上一秒狂流汗,下一秒猛发电,是什么让人体变身发电机?
来源:学术头条
发布时间:2022-08-05
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最近的高温天气,简直要把人热炸了。

只要一出门,汗水就哗哗哗地滴个不停。

大多数人都处在“不想上班”“不想下班”的状态。

(因为上下班路上热啊!)

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汗水,也就是汗液,是由汗腺分泌的液体,其组成成分 98%-99% 是水。人类等高等动物会因为外界温度过高、经历高强度运动或者神经紧张等原因而发汗。

由于外界气温升高,或体内产热增加所致的热刺激引起的发汗被称为知觉发汗,发汗区域分布广,涉及全身各部位皮肤,尤以前额、颈部、躯干前后、腰部、手背及前臂等部位最多,其次为颈、躯干侧面及四肢大部分,再次为股内侧面及腋下,手掌和足发汗最少;另外,精神紧张也可以引起发汗,发汗中枢分布在中枢神经系统的各个部位。

汗液具有降温散热、保护皮肤、排泄体内废物等作用;然而,过于发达的汗腺也常常会给人们带来苦恼:粘腻的汗水打湿衣物,不仅会让人感到难受,还可能散发出“不友好”的味道。

但是,你知道吗?其实咸咸的汗水还有其他妙用,那就是发电。

没错,是用汗发电(而不是用爱发电)。

去年,来自新加坡国立大学的研究人员,就制作出了一种薄膜状纳米吸水材料,这种薄膜状的材料能够使皮肤上的汗水快速蒸发。更巧妙的是,它还利用水驱动发电技术,将人体汗液中的水分收集起来,为手表、健身追踪器等可穿戴电子设备供电。

如今,来自马萨诸塞大学阿默斯特分校(UMass Amherst)的研究团队表示,他们设计的新型可发电生物膜有望彻底改变可穿戴电子设备行业,为个人医疗传感器、个人电子设备等提供长期、持续的电力。

相关研究论文以“Microbial biofilms for electricity generation from water evaporation and power to wearables”为题,已发表在科学期刊《自然通讯》(Nature Communications)上。

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图|由生物膜发电驱动传感器,用于测量吞咽动作产生的机械信号。

“这是一项非常令人兴奋的技术,”UMass Amherst 工程学院电子与计算机工程专业博士、该论文的第一作者 Xiaomeng Liu 说,“与其他所谓的‘绿色能源’不同,它是真正的绿色能源。”

据论文描述,这种大约只有一张纸厚度的生物膜是由一种改造过的硫还原地杆菌(G. sulfurreducens)自然产生的。

在以往的研究中,硫还原地杆菌就曾被科学家们用来发电,而且也被用在“微生物电池”中为电气设备供电,但仍然需要得到适当的照料并不断“投喂”。

相比之下,这种新型生物膜不仅可以提供和同等大小电池一样多甚至更多的能量,而且可以持续工作,且不需要“投喂”。

“这种生物膜更加高效,”UMass Amherst 微生物学特聘教授、该论文的共同通讯作者 Derek Lovley 说,“我们从根本上减少了所需的处理量,从而简化了发电过程。我们在生物膜中持续地培养细胞,然后利用细胞的凝集(agglomeration)。这一过程减少了能源输入,使一切变得更加简单,并扩大了潜在的应用。”

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图|新型生物膜的实际照片(左)和示意图(右)

那么,新型生物膜利用生物皮肤上的水分产生能量的原理是什么呢?

首先,硫还原地杆菌在看起来像薄垫子的菌落上生长,每一个个体都通过一系列天然纳米线与其他个体连接;其次,使用激光在薄膜上蚀刻小电路;然后,将被蚀刻上电路的薄膜放置在电极之间,并密封在柔软、粘性、透气的聚合物中;最后,收集、转化能量,为小型设备提供电力。

“这是一个巨大的、尚未开发的能源来源。” UMass Amherst 电子与计算机工程教授、该论文的共同通讯作者 Jun Yao 说。

天热时,尤其是在炎热的夏天,我们的皮肤表面充斥着汗水,而新型生物膜可以将汗水蒸发时产生的能量收集、转化,并为小型设备提供电力。

Yao 表示,“电力供应,一直是可穿戴电子产品的限制因素之一。电池没电了,必须更换或充电。但它们又笨重又不舒服。” 但是,这种透明的、小巧的、薄薄的、柔韧的生物膜可以像创可贴一样直接贴在皮肤上,连续不断地产生稳定的电力。

图片图|集成器件阵列为小型 LCD 屏幕供电。

在未来的工作中,研究团队计划增加生物膜的尺寸,从而为更复杂的皮肤可穿戴电子设备供电,“我们下一步将增加薄膜的尺寸,为更复杂的皮肤可穿戴电子设备供电,甚至为整个电子系统供电,而不是单个设备。” 研究团队说。

参考链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6




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