隨著電子技術的進步，植入式醫(yī)療設備正在幫助不幸的人們回歸正常生活。其中的成功范例包括人工耳蝸、埋藏式心臟復律除顫器，對于全聾患者或惡性室性心律失?；颊?，它們是最有效甚至是惟一的治療手段?？茖W家們正在把成功的疆界推向更遠，例如研制神經(jīng)假體，幫助神經(jīng)系統(tǒng)受損的患者恢復對肌體的控制。

但所有植入式電子設備都面臨一個問題——如何供電?對于一些允許在較大區(qū)域植入的設備，同時植入電池是一種可能的選擇。但對于許多設備而言，植入?yún)^(qū)域的大小很有限。比如視覺假體已被初步證明能讓盲人重見光明，但如何在眼球或面部范圍內(nèi)植入電池呢?畢竟電池越小使用時間越短。密歇根大學的Aibano小組已經(jīng)于2007年示范了一個植入式眼壓計，這個約0.25mm3的小東西功耗低得令人難以置信，只有4.2uw(點亮一臺22寸液晶顯示器上1個像素的功率，就可以讓5000個這樣的裝置正常工作)，但如此鬼斧神工，內(nèi)置電池也僅能維持57小時，而更換電池則會帶來不盡的麻煩、痛苦甚至是風險。

向自身要能量

有沒有其他解決方案?

美國佐治亞理工大學計算機學院的教授Thad Starne是研究“穿戴式計算”的先鋒之一，他堅信未來的信息社會必將實現(xiàn)永久的人機交互。他是如此的執(zhí)著和超前，自1993年起就堅持穿著一套自己設計的“可穿戴計算機”。顯然，他的實踐讓他非常關心這類設備的能源問題。經(jīng)過評估，他于1996年發(fā)表了一篇綜述，指出利用人體自身產(chǎn)生的能量為電子設備供電是可能的。

人體每時每刻都在釋放能量，即便是靜坐或睡眠，你的輸出功率也將近百瓦。經(jīng)過大自然百萬年的精心雕琢，這些能量高效地維持著人體的新陳代謝和各項活動，它們中的大部分并不能挪作他用。雖說如此，Starner告訴我們，仍有余量可挖；比如人的體熱大約有3～5W可以利用，人體的運動大約有幾十W的富余，他甚至指出可以從呼吸或血壓中獲取約1w的能量。

這是個不錯的主意，Starner在文章末尾大聲呼吁盡快設計原型樣機。但隨后的研究表明，困難大量存在。試圖從呼吸和血壓中獲取能量是危險的，這可能破壞人體的代謝平衡。直接從運動中獲取能量也有問題，比如如何能在不妨礙軀體動作的前提下獲取這些能量?如何能把手臂和腿部的能量傳遞給身體其它區(qū)域的電子設備，比如頭部?我們需要的是一種通用供電設備，它們毫不起眼，可以放在身體的任何地方。

利用體熱或從軀體運動引起的振動中獲取能量是可行的方案，這也是現(xiàn)在的研究焦點。

向人體熱量要電能

IMEC是歐洲最大的跨校微電子研究中心，它坐落于比利時，由好幾所大學的研究人員聯(lián)合組成。2006年，IMEC的vladimir Leonov和Ruud VullersN示了體熱供電的血氧飽和度傳感器；2008年，他們展示了體熱和光伏混合供電的無線腦電波檢測器。

人體熱量如何轉換為電能?這個原理還得從1821年的一個發(fā)現(xiàn)說起。這一年，德國科學家Thomas Seebeck報道了一個有趣的實驗結果，他發(fā)現(xiàn)如果把兩種不同的金屬連成一個閉合回路，并給其中一個接頭加熱，回路中就會出現(xiàn)電流。這種溫差生電的現(xiàn)象被稱為Seebeck效應。Seebeck效應走向實用很大程度上要歸功于蘇聯(lián)科學院院士約飛，他在20世紀50年代發(fā)展了半導體中的相應理論，大大提高了能量轉換效率。而所有利用溫差來發(fā)電的設備被稱為TEG(熱電發(fā)電機)。它結構簡單、無運動部件、無噪聲、堅固耐用，目前，利用放射性同位素供熱的TEG是深空探測器供電系統(tǒng)的惟一解決方案。

而Leonov、Vullers以及相關科學家所做的就是把TEG應用到人體上。人作為恒溫動物可以維持37℃的體溫，如果在人體和具有溫差環(huán)境之間插入一個TEG，它就能為附近的電子設備供電。但是把TEG應用于人體的挑戰(zhàn)在于，所有TEG的熱電轉換效率都不可能超過溫差和熱源溫度的比值，所以溫差越大，轉換效率越高。但在一般環(huán)境中(尤其是室內(nèi))，人體和環(huán)境的溫差不會很大，因此用于人體的TEG轉換效率幾乎不可能超過5％，這就要求對人體的熱流進行仔細分析，并對TEG和人體的熱匹配進行特殊優(yōu)化。目前我們能夠人從體熱獲取的電功率水平為20u W／cm。

這個值看起來微不足道，具體來說即使把你全身鋪滿200個現(xiàn)有的TEG，也只能點亮一個5W的燈泡。然而對于設計優(yōu)良的植入設備或可穿戴設備，這個功率水平卻完全夠用。比如之前提到的植入式眼壓計，功耗僅42nW，1uw的電能為200個這樣的設備供電綽綽有余。心臟起搏器的功耗在100uw的水平，雖然大一些，但它所處的位置也具備更大的面積。

另一個方法：從振動要電

早在電子時代之前，人們就發(fā)明了從人體運動中獲取能量以持續(xù)工作的裝置。大約是在1770年，瑞士鐘表匠Abraham—Louis Perrelef設計了一只懷表，只要把它帶在身邊，主人的各種自然運動就足以為它上緊發(fā)條。很明顯，它在提醒人們牢記一條深刻的哲理一生命在于運動。

Perrelet的懷表是把機械能轉換成另一種機械能，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以制造把機械能轉換為電能的微型供電裝置?；驹O想是在系統(tǒng)內(nèi)放置一個彈簧懸掛的重物，這樣做的目的，是使任意外部運動(系統(tǒng)被移動)都可以轉換為內(nèi)部重物的振動，然后通過一個與重物連接的換能器，把這種振動轉換為電能。實現(xiàn)換能器的原理通常有三種：第一種是電磁感應，其原理和大型發(fā)電機非常相似，一個導體在重物的牽引下切割磁場產(chǎn)生電流；第二種是靜電效應，重物迫使兩個帶電極板發(fā)生相對運動，引起電壓的變化；第三種是壓電效應，重物的振動會擠壓或拉伸一塊壓電材料，壓電材料在壓力作用下產(chǎn)生內(nèi)建電場維持環(huán)路電流。

利用振動獲取電能要考慮的一個因素是頻率匹配。人體運動要想充分激勵為內(nèi)部重物的振動，就必須實現(xiàn)振動頻率匹配。這里的難點在于人體運動的頻率變化范圍很大，做充分的共振頻率匹配并不容易。另外雖然重物的質量和最終得到的電能成正比，但考慮到裝置小型化和便攜式的要求，重物并不能太大。2003年，加利福尼亞大學的Roundy等人對上述3種轉換原理進行了理論分析。結果表明，在IHz的外部運動下(相當于人體正常步行頻率)，它們的極限產(chǎn)能分別是4mW／cm3、4mW／cm3和18mW／cm3。和體熱供電類似，現(xiàn)有的原型設備產(chǎn)能基本上都在幾十u W／cm3的水平上，還有許多潛力可以發(fā)掘。

上述的裝置都需要一個內(nèi)置重物，這個重物會占用不小的空間。2007年，Lewandowski等人在NASA(美國國際航空航天局)的支持下提出一個新的設想并進行了深入研究，主要目的是幫助癱瘓病人恢復他們的身體機能。一般來說，許多癱瘓病人肌肉組織的收縮能力完好無損，主要是刺激神經(jīng)受損，通過植入設備持續(xù)提供的輕度電刺激可以幫助他們恢復肌肉運動。Lewandowski等人注意到，該電刺激所需的能量遠小于肌肉運動本身產(chǎn)生的機械能，因此他們的想法就是在肌肉附近植入一組壓電材料，肌肉收縮的小部分能量將被壓電材料轉換為電能，直接為植入的電刺激設備供電。病人開始的時候在醫(yī)護人員的幫助下活動肢體，激活供電裝置，隨后就可以獨立活動了。

未來的BAN網(wǎng)絡和能量采集

對于厘米尺寸級別的器件，目前能夠獲得的電能在幾十uw級，而理論極限在mw級，這足以驅動許多植入設備，免除患者更換電池所帶來的不便了。

能為身有疾患的人服務的技術，自然也能為健康人服務。一般來說，如果我們能實時監(jiān)測自己的身體狀態(tài)，提前預防，我們能避免許多疾病，這正是BAN(Body Area Network)網(wǎng)絡的設計目標之一。這是一種由覆蓋人體的傳感器組成的網(wǎng)絡，它能讓你實時了解自己的一切。BAN中傳感節(jié)點的功耗比植入設備還要低，更適合由人體來供電。實際上科學家們已經(jīng)走得更遠，他們希望個體間的BAN甚至能夠互動，這將使個人真正變成“電子人”，以肉身融入Internet。

從更大的領域來說，從人體獲取電能的研究歸屬于能量采集技術，目標是要設計出獨立的電子設備，這種設備能夠自動從環(huán)境中獲取電能，無需人工照料。因為環(huán)境是多變的，獨立的電子設備必將集成多種技術，能夠從廣泛的渠道獲取能量，包括光照、射頻電磁波、溫差、振動、氣流、波浪……它們將是無線傳感網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)的組成單元，當然那是另一個故事了。