只要能動,就能發電

2020-11-25 第一財經

如果《畢業生》現在重拍的話,也許那句著名的臺詞需要做些改動。麥奎爾先生給班傑明的建議不應該再是「塑料」而是「能源」,具體的話,也許就是「電能」。世界對這種方便存儲和運輸的能量的需求越來越大,人們正在嘗試從所有可能的地方都榨取出電能。最近,喬治亞理工學院王中林教授完成的一項新成果,也許可以讓人類獲取更多的電能—從我們自己身上。

2010年4月,王中林教授和他的團隊成功地在小鼠膈膜肌肉上安裝了一個只有5毫米長、2毫米寬的小裝置,在小鼠呼吸時產生電能。這是可以終身工作的微型發電機,只要小鼠還活著,就會源源不斷地發電。

將發電裝置植入體內的思路並不罕見,無論是《鋼鐵俠》中的核能發電還是現實中的震動發電機。英國南開普敦大學的斯蒂夫·畢比在2008年製造出了將震動轉換為電能的發電機,試圖不僅將其用在那些無法輕易更換電池的工業場合,更可以借用心跳的震動,供給植入體內的醫療器械。然而,王中林的新型裝置,原理卻與眾不同。

從2006年開始,王中林教授就開始嘗試使用納米技術和壓電技術結合,以製造能夠發電的微型發電機。這開創了被稱為「納米壓電電子學」的新領域,並且在幾年間獲得了大量關注。它的基本思路,是收集大量納米級壓電材料在形變中釋放的電能。

皮埃爾·居裡和他的兄弟在1880年時,發現了某些晶體具有壓電效應,在它們形狀改變時會產生電流,而有電流通過時則會產生形變。我們最常見的壓電材料出現在一次性打火機上,但實際上從海底到太空都能夠找到包含壓電材料的零件。2002年新加坡國立大學嘗試將壓電材料裝在鞋裡,收集人體浪費的能量來發電,但是因為壓電材料太硬沒有太大的進展;普林斯頓大學的麥可·麥卡爾平最近將壓電晶體製成寬度不到0.01毫米的細條,並且把它們封裝在柔軟的矽膠中,希望能夠做成鞋墊或者是緊貼肺部的發電機。

而王中林教授把眼光放在了更小的壓電材料上。使用納米氧化鋅纖維,他的團隊在2006年製造出了世界上最小的發電機,當撥動這些直徑只有千萬分之一米的小氧化鋅纖維時,就會產生電流。三年後,發電機問世。在經過數十萬倍放大之後,他們的工作成果看起來像是兩根糾纏在一起的長棒,上面長滿了密密麻麻的氧化鋅纖維,其中一個上面還鍍滿了金,看起來就像是兩隻捲髮筒被擰在一起。當這兩個「捲髮筒」相互擠壓時,氧化鋅纖維上的電荷將會轉移到鍍金的捲筒上,然後被電線導出。「只要能動,就能發電」,王中林教授在自己的研究簡歷上,簡明地概括了這一發現。

他們給大鼠穿上這種發電材料製成的馬甲,收集到了運動產生的電能。在理想情況下,每平方米衣料能夠產生80毫瓦的電能。這一開創性的發現被英國《物理世界》評為當年最令人振奮的科技進展之一,雖然離實用的目標還有很遠。

隨後,王教授又製造出了效率更高的納米發電裝置,不再使用氧化鋅纖維相互擠壓,而是將一塊白金薄片與垂直生長的氧化鋅纖維接觸,白金薄片的表面被製作成類似鋸齒的結構,以儘可能獲得更多的電能。就像是使用刷子刷地板那樣,每次有相對移動,氧化鋅纖維都會彎曲而發電。現在,在頻率為41千赫茲的超聲波作用下,分布在2平方毫米麵積的氧化鋁基片上的500根納米線的陣列,已經可以輸出1納安的連續電流,並且可以持續相當長的時間而不產生衰減。通過多組發電材料的串聯,在僅僅0.19%的慢性形變下,輸出電壓已經可以達到接近傳統乾電池的程度:1.26伏電壓。

現在,他們將這種發電材料植入小鼠體內,嘗試通過生物運動發電。雖然目前能夠產生的電量只有幾微安培,但是電量將會隨著植入更多的發電設備而成比例地增加。當這種發電材料效率獲得進一步提升之後,心臟起搏器、植入式血糖儀之類的設備都可以利用它的電能工作。

手機發明者Martin Cooper認為,也許在20年之內,手機就可以植入體內,並且通過體內電源供電。在納米發電機的幫助下,也許這會成為現實。其他的一些體內發電方式也正在研究當中,例如最近法國科學家在小鼠體內成功地植入葡萄糖燃料電池,利用生物體內的酶氧化葡萄糖而發電。相比王中林的納米發電機,這種燃料電池還處在比較初級的研究階段,但是也能為人們如何利用自身的能量發電提供些可行的思路。

顯而易見,除了植入體內之外,這類發電裝置還有更多的用途。例如將其製成服裝,我們也許就不再需要攜帶充電器才能出差;而隨著物聯網而來的諸多傳感器和網絡設備,也許就可以找到新的供電方式。「你可以在房間裡安裝成百上千個看不見的感應器來檢測煙霧、漏水、有毒氣體洩漏甚至入室搶劫,」王中林說,「你無需給它們充電、插上線板或更換電池。」

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