指尖上的汗液“发电厂”

文/薛 里

出汗是我们身体的正常生理现象,不过,你可能想象不到,通过一种特殊的生物燃料电池,汗液可以作为能量来源,为一些
利用汗液发电的生物燃料电池可穿戴设备供电。
当你在野外郊游或长途徒步时,如果遇到手机没电又找不到充电设备的状况,该怎么办?估计你会急出一身汗。别着急,解决方案就在你急出来的汗液上,一种可以用汗液发电的生物燃料电池,能够化解你的燃眉之急。
2017年,美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的约瑟夫·王研究团队发明了一种智能皮肤贴片。这种贴片为正方形,边长只有几厘米,其主体为一种可伸缩的生物燃料电池。该电池有一排排圆点,其中一半圆点组成了电池的阳极,另外一半组成电池的阴极。每个圆点之间通过弹簧状结构相互连接,弹簧状结构可在不破坏电池阳极和阴极的情况下被拉伸和弯曲,从而使电池具有柔性。
研究人员采用丝网印刷的方法,在电池阳极和阴极的顶部构建了碳纳米管,使每个阳极点能加载更多的酶,并将氧化银添加到阴极点上。这种方法提高了电池的能量密度和发电效率。
这种生物燃料电池中的酶能氧化人体汗液中存在的乳酸。当电池吸附了汗液后,这种酶在阴极处与乳酸和氧化银发生反应,产生电流,从而将汗液转变成一种能量源。
与之前用于可穿戴装置的生物燃料电池相比,这种新型电池单位表面积产生的能量可以提高数倍。当佩戴者跑步时,流出的汗液就可以为移动设备供电。

生物燃料电池的升级迭代
这种生物燃料电池虽然相比之前的同类电池效率更高,但是它需要大量的汗液才能工作。只有人们在进行跑步等剧烈活动或处于较高温度的环境中,才能满足它正常发电的条件。而且大多数人也不想为了给电子设备充电,随时随地大汗淋漓一场。为了让人们更优雅地使用汗液发电设备,该研究团队在2021年研发了第二代生物燃料电池。
新型生物燃料电池更为小巧,只有一平方厘米那么大。与第一代生物燃料电池可以贴在皮肤的任意位置不同,这一代汗液“发电厂”选址在了我们的指尖。
别看指尖面积不大,它们是人类身体里汗腺最集中的部位,甚至比腋下的汗腺密度还要高。而且指尖每时每刻都在分泌汗液,我们在日常生活中感觉指尖似乎很少流汗,那是因为指尖总是暴露在空气中,通风环境良好,指尖分泌的汗液几乎会瞬间被蒸发掉。不管我们的手指看起来多么干燥和洁净,都会很容易在物体的表面留下指纹,这些指纹就是手指所分泌汗液的残留物。因此,利用指尖汗液发电的生物燃料电池可以保持24小时发电。
这种形似创可贴的新型生物燃料电池十分轻薄,可以贴附在指尖上,通过碳泡沫电极组成的吸收垫,收集指尖分泌的汗液。这些电极上被加载了特殊的酶,可以与汗液中的乳酸进行化学反应,进而产生电能。
除了利用指尖分泌的汗液发电之外,该电池中还集成了压电发电机,允许佩戴者通过轻轻按压手指产生额外的电能。
经过测试,在佩戴者10个小时的睡眠过程中,每平方厘米的燃料电池可以收获300毫焦的能量。这么少的能量当然不足以运行手机等耗电设备,但对于监测心率、维生素和葡萄糖水平等一系列指标的微型传感器来说,已经绰绰有余。
不过,这种生物燃料电池中起关键作用的酶在两星期后会分解失效,无法继续发电。研究人员的下一步工作是研究可以稳定存在更长时间的酶。

为健康传感器保驾护航
该团队的研究人员称,新型生物燃料电池是有史以来最有效的身体能量收集器之一,它甚至可以在佩戴者保持静止的状态下依旧持续工作,这对未来可穿戴电子产品的高效实用能源研究具有重大意义。
这种生物燃料电池最适配的应用场景是可以监测人体健康状况的可穿戴传感器。因为它可以从人指尖的汗液中获取足够的能量,当跟踪健康和营养的可穿戴医疗传感器配备这种生物燃料电池后,就可以全天候监测佩戴者的身体状况,而不用担心电池能量耗尽的情况。
此外,这种生物燃料电池发电的原理是分解汗液中的乳酸,而汗液中的乳酸含量也与一个人的肌肉工作效率有关,因此这种电池还此可以帮助了解运动员在运动中的表现。
同样,汗液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖水平有关。因此,这种生物燃料电池还可以提供一种监测糖尿病患者血糖水平的方法,它的优点是不需要针头和血液样本。
展望未来,随着这种新型生物燃料电池收集各种生命体征与分子信息能力的增强,它将在生命健康乃至人机互动领域发挥更大的作用。

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