人体热量供电的医疗设备创新：可穿戴技术的未来

人体热量供电的医疗设备创新：可穿戴技术的未来

2024年，卡内基梅隆大学的研究人员展示了一种新型医疗设备，利用人体热量供电，解决了可穿戴设备的电池续航问题。这一设备结合了脉搏血氧传感器和热电能量发生器，显著提高了功率密度。文章还提到热电发电机（TEGs）在植入式设备中的潜力，尽管面临生物相容性等挑战，但其开发前景广阔。此外，3D打印技术的应用也为医疗设备的灵活性和个性化提供了新的可能。研究者们在推动可穿戴医疗设备全球标准化方面取得了进展，促进了设备性能的评估和认证。总体而言，文章展望了未来医疗设备的智能化和便携化，期待更多创新成果能够提升人们的健康管理。根据文章长度，预计阅读时间为约4分钟。

人体热量供电的医疗设备创新

2024年7月31日，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的机械工程系研究人员首次展示了一种仅靠人体热量供电的医疗设备，这一突破性成果不仅为可穿戴健康设备的电池续航问题提供了新的解决方案，也为未来的医疗技术发展指明了方向。该设备结合了脉搏血氧传感器和灵活、可伸缩的热电能量发生器，后者由液态金属、半导体和3D打印橡胶组成，标志着无电池可穿戴电子设备的崭新起点。

这一创新的核心在于其高机械性能和热电性能的结合，材料整合无缝，显著提高了功率密度，约为过去研究的40倍或4000%。研究团队的成员梅森·扎丹（Mason Zadan）表示，这一成果的实现不仅是技术上的突破，更是对可穿戴医疗设备未来发展的重要推动。设备在测试中被佩戴在参与者的胸部和手腕上，结果显示在运动状态下，设备的电压输出更高，尤其是在手腕上佩戴时，因运动产生的温差使得设备的发电效率大幅提升。这一发现不仅为可穿戴设备的设计提供了新的思路，也为医疗设备的便携性和实用性奠定了基础。

随着科技的不断进步，人体热量供电的医疗设备将对可穿戴技术产生深远的影响。根据Discover Magazine的报道，研究人员正在探索如何利用人体能量为植入式设备供电，以改善和拯救生命。人类每天消耗的能量相当于约700节AA电池，但身体的机械效率仅为15%至30%，大部分能量以热量形式释放。当前，许多植入设备如心脏起搏器、植入式除颤器等主要依赖锂离子电池，这些电池在耗尽后需要手术更换，存在感染和泄漏的风险。因此，开发能够从人体中收集能量的植入式发电机，成为全球研究者的共同目标。

在这一背景下，热电发电机（TEGs）作为一种新兴技术，逐渐受到关注。TEGs通过将热源的温差转化为电能，能够为植入设备提供持续的电力。然而，开发植入式TEGs面临诸多挑战，包括生物相容性、密封性、微型化和可制造性等。生物相容性是TEGs在医疗应用中最重要的考虑因素之一。材料的选择必须确保与人体组织的相容性，以避免引发免疫反应或其他不良反应。钛虽然提供良好的密封性，但其高热导率会降低TEG的效率。此外，研究者们还需考虑材料在体内长期使用时的稳定性和耐久性，以确保设备的安全性和有效性。

此外，研究者们还在探索如何利用心脏的能量。2018年，达特茅斯学院的研究团队开发了一种原型发电机，利用心脏的跳动产生电力，显示出为起搏器供电的潜力。该研究的具体成果于2018年6月发布，展示了该发电机在心脏跳动时能够有效转化机械能为电能的能力。2011年，瑞士伯尔尼应用科技大学的研究者们设计了一种微型涡轮，能够在动脉内发电，初步试验显示其发电能力远超起搏器的需求。中国天津科技大学的研究团队则成功测试了一种植入式自充电电池，利用钠基合金和体内液体中的氧气作为电极，显示出良好的稳定性和生物相容性。

尽管人体能量的收集仍处于早期阶段，但随着新材料和设计的不断发展，植入式发电机的效率和生物相容性有望得到显著提升。Yongchen Rao表示，这些发电机在物联网（IoT）和老龄化社会对持久植入式医疗设备需求增加的背景下，具有重要潜力。未来，这些发电机不仅可以为医疗设备供电，还可能为各种传感器和生物黑客增强装置提供能量。

在这一创新的背后，3D打印技术的应用也不可忽视。新加坡南洋理工大学（NTU）于2024年7月29日发布了一项创新成果，研究人员开发了一种名为RoboFabric的3D打印“主动”面料，旨在为灵活的定制肢体支撑提供解决方案。这种面料能够根据需要进行刚度调节，特别适用于医疗设备和柔性机器人。RoboFabric的设计灵感来源于穿山甲和章鱼等自然结构，采用数学算法创建互锁的瓷砖，这些瓷砖通过金属纤维连接。当金属纤维收缩时，瓷砖互锁，从而使RoboFabric的刚度提高超过350倍。

这一技术的应用前景广阔，未来患者将能够使用可定制的灵活肢体支撑，而不是传统的刚性石膏，这些设备可以通过按钮轻松穿戴或拆卸，为老年人提供更好的支持，减少日常生活中搬运重物所需的肌肉努力。来自丹戎巴葛医院的副教授罗永珠强调了这一技术在医学上的潜在应用，指出它可以为关节损伤提供重要支持，并帮助运动障碍患者，如帕金森病患者或上肢无力者。

在可穿戴医疗设备的研究中，合作研究的力量也不容忽视。2024年5月21日，电子与电信研究院（ETRI）在可穿戴医疗设备的全球标准化方面取得了显著进展。ETRI的研究人员成功发布了两项国际标准，旨在评估可穿戴设备的测量准确性，特别关注健康和保健功能，如步数计数和心率监测。这些标准得到了国际电工委员会的认可，提供了确保基本身体活动测量可靠性和精确性的标准化测试方法，填补了行业内长期存在的空白。

ETRI的这一举措标志着可穿戴医疗技术发展的重要时刻，促进了评估此类设备性能的全球共同标准的建立。通过与国内主要企业的合作，ETRI不仅制定了这些标准，还为未来可穿戴医疗的进步铺平了道路，包括睡眠监测和睡眠障碍诊断等应用。通过建立标准化测试和认证的框架，ETRI旨在促进可穿戴行业的发展，同时刺激测试、评估和认证服务相关市场的增长。

总的来说，卡内基梅隆大学的这一创新成果不仅为可穿戴医疗设备的未来发展提供了新的思路，也为全球医疗技术的进步注入了新的活力。随着人体热量供电技术的不断成熟，结合3D打印技术和国际合作研究的力量，未来的医疗设备将更加智能化、便携化，为人们的健康管理提供更为有效的解决方案。我们期待着这一领域的进一步发展，期待着更多的创新成果能够惠及每一个人。