詩人沃爾特·惠特曼（Walt Whitman）在其詩作《我歌唱帶電的肉體》（I Sing the Body Electric）中稱“身體，美麗又奇特，既會呼吸也會笑”，並深情地讚頌了“身體”的“機能與力量”。150多年後，來自麻省理工學院的材料科學家兼工程師卡南·達格維倫（Canan Dagdeviren）和她的同事們為沃爾特·惠特曼的詩賦予了新的意義——他們研發出了一款由心跳驅動的發電裝置。
如今，電子產品已極其強大，一部智能手機的計算能力就已遠遠超過了美國國家航空航天局在1969年首次實現人類登月時所具有的總計算能力。隨著時間的推移，技術實現了驚人的發展，這使得人們對可穿戴設備及植入式設備的性能產生了更高的期待。
大多數可穿戴設備及植入式設備的主要缺陷仍然在於電池，有限的電池續航限制了設備的長期使用。當病人體內的心臟起搏器的電能耗盡時，為了換電池而把病人開膛破肚顯然是最糟糕的解決方案。解決這個問題的方法或許正藏在人體內，因為人體蘊含著豐富的化學能、熱能與機械能。據此，科學家們研究了大量用設備收集人體內能量的方式，研究的具體細節收錄在《生物醫藥工程2017年度報告》（2017 Annual Review of Biomedical Engineering）中。
比如，人在呼吸會做風箱般的運動，這種運動會產生0.83瓦的能量；人體放出的熱量有4.8瓦之多；人的手臂在活動時產生的能量更高達60瓦。這些能量看似微不足道，但心臟起搏器只需要五千萬分之一瓦的能量就能工作七年；助聽器只需要千分之一瓦就可以運行五天；而一瓦的能量可以讓智能手機工作五個小時。
現在，卡南·達格維倫和其他研究人員正在研發把人體本身作為能量來源的設備，他們正越來越多地在實驗動物和人類身上測試這種可穿戴或植入式的設備。
將來自振動、壓力和其他機械應力的能量轉換成電能是獲得能量的方式之一。這種方法產生的是所謂的“壓電”（piezoelectricity），常用於揚聲器與麥克風中。
鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate）是常用的壓電材料之一，但其中含有的鉛或具有過高的毒性，因此被認為不適合人類使用。卡南·達格維倫說道，“鉛的結構在被加熱到700攝氏度以上時才會分解，人體內絕不會有如此高溫。”
為了充分利用壓電，卡南·達格維倫和她的同事們開發出了可以粘附在心臟、肺和隔膜等器官或肌肉上的扁平狀裝置。這些裝置在機械特性上與它們貼合的部位相仿，因此它們“在機械上是隱形的”，不會影響人體組織的活動。
到目前為止，這些設備已經在奶牛、綿羊和豬的身上進行過測試，因為這些動物的心臟與人的心臟大小相仿。卡南·達格維倫解釋道，“當這些設備發生機械運動時，它們會產生正負電荷、電壓和電流。這樣一來，你就可以將這些能量收集起來，給電池充電。你可以用它們驅動心臟起搏器等生物醫學設備，無需每六、七年因電池耗盡而進行更換。”
科學家們還在開發能穿在肘部、膝部等關節部位或穿進鞋子、褲子甚至內衣裡的可穿戴式壓電收集器。如果開發成功的話，人們在走路或彎曲臂膀時就可以為電子產品發電。
設計壓電裝置並不需要那些發電效果最好的材料——這似乎與人們的直覺相悖。例如，與其採用機械能-電能轉化率為5%的材料，不如採用轉化率為2%甚至更低效的材料。卡南·達格維倫說道，如果其轉化率更高，“可能會給身體帶來更多負擔，你一定不會想讓自己感到疲憊。”
另一種獲得能量的方法是用溫差電材料將人體的熱能轉化為電能。卡南·達格維倫指出，“你的心臟一年跳動超過4000萬次，”這所有的能量都會轉化成人體內的熱能並消散——這一豐富的的潛在資源可以被收集起來並挪作他用。
溫差發電器確實面臨著一些重要的挑戰。它們依賴溫差的存在，但人體內的溫度通常相對恆定，因此人體內任何地方的溫差都不夠劇烈，不足以產生大量的電力。不過，有了人體持續散發出的熱能，如果該設備能暴露在相對涼爽的空氣中，那麼一切就不成問題。
此外，科學家們還在試圖用日常生活中的靜電效應來為設備供電。當兩種不同材料彼此反覆碰撞或摩擦時，一種材料的表面會從另一種材料的表面奪取電子，積聚電荷，這被稱為摩擦起電現象。包括天然材料和合成材料在內的幾乎所有材料能靠摩擦起電——這是摩擦起電的一個關鍵優點。這為研究人員設計的各種裝置提供了廣泛的可能性。
《生物醫藥工程2017年度報告》的共同作者、佐治亞理工學院 (Georgia Institute of Technology) 的納米技術專家王中林說道，“我對摩擦起電的研究越多，它就越令我激動，且可能會有更多的應用。我認為，我會把我未來的20年都用在這方面的研究上。”
用於摩擦電設備的不同表面在摩擦起電時產生的電量有很大差異。因此，科學家們正在對各種類型和質地的表面進行實驗。研究人員製作了類似微觀城市街區的立方體格柵、類似竹林的納米線場以及類似吉薩金字塔的金字塔狀陣列。王中林說道，這些材料可不止“看起來很美”——金字塔狀的表面比平整的表面多產生了四倍的電能。
心臟起搏器、心率監測儀及其他由呼吸、心跳驅動的植入式摩擦電設備已經在老鼠、兔子和豬的體內進行了實驗。王中林說道，“我們也在觀察摩擦電是否能在體內用於刺激細胞生長以及促進傷口癒合。此外，我們已經開始了用摩擦電刺激神經的實驗，尋找貢獻神經科學的可能。”
王中林和他的同事們還設計了摩擦電驅動的可穿戴設備。比如，他們製造了一種摩擦電布料，這種布料可為含有鋰離子電池的柔性帶充電。它能驅動可穿戴式心跳計，使其通過藍牙技術將數據無線傳輸到智能手機上。王中林說道，“人們的日常活動產生的機械能可以通過我們的這種布料轉換成電能。”
另一種獲得能量的方式靠的是被稱為生物燃料電池的設備，這種設備通過的酶與人體內的燃料分子(比如血液中的葡萄糖)或人體釋放的燃料分子(比如汗液中分泌的乳酸鹽)間的化學反應來發電。比如，從一種名為Phanerochaete sordida的真菌中提取的纖維二糖脫氫酶（cellobiose dehydrogenase）可以分解糖分並在粘附到只有數納米(數十億分之一米)寬的碳管上時產生電流。
酶的選擇可能會是個棘手的問題。比如，已有不止一組科學家發現，葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）可在植入實驗鼠體內的生物燃料電池中產生電能。但是，這種酶也會產生過氧化氫（一種常見的漂白劑），這可能會降低設備的性能。此外，從長遠來看，這對身體也有害。
一幅掃描碳納米管的電子顯微照片顯示，用於實驗性生物燃料電池的碳納米管能夠利用身體發電。這種管子上包有處理天然供能物質的酶，如汗液中的乳酸或血液中的葡萄糖。這些管子具有電活性（electroactive），其表面為酶的沉積提供了廣闊的空間，從而在體積不變的情況下產生出了更多的電能。
法國科學家已經研製出了一種生物燃料電池，這種電池也是用包有酶的碳納米管制成的，體積大約只有半個茶匙那麼大。植入老鼠體內後，它可以利用血糖產生足夠的電能，驅動LED或電子溫度計。實驗還表明，編織進頭飾帶、腕帶等服裝內的生物燃料電池可以與汗液中的乳酸發生化學反應，從而輕易地發電，其產生的電能足以驅動一塊手錶。
據卡南·達格維倫所知，這些設備目前都還沒有上市。但據她估計，這些設備上在不到10年內就會開始發售。在未來，獲取能量的設備或許能更好地貼合身體。卡南·達格維倫和她的同事們甚至已經在研製可降解的同類設備。
她說道，“想象一下，把一個設備插入你的身體，在工作一段時間後，它會在你的體液中分解到分子水平。你無需開膛破肚就能將它取出：我們可以使用可生物降解的材料，比如絲綢和氧化鋅，這些材料會隨著時間的推移而分解。”
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