但所有植入式電子設(shè)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(shè)備，同時植入電池是一種可能的選擇。但對于許多設(shè)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(xué)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(fēng)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(xué)計算機(jī)學(xué)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)的人機(jī)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(shè)計的“可穿戴計算機(jī)”。顯然，他的實踐讓他非常關(guān)心這類設(shè)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(shè)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(shè)計原型樣機(jī)。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(shè)備，比如頭部?我們需要的是一種通用供電設(shè)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是歐洲大的跨校微電子研究中心，它坐落于比利時，由好幾所大學(xué)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(zhuǎn)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(xué)家Thomas Seebeck報道了一個有趣的實驗結(jié)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(yīng)。Seebeck效應(yīng)走向?qū)嵱煤艽蟪潭壬弦獨w功于蘇聯(lián)科學(xué)院院士約飛，他在20世紀(jì)50年代發(fā)展了半導(dǎo)體中的相應(yīng)理論，大大提高了能量轉(zhuǎn)換效率。而所有利用溫差來發(fā)電的設(shè)備被稱為TEG(熱電發(fā)電機(jī))。它結(jié)構(gòu)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)的解決方案。
而Leonov、Vullers以及相關(guān)科學(xué)家所做的就是把TEG應(yīng)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(shè)備供電。但是把TEG應(yīng)用于人體的挑戰(zhàn)在于，所有TEG的熱電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率幾乎不可能超過5％，這就要求對人體的熱流進(jìn)行仔細(xì)分析，并對TEG和人體的熱匹配進(jìn)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(shè)計優(yōu)良的植入設(shè)備或可穿戴設(shè)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(shè)備供電綽綽有余。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(shè)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(jī)械能轉(zhuǎn)換成另一種機(jī)械能，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以制造把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的微型供電裝置?；驹O(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電能。實現(xiàn)換能器的原理通常有三種：種是電磁感應(yīng)，其原理和大型發(fā)電機(jī)非常相似，一個導(dǎo)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(yīng)，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(yīng)，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(zhì)量和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(xué)的Roundy等人對上述3種轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明，在IHz的外部運動下(相當(dāng)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(shè)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(shè)想并進(jìn)行了深入研究，主要目的是幫助癱瘓病人恢復(fù)他們的身體機(jī)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(shè)備持續(xù)提供的輕度電刺激可以幫助他們恢復(fù)肌肉運動。Lewandowski等人注意到，該電刺激所需的能量遠(yuǎn)小于肌肉運動本身產(chǎn)生的機(jī)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(zhuǎn)換為電能，直接為植入的電刺激設(shè)備供電。病人開始的時候在醫(yī)護(hù)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(luò)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(qū)動許多植入設(shè)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(wù)的技術(shù)，自然也能為健康人服務(wù)。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(yù)防，我們能避免許多疾病，這正是BAN(Body Area Network)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)之一。這是一種由覆蓋人體的傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備還要低，更適合由人體來供電。實際上科學(xué)家們已經(jīng)走得更遠(yuǎn)，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(lǐng)域來說，從人體獲取電能的研究歸屬于能量采集技術(shù)，目標(biāo)是要設(shè)計出獨立的電子設(shè)備，這種設(shè)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(shè)備必將集成多種技術(shù)，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(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的組成單元，當(dāng)然那是另一個故事了。
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