تامین انرژی ابزارهای دیجیتال و هوشمند از بدن ما
تکنولوژی همیشه با جسم انسان ارتباط نزدیکی داشته است.
هزاران سال است که اختراعات را با خودمان حمل می‌کنیم، حالا قرار است این ارتباط نزدیک‌تر هم بشود. با این اوصاف نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی شاید نه تنها نزدیک جسم ما قرار بگیرند، بلکه انرژی خود را نیزمستقیما از بدن ما تامین کنند. برای اینکه حال ما خوب بماند، روزانه باید چیزی بین ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ کالری توسط بدن سوزانده شود. این میزان برای تامین انرژی یک گوشی هوشمند که در روز به صورت متوسط استفاده می‌شود، کاملا کافی است. پس اگر می‌توانستیم ذره‌ای از آن انرژی را بیرون بکشیم، بدن ما در تئوری قادر به تامین انرژی تعداد زیادی از دستگاه‌های الکترونیکی می‌شد.
هزاران سال است که اختراعات را با خودمان حمل می‌کنیم، حالا قرار است این ارتباط نزدیک‌تر هم بشود. با این اوصاف نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی شاید نه تنها نزدیک جسم ما قرار بگیرند، بلکه انرژی خود را نیزمستقیما از بدن ما تامین کنند. برای اینکه حال ما خوب بماند، روزانه باید چیزی بین ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ کالری توسط بدن سوزانده شود. این میزان برای تامین انرژی یک گوشی هوشمند که در روز به صورت متوسط استفاده می‌شود، کاملا کافی است. پس اگر می‌توانستیم ذره‌ای از آن انرژی را بیرون بکشیم، بدن ما در تئوری قادر به تامین انرژی تعداد زیادی از دستگاه‌های الکترونیکی می‌شد.
تکنولوژی همیشه با جسم انسان ارتباط نزدیکی داشته است.
هزاران سال است که اختراعات را با خودمان حمل می‌کنیم، حالا قرار است این ارتباط نزدیک‌تر هم بشود. با این اوصاف نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی شاید نه تنها نزدیک جسم ما قرار بگیرند، بلکه انرژی خود را نیزمستقیما از بدن ما تامین کنند. برای اینکه حال ما خوب بماند، روزانه باید چیزی بین ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ کالری توسط بدن سوزانده شود. این میزان برای تامین انرژی یک گوشی هوشمند که در روز به صورت متوسط استفاده می‌شود، کاملا کافی است. پس اگر می‌توانستیم ذره‌ای از آن انرژی را بیرون بکشیم، بدن ما در تئوری قادر به تامین انرژی تعداد زیادی از دستگاه‌های الکترونیکی می‌شد. از ایمپلنت‌های پزشکی گرفته تا لنزهای الکترونیکی، دیگر هیچ‌‌کدام به باتری نیاز نداشتند. به‌تازگی دانشمندان گام مهمی در استفاده از این پتانسیل الکتریکی برداشته‌اند.
پتانسیل دست نخورده
انرژی درون بدن ما در حالت‌های متفاوتی وجود دارد. بسیاری از این حالت‌ها به اندکی دستکاری احتیاج دارند تا بتوان از آنها، برای تامین انرژی یک دستگاه الکتریکی استفاده کرد. برای مثال، گوش پستانداران ولتاژ الکتریکی بسیار کوچکی دارد که به آن EP می‌گویند. این ولتاژ در حلزون گوش که حفره‌ای مارپیچ شکل در گوش میانی است، قرار گرفته است. EP با تبدیل امواج فشار به پالس‌های الکتریکی، به شنیدن کمک می‌کند. حدود یک دهم ولت و بسیار ضعیف است؛ اما برای تامین انرژی سمعک‌ها یا سایر ایمپلنت‌های شنیداری، کافی به نظر می‌رسد. تا مدت‌های طولانی به علت حساسیت زیاد گوش میانی، کسی سعی نمی‌کرد به جمع‌آوری EP بپردازد؛ اما با ترکیب قابلیت‌های جراحی و نوآوری در تکنولوژی، محققان در ماساچوست در سال ۲۰۱۲ موفق به انجام این کار شدند.
این تیم چیپ‌ستی را تولید کرده که به جمع‌آوری انرژی EP می‌پردازد. تقریبا اندازه‌ای برابر با ناخن انگشت دارد و طوری طراحی شده که انرژی الکتریکی را مستقیما از EP به‌دست بیاورد. تیم این چیپ‌ست را در گوش میانی یک خوکچه‌هندی جاسازی کرد که به تولید انرژی برای فرستنده‌ای رادیویی بپردازد. انرژی الکتریکی تولیدی، بسیار کمتر از میزانی است که برای تامین برق یک ایمپلنت کافی باشد. اگر در آینده بتوانند راهی پیدا کنند که جریان تولید شده توسط چیپ‌ست بیشتر شود، شاید بتوان انرژی موردنیاز یک سمعک را تامین کرد.
خارج از حلزون گوش، جریان آزاد الکتریکی به سختی در بدن پیدا می‌شود. بیشتر انرژی بیولوژیکی در حالت‌های دیگر محبوس شده و یک راه برای آزادسازی آنها، بازیافت‌شان است.
پا و گرما
ما برای حرکت کردن ساخته شده‌ایم. از انرژی به جز انجام کارهای اساسی درون سلول‌هایمان، برای انواع حرکت عضلات مثل ضربان قلب، نفس کشیدن و به اطراف حرکت کردن استفاده می‌شود. کسی که از ژنراتور دوچرخه استفاده کرده باشد، با مفهوم تبدیل انرژی جنبشی به الکتریسیته آشنا است؛ اما حالا چیزها اندکی پیچیده شده‌اند.
در سال‌های اخیر، دانشمندان از ویژگی خاصی از مواد استفاده کرده‌اند که منجر به تولید انرژی الکتریکی شده و با نام پیزوالکتریک شناخته می‌شود. پیزوالکتریک با استفاده از فشار مکانیکی، انرژی الکتریکی تولید می‌کند و نمونه‌ای از آن را در فندک‌ها می‌توان مشاهده کرد. هنگامی‌که آنها را می‌فشارید، صدای کلیک را می‌شنوید که از کریستال پیزوالکتریک ناشی می‌شود.
در سال ۲۰۱۳ تیم تحقیق چینی- ژاپنی پارچه‌ای کشی را با استفاده از مواد پیزوالکتریک اختراع کردند که با انرژی مکانیکی حرکت کردن انسان، الکتریسیته تولید می‌کند. اگر از این پارچه در تولید کفش استفاده شود و شخصی با آن راه برود، الکتریسیته‌ای تولیدی می‌تواند ۳۰ چراغ LED را روشن کند. با استفاده از این پارچه برای تولید تی‌شرت و پوشیدن آن، با چند ساعت حرکت می‌توان یک باتری لیتیوم یون را شارژ کرد.
حتی از این مواد در به‌دست آوردن انرژی از حرکت اندام‌های داخلی بدن مثل قلب و ریه هم استفاده می‌شود؛ اما اگر دوست ندارید پارچه‌ای دور قلب و ریه شما بسته شود یا توضیحات بالا به نظرتان به حرکت زیادی نیاز دارند، می‌توانید برای ورود پارچه‌های هوشمند به بازار صبر کنید. این پارچه‌ها به جای حرکت، از انرژی گرمایی برای تولید الکتریسیته بهره می‌برند.
در آزمایشی لباسی که با استفاده از این تکنولوژی تولید شد تنها به کمک دمای بدن، می‌توانست یک نانو وات یعنی تنها ذره‌ای از توانایی پارچه‌های پیزوالکتریک، انرژی تولید کند؛ اما مانند چیپ ست EP، این نوع از پارچه هنوز دنیایی برای پیشرفت را پیش روی خود دارد.
خون
تا به حال بزرگ‌ترین قدم برداشته‌شده به سمت به دست آوردن انرژی از خون، تولید سلول‌های مصنوعی سوخت آنزیمی یا EFC بوده است. این سلول‌ها که مثل باتری عمل می‌کنند، با شکستن مواد شیمیایی درون خون و بیشتر گلوکز به تولید الکتریسیته می‌پردازند. تکنولوژی ساخت EFC ،۱۰ سالی می‌شود که وجود داشته، اما در پنج سال گذشته محققان شروع به آزمایش آنها در موجودات زنده کرده‌اند.
وقتی صحبت از مایعات بدن که سرشار از انرژی هستند باشد، کنار زدن خون کار دشواری است. اولین EFC که توانست به صورت مستقیم از جریان خون یک ارگانیسم انرژی دریافت کند، در سال ۲۰۱۰ تولید شد. سازندگان فرانسوی‌اش آن را به مدت ۱۱ روز در بدن یک موش جاسازی کردند که ۲ میکرو وات انرژی تولید کرد، این میزان در تئوری برای روشن نگه داشتن یک دستگاه تنظیم‌‌کننده ضربان قلب کافی است.
در سال ۲۰۱۲ EFC بهبود یافته‌ای از نانو لوله‌های کربنی تولید شد که با جاسازی درون بدن موش، توانست ۴۰ میکرو وات انرژی تولید کند. تیم از این انرژی برای روشن کردن یک LED و دماسنج دیجیتالی استفاده کرد.
هنوز زمان زیادی تا امتحان کردن EFC در انسان‌ها باقی است؛ اما با توجه به موفقیتی که در امتحان آنها در حیواناتی نظیر موش، خرچنگ، خرگوش و سوسک‌ها به‌دست آمده می‌توان انتظار داشت که روزی EFC جای باتری در ایمپلنت‌های پزشکی را بگیرد. با تمام این نکات مثبت، EFC هنوز هم یک ایراد جدی دارد و آن این است که هنوز برای پیاده‌‌سازی EFC در بدن بیمار، باید برش ایجاد شود و برشی به اندازه خراش با سوزن کافی نخواهد بود.
عرق
یک راه برای دسترسی به مایعات شیمیایی جسم انسان بدون به کار گرفتن چاقوی جراحی، استفاده از منافذ بدن است. عرق در خود ماده‌ای به نام لاکتیک دارد که می‌توان از آن، برای تولید الکتریسیته به کمک EFC استفاده کرد. یکی از اولین دستگاه‌هایی که برای آزمایش این امر استفاده شد، در سال ۲۰۱۳ در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو تولید شده بود و شبیه به تتوی موقت به نظر می‌رسید. نتایج آزمایش چندان رضایت بخش نبود، اما توانست پتانسیل این تکنولوژی را نشان دهد. سال بعد گروهی از همین دانشگاه هدبندی تولید کرد که با آزمایش آن روی داوطلبی که ورزش می‌کرد، به انرژی لازم برای روشن کردن یک ساعت دیجیتالی یا LED دست پیدا کردند؛ اما مشکلی که در اینجا وجود دارد این است که بیشتر مردم در حالت عادی، چندان عرق نمی‌کنند.
اشک چشم
همانطور که می‌دانید چشم‌ها همیشه مرطوب هستند و در سطح خود لایه نازکی از رطوبت دارند. این نوع از اشک حاوی گلوکز، لاکتیک و آسکوربات (ترکیبی شبیه به ویتامین سی) است که سوخت EFC را به خوبی تامین می‌کنند. مزیت استفاده از اشک این است که از حالا دستگاه استفاده از آن را دیده‌ایم و آن چیزی نیست جز لنز چشمی. برای لنزها استفاده‌های بی‌شماری در نظر گرفته‌اند، احتمالا درباره لنز هوشمند گوگل هم چیزهایی شنیده‌اید؛ اما حالا محققان از دانشگاه یوتا اولین لنزی را تولید کرده‌اند که EFC درونی دارد و از اشک تولید الکتریسیته می‌کند. این لنز هنوز بر انسان‌ها استفاده نشده، اما با قرار دادن آن در اشک مصنوعی به مدت سه ساعت جریان یک میکرو وات که خیلی کم است را تولید می‌کرده است.
تا به امروز، سلول‌های سوختی بیولوژیکی یا EFC تکنولوژی تازه متولد شده‌ای محسوب می‌شود. عمر مفید پیشرفته‌ترین آنها هم از چند ماه تجاوز نمی‌کند. برای اینکه این سلول‌ها بتوانند جایگزین باتری‌ها بشوند، محققان باید مشکلاتی را برطرف کنند. یکی از این مشکلات که در EFC بسیار دیده می‌شود، نحوه جلوگیری از خراب شدن طبیعی آنزیم‌های دستگاه و تحلیل رفتن الکترودهای آن است. شاید مدت زمانی برای اینکه بدن ما قادر به تامین انرژی انواع گجت باشد طول بکشد، اما می‌توانیم امیدوار باشیم که آن دوره را خواهیم دید و این زمان چندان دور نخواهد بود.
هزاران سال است که اختراعات را با خودمان حمل می‌کنیم، حالا قرار است این ارتباط نزدیک‌تر هم بشود. با این اوصاف نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی شاید نه تنها نزدیک جسم ما قرار بگیرند، بلکه انرژی خود را نیزمستقیما از بدن ما تامین کنند. برای اینکه حال ما خوب بماند، روزانه باید چیزی بین ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ کالری توسط بدن سوزانده شود. این میزان برای تامین انرژی یک گوشی هوشمند که در روز به صورت متوسط استفاده می‌شود، کاملا کافی است. پس اگر می‌توانستیم ذره‌ای از آن انرژی را بیرون بکشیم، بدن ما در تئوری قادر به تامین انرژی تعداد زیادی از دستگاه‌های الکترونیکی می‌شد. از ایمپلنت‌های پزشکی گرفته تا لنزهای الکترونیکی، دیگر هیچ‌‌کدام به باتری نیاز نداشتند. به‌تازگی دانشمندان گام مهمی در استفاده از این پتانسیل الکتریکی برداشته‌اند.
پتانسیل دست نخورده
انرژی درون بدن ما در حالت‌های متفاوتی وجود دارد. بسیاری از این حالت‌ها به اندکی دستکاری احتیاج دارند تا بتوان از آنها، برای تامین انرژی یک دستگاه الکتریکی استفاده کرد. برای مثال، گوش پستانداران ولتاژ الکتریکی بسیار کوچکی دارد که به آن EP می‌گویند. این ولتاژ در حلزون گوش که حفره‌ای مارپیچ شکل در گوش میانی است، قرار گرفته است. EP با تبدیل امواج فشار به پالس‌های الکتریکی، به شنیدن کمک می‌کند. حدود یک دهم ولت و بسیار ضعیف است؛ اما برای تامین انرژی سمعک‌ها یا سایر ایمپلنت‌های شنیداری، کافی به نظر می‌رسد. تا مدت‌های طولانی به علت حساسیت زیاد گوش میانی، کسی سعی نمی‌کرد به جمع‌آوری EP بپردازد؛ اما با ترکیب قابلیت‌های جراحی و نوآوری در تکنولوژی، محققان در ماساچوست در سال ۲۰۱۲ موفق به انجام این کار شدند.
این تیم چیپ‌ستی را تولید کرده که به جمع‌آوری انرژی EP می‌پردازد. تقریبا اندازه‌ای برابر با ناخن انگشت دارد و طوری طراحی شده که انرژی الکتریکی را مستقیما از EP به‌دست بیاورد. تیم این چیپ‌ست را در گوش میانی یک خوکچه‌هندی جاسازی کرد که به تولید انرژی برای فرستنده‌ای رادیویی بپردازد. انرژی الکتریکی تولیدی، بسیار کمتر از میزانی است که برای تامین برق یک ایمپلنت کافی باشد. اگر در آینده بتوانند راهی پیدا کنند که جریان تولید شده توسط چیپ‌ست بیشتر شود، شاید بتوان انرژی موردنیاز یک سمعک را تامین کرد.
خارج از حلزون گوش، جریان آزاد الکتریکی به سختی در بدن پیدا می‌شود. بیشتر انرژی بیولوژیکی در حالت‌های دیگر محبوس شده و یک راه برای آزادسازی آنها، بازیافت‌شان است.
پا و گرما
ما برای حرکت کردن ساخته شده‌ایم. از انرژی به جز انجام کارهای اساسی درون سلول‌هایمان، برای انواع حرکت عضلات مثل ضربان قلب، نفس کشیدن و به اطراف حرکت کردن استفاده می‌شود. کسی که از ژنراتور دوچرخه استفاده کرده باشد، با مفهوم تبدیل انرژی جنبشی به الکتریسیته آشنا است؛ اما حالا چیزها اندکی پیچیده شده‌اند.
در سال‌های اخیر، دانشمندان از ویژگی خاصی از مواد استفاده کرده‌اند که منجر به تولید انرژی الکتریکی شده و با نام پیزوالکتریک شناخته می‌شود. پیزوالکتریک با استفاده از فشار مکانیکی، انرژی الکتریکی تولید می‌کند و نمونه‌ای از آن را در فندک‌ها می‌توان مشاهده کرد. هنگامی‌که آنها را می‌فشارید، صدای کلیک را می‌شنوید که از کریستال پیزوالکتریک ناشی می‌شود.
در سال ۲۰۱۳ تیم تحقیق چینی- ژاپنی پارچه‌ای کشی را با استفاده از مواد پیزوالکتریک اختراع کردند که با انرژی مکانیکی حرکت کردن انسان، الکتریسیته تولید می‌کند. اگر از این پارچه در تولید کفش استفاده شود و شخصی با آن راه برود، الکتریسیته‌ای تولیدی می‌تواند ۳۰ چراغ LED را روشن کند. با استفاده از این پارچه برای تولید تی‌شرت و پوشیدن آن، با چند ساعت حرکت می‌توان یک باتری لیتیوم یون را شارژ کرد.
حتی از این مواد در به‌دست آوردن انرژی از حرکت اندام‌های داخلی بدن مثل قلب و ریه هم استفاده می‌شود؛ اما اگر دوست ندارید پارچه‌ای دور قلب و ریه شما بسته شود یا توضیحات بالا به نظرتان به حرکت زیادی نیاز دارند، می‌توانید برای ورود پارچه‌های هوشمند به بازار صبر کنید. این پارچه‌ها به جای حرکت، از انرژی گرمایی برای تولید الکتریسیته بهره می‌برند.
در آزمایشی لباسی که با استفاده از این تکنولوژی تولید شد تنها به کمک دمای بدن، می‌توانست یک نانو وات یعنی تنها ذره‌ای از توانایی پارچه‌های پیزوالکتریک، انرژی تولید کند؛ اما مانند چیپ ست EP، این نوع از پارچه هنوز دنیایی برای پیشرفت را پیش روی خود دارد.
خون
تا به حال بزرگ‌ترین قدم برداشته‌شده به سمت به دست آوردن انرژی از خون، تولید سلول‌های مصنوعی سوخت آنزیمی یا EFC بوده است. این سلول‌ها که مثل باتری عمل می‌کنند، با شکستن مواد شیمیایی درون خون و بیشتر گلوکز به تولید الکتریسیته می‌پردازند. تکنولوژی ساخت EFC ،۱۰ سالی می‌شود که وجود داشته، اما در پنج سال گذشته محققان شروع به آزمایش آنها در موجودات زنده کرده‌اند.
وقتی صحبت از مایعات بدن که سرشار از انرژی هستند باشد، کنار زدن خون کار دشواری است. اولین EFC که توانست به صورت مستقیم از جریان خون یک ارگانیسم انرژی دریافت کند، در سال ۲۰۱۰ تولید شد. سازندگان فرانسوی‌اش آن را به مدت ۱۱ روز در بدن یک موش جاسازی کردند که ۲ میکرو وات انرژی تولید کرد، این میزان در تئوری برای روشن نگه داشتن یک دستگاه تنظیم‌‌کننده ضربان قلب کافی است.
در سال ۲۰۱۲ EFC بهبود یافته‌ای از نانو لوله‌های کربنی تولید شد که با جاسازی درون بدن موش، توانست ۴۰ میکرو وات انرژی تولید کند. تیم از این انرژی برای روشن کردن یک LED و دماسنج دیجیتالی استفاده کرد.
هنوز زمان زیادی تا امتحان کردن EFC در انسان‌ها باقی است؛ اما با توجه به موفقیتی که در امتحان آنها در حیواناتی نظیر موش، خرچنگ، خرگوش و سوسک‌ها به‌دست آمده می‌توان انتظار داشت که روزی EFC جای باتری در ایمپلنت‌های پزشکی را بگیرد. با تمام این نکات مثبت، EFC هنوز هم یک ایراد جدی دارد و آن این است که هنوز برای پیاده‌‌سازی EFC در بدن بیمار، باید برش ایجاد شود و برشی به اندازه خراش با سوزن کافی نخواهد بود.
عرق
یک راه برای دسترسی به مایعات شیمیایی جسم انسان بدون به کار گرفتن چاقوی جراحی، استفاده از منافذ بدن است. عرق در خود ماده‌ای به نام لاکتیک دارد که می‌توان از آن، برای تولید الکتریسیته به کمک EFC استفاده کرد. یکی از اولین دستگاه‌هایی که برای آزمایش این امر استفاده شد، در سال ۲۰۱۳ در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو تولید شده بود و شبیه به تتوی موقت به نظر می‌رسید. نتایج آزمایش چندان رضایت بخش نبود، اما توانست پتانسیل این تکنولوژی را نشان دهد. سال بعد گروهی از همین دانشگاه هدبندی تولید کرد که با آزمایش آن روی داوطلبی که ورزش می‌کرد، به انرژی لازم برای روشن کردن یک ساعت دیجیتالی یا LED دست پیدا کردند؛ اما مشکلی که در اینجا وجود دارد این است که بیشتر مردم در حالت عادی، چندان عرق نمی‌کنند.
اشک چشم
همانطور که می‌دانید چشم‌ها همیشه مرطوب هستند و در سطح خود لایه نازکی از رطوبت دارند. این نوع از اشک حاوی گلوکز، لاکتیک و آسکوربات (ترکیبی شبیه به ویتامین سی) است که سوخت EFC را به خوبی تامین می‌کنند. مزیت استفاده از اشک این است که از حالا دستگاه استفاده از آن را دیده‌ایم و آن چیزی نیست جز لنز چشمی. برای لنزها استفاده‌های بی‌شماری در نظر گرفته‌اند، احتمالا درباره لنز هوشمند گوگل هم چیزهایی شنیده‌اید؛ اما حالا محققان از دانشگاه یوتا اولین لنزی را تولید کرده‌اند که EFC درونی دارد و از اشک تولید الکتریسیته می‌کند. این لنز هنوز بر انسان‌ها استفاده نشده، اما با قرار دادن آن در اشک مصنوعی به مدت سه ساعت جریان یک میکرو وات که خیلی کم است را تولید می‌کرده است.
تا به امروز، سلول‌های سوختی بیولوژیکی یا EFC تکنولوژی تازه متولد شده‌ای محسوب می‌شود. عمر مفید پیشرفته‌ترین آنها هم از چند ماه تجاوز نمی‌کند. برای اینکه این سلول‌ها بتوانند جایگزین باتری‌ها بشوند، محققان باید مشکلاتی را برطرف کنند. یکی از این مشکلات که در EFC بسیار دیده می‌شود، نحوه جلوگیری از خراب شدن طبیعی آنزیم‌های دستگاه و تحلیل رفتن الکترودهای آن است. شاید مدت زمانی برای اینکه بدن ما قادر به تامین انرژی انواع گجت باشد طول بکشد، اما می‌توانیم امیدوار باشیم که آن دوره را خواهیم دید و این زمان چندان دور نخواهد بود.
ارسال نظر