诗人沃尔特·惠特曼(Walt Whitman)在其诗作《我歌唱带电的肉体》(I Sing the Body Electric)中称“身体，美丽又奇特，既会呼吸也会笑”，并深情地赞颂了“身体”的“机能与力量”。150多年后，来自麻省理工学院的材料科学家兼工程师卡南·达格维伦(Canan Dagdeviren)和她的同事们为沃尔特·惠特曼的诗赋予了新的意义——他们研发出了一款由心跳驱动的发电装置。
如今，电子产品已极其强大，一部智能手机的计算能力就已远远超过了美国国家航空航天局在1969年首次实现人类登月时所具有的总计算能力。随着时间的推移，技术实现了惊人的发展，这使得人们对可穿戴设备及植入式设备的性能产生了更高的期待。
大多数可穿戴设备及植入式设备的主要缺陷仍然在于电池，有限的电池续航限制了设备的长期使用。当病人体内的心脏起搏器的电能耗尽时，为了换电池而把病人开膛破肚显然是最糟糕的解决方案。解决这个问题的方法或许正藏在人体内，因为人体蕴含着丰富的化学能、热能与机械能。据此，科学家们研究了大量用设备收集人体内能量的方式，研究的具体细节收录在《生物医药工程2017年度报告》(2017 Annual Review of Biomedical Engineering)中。
比如，人在呼吸会做风箱般的运动，这种运动会产生0.83瓦的能量;人体放出的热量有4.8瓦之多;人的手臂在活动时产生的能量更高达60瓦。这些能量看似微不足道，但心脏起搏器只需要五千万分之一瓦的能量就能工作七年;助听器只需要千分之一瓦就可以运行五天;而一瓦的能量可以让智能手机工作五个小时。
现在，卡南·达格维伦和其他研究人员正在研发把人体本身作为能量来源的设备，他们正越来越多地在实验动物和人类身上测试这种可穿戴或植入式的设备。
将来自振动、压力和其他机械应力的能量转换成电能是获得能量的方式之一。这种方法产生的是所谓的“压电”(piezoelectricity)，常用于扬声器与麦克风中。
锆钛酸铅(lead zirconate titanate)是常用的压电材料之一，但其中含有的铅或具有过高的毒性，因此被认为不适合人类使用。卡南·达格维伦说道，“铅的结构在被加热到700摄氏度以上时才会分解，人体内绝不会有如此高温。”
为了充分利用压电，卡南·达格维伦和她的同事们开发出了可以粘附在心脏、肺和隔膜等器官或肌肉上的扁平状装置。这些装置在机械特性上与它们贴合的部位相仿，因此它们“在机械上是隐形的”，不会影响人体组织的活动。
到目前为止，这些设备已经在奶牛、绵羊和猪的身上进行过测试，因为这些动物的心脏与人的心脏大小相仿。卡南·达格维伦解释道，“当这些设备发生机械运动时，它们会产生正负电荷、电压和电流。这样一来，你就可以将这些能量收集起来，给电池充电。你可以用它们驱动心脏起搏器等生物医学设备，无需每六、七年因电池耗尽而进行更换。”
科学家们还在开发能穿在肘部、膝部等关节部位或穿进鞋子、裤子甚至内衣里的可穿戴式压电收集器。如果开发成功的话，人们在走路或弯曲臂膀时就可以为电子产品发电。
设计压电装置并不需要那些发电效果最好的材料——这似乎与人们的直觉相悖。例如，与其采用机械能-电能转化率为5%的材料，不如采用转化率为2%甚至更低效的材料。卡南·达格维伦说道，如果其转化率更高，“可能会给身体带来更多负担，你一定不会想让自己感到疲惫。”
另一种获得能量的方法是用温差电材料将人体的热能转化为电能。卡南·达格维伦指出，“你的心脏一年跳动超过4000万次，”这所有的能量都会转化成人体内的热能并消散——这一丰富的的潜在资源可以被收集起来并挪作他用。
温差发电器确实面临着一些重要的挑战。它们依赖温差的存在，但人体内的温度通常相对恒定，因此人体内任何地方的温差都不够剧烈，不足以产生大量的电力。不过，有了人体持续散发出的热能，如果该设备能暴露在相对凉爽的空气中，那么一切就不成问题。
科学家们正试图用温差电设备为腕表等可穿戴设备发电。原则上来说，人体产生的热能足以驱动无线健康监测设备、植入式人工耳蜗和用于治疗帕金森等疾病的脑深层刺激仪器(deep-brain stimulator)。
此外，科学家们还在试图用日常生活中的静电效应来为设备供电。当两种不同材料彼此反复碰撞或摩擦时，一种材料的表面会从另一种材料的表面夺取电子，积聚电荷，这被称为摩擦起电现象。包括天然材料和合成材料在内的几乎所有材料能靠摩擦起电——这是摩擦起电的一个关键优点。这为研究人员设计的各种装置提供了广泛的可能性。
《生物医药工程2017年度报告》的共同作者、佐治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology) 的纳米技术专家王中林说道，“我对摩擦起电的研究越多，它就越令我激动，且可能会有更多的应用。我认为，我会把我未来的20年都用在这方面的研究上。”
用于摩擦电设备的不同表面在摩擦起电时产生的电量有很大差异。因此，科学家们正在对各种类型和质地的表面进行实验。研究人员制作了类似微观城市街区的立方体格栅、类似竹林的纳米线场以及类似吉萨金字塔的金字塔状阵列。王中林说道，这些材料可不止“看起来很美”——金字塔状的表面比平整的表面多产生了四倍的电能。
心脏起搏器、心率监测仪及其他由呼吸、心跳驱动的植入式摩擦电设备已经在老鼠、兔子和猪的体内进行了实验。王中林说道，“我们也在观察摩擦电是否能在体内用于刺激细胞生长以及促进伤口愈合。此外，我们已经开始了用摩擦电刺激神经的实验，寻找贡献神经科学的可能。”
王中林和他的同事们还设计了摩擦电驱动的可穿戴设备。比如，他们制造了一种摩擦电布料，这种布料可为含有锂离子电池的柔性带充电。它能驱动可穿戴式心跳计，使其通过蓝牙技术将数据无线传输到智能手机上。王中林说道，“人们的日常活动产生的机械能可以通过我们的这种布料转换成电能。”
另一种获得能量的方式靠的是被称为生物燃料电池的设备，这种设备通过的酶与人体内的燃料分子(比如血液中的葡萄糖)或人体释放的燃料分子(比如汗液中分泌的乳酸盐)间的化学反应来发电。比如，从一种名为Phanerochaete sordida的真菌中提取的纤维二糖脱氢酶(cellobiose dehydrogenase)可以分解糖分并在粘附到只有数纳米(数十亿分之一米)宽的碳管上时产生电流。
酶的选择可能会是个棘手的问题。比如，已有不止一组科学家发现，葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)可在植入实验鼠体内的生物燃料电池中产生电能。但是，这种酶也会产生过氧化氢(一种常见的漂白剂)，这可能会降低设备的性能。此外，从长远来看，这对身体也有害。
一幅扫描碳纳米管的电子显微照片显示，用于实验性生物燃料电池的碳纳米管能够利用身体发电。这种管子上包有处理天然供能物质的酶，如汗液中的乳酸或血液中的葡萄糖。这些管子具有电活性(electroactive)，其表面为酶的沉积提供了广阔的空间，从而在体积不变的情况下产生出了更多的电能。
法国科学家已经研制出了一种生物燃料电池，这种电池也是用包有酶的碳纳米管制成的，体积大约只有半个茶匙那么大。植入老鼠体内后，它可以利用血糖产生足够的电能，驱动LED或电子温度计。实验还表明，编织进头饰带、腕带等服装内的生物燃料电池可以与汗液中的乳酸发生化学反应，从而轻易地发电，其产生的电能足以驱动一块手表。
据卡南·达格维伦所知，这些设备目前都还没有上市。但据她估计，这些设备上在不到10年内就会开始发售。在未来，获取能量的设备或许能更好地贴合身体。卡南·达格维伦和她的同事们甚至已经在研制可降解的同类设备。
她说道，“想象一下，把一个设备插入你的身体，在工作一段时间后，它会在你的体液中分解到分子水平。你无需开膛破肚就能将它取出：我们可以使用可生物降解的材料，比如丝绸和氧化锌，这些材料会随着时间的推移而分解。”
