多百力公司的楊羽介紹,從理論上說這是可行的。因為將機械能轉化為電能在技術上實現起來並不難,難的是這裡面還涉及到很多其他方面的細節問題。起搏器通常都安裝在右側或左側胸壁皮下。醫生會在皮下組織和胸大肌之間分離出一個囊袋,將起搏器埋藏在皮下的囊袋裡。根據病人病情和起搏需求的不同,醫生會將一至三根起搏導線通過靜脈送入心臟內不同的心腔,導線的另一端與起搏器相連線。所以說起搏器的植入手術是不需要開胸的,只是在皮膚上開一個4—5厘米的刀口,起搏器植入後將刀口縫合即可。不會影響病人的日常起居,特別是像洗澡、游泳之類的活動。因此,可以根據起搏器在人體內安裝的方式,在體內鑲嵌轉化裝置。
可是為了給手機或MP3充電,在人體內植入“迷你發電機”,對消費者來說,似乎是得不償失的。但屈正認為,將來的發展趨勢可在技術上最大限度地保證“無創傷性”。比如,可以在人體的表面貼一種雙面的器材,貼著體表的一面是感應器,以通過體表感應心跳採集機械能;另一面是轉換器,將機械能轉化為特定功率的電能,並輸出到手機或MP3能接收到的導線上。而且,那種雙面器材必須保證無輻射且人體對它不過敏。