用人体作电池的世界,是一个怎样的未来?

观点 | 2022-08-06| 3

如今,为开发新能源,一些科学家正在把研究课题伸向人类自身的生物能。根据科学测算,人一生中所发出的生物能约有50%被浪费掉,而如果能对这些能量采取适当措施加以利用,对于能源领域带来的变化将是颠覆性的——这将彻底改变人们对于能源获取的方法和途径。

实际上,将开发新能源转向人类自身的生物能也是必然的。一方面,随着数据的爆发和算力的增长,人们对电力的需求也日益扩大;另一方面,微型机器人和可穿戴设备等新兴技术也迫切需要微型化的供电系统。在这样的背景下,利用人体的生物能已经成为能源领域的共识

一个高能量的世界

随着数据的爆发和算力的高速发展,一个高能量的世界正在诞生,而与算力同时提升的,还有对电力的需求,毕竟,发展算力也是件高耗能的事情。以全球最为知名的预训练大模型“GPT-3”为例,GPT-3每次训练都要消耗巨量算力,需用掉约19万度电力、产生85万吨二氧化碳,可谓“耗电怪兽”。

从计算的本质来说,计算就是把数据从无序变成有序的过程这个过程需要一定能量的输入。仅从量的方面看,根据不完全统计,2020年全球发电量中,有5%左右用于计算能力消耗,而这一数字到2030年将有可能提高到15%到25%左右,也就是说,计算产业的用电量占比将与工业等耗能大户相提并论。实际上,对于计算产业来说,电力成本也是除了芯片成本外最核心的成本。

更重要的是,即将要到来的元宇宙世界也对电力提出了极高的要求。2019年,台积电全球耗电量为143.3亿度,相当于深圳市1344万常住居民一年的用电量;2020年,中国数据中心耗电量突破2000亿度,是三峡大坝和葛洲坝电厂发电量总和(约1000亿千瓦时)的2倍。

要知道,芯片、数据中心这些耗电大户恰好都是元宇宙不可或缺的基础设施。而就芯片而言,云计算、AI、交互技术这些元宇宙中各项底层技术应用的基础硬件都是芯片,具体包括中心侧的网络芯片、高性能通用GPU、端侧的新架构芯片,以及支撑新一代显示技术、人工智能物联网(AIoT)应用的芯片,这必将导致芯片市场需求爆发。此外,随着元宇宙场景越来越多元化,需要处理的数据量越发庞大,芯片的价值会更加明显,除了单一芯片的不断进化外,融合各类芯片能力的生态体系也将会加快构建。

元宇宙对芯片产业的刺激作用,还可以从“芯片巨头们”的最新动作上可见一斑。在2022年国际消费类电子产品展览会(CES 2022)上,美国超威半导体公司(AMD)、英伟达、英特尔都针对游戏场景——元宇宙最有可能的切入口,发布了高性能处理器和显卡。

比如,英伟达发布四款最新显卡的同时,还宣布正式向个人创作者提供免费版Omniverse,该平台定位为“工程师的元宇宙”,可以帮助游戏创作者、设计师、研究人员等轻松设计虚拟游戏、搭建3D场景等。AMD推出的锐龙75800X3D处理器,可以带来15~40%的游戏性能提升,号称是“全球最快游戏处理器”。英特尔则在数十款最新游戏中,进行了竞品的对比测试,其表示自家的移动端芯片,相较市面上的AMD旗舰处理器,均表现出了更高的帧数。

在芯片之外,元宇宙的稳定运行还依赖庞大的数据运算及存储,对互联网数据中心(IDC)的需求十分强劲。亚马逊、微软、谷歌,都不约而同地宣布扩大云计算业务,就2021年第三季度业绩来看,亚马逊科技(AWS)营收同比增长39%,谷歌云(Google Cloud)营收同比增长45%,微软云(Microsoft Azure)营收同比增长50%。从各大科技巨头云计算业务的高速增长不难看出,元宇宙正在产生海量数据运算需求,并且将带动数据中心需求。

然而,根据开源证券研究所的统计结果,在一个数据中心的能耗分布中,散热系统的占比高达40%。也就是说,数据中心每耗费一度电,只有一半用在了“计算”上,其他的则浪费在了散热、照明等方面。计算和散热几乎陷入了一场零和博弈,计算量越大散热消耗的电量越大,可是如果不付出足够的能源支撑散热,又将直接影响数据中心的性能、密度和可靠性。基于此而言,解决数据中心的能耗问题,已经是摆在案前的棘手挑战

可以说,科技的发展必然将人类带向一个“高能量的世界”,而没有电力作为支撑,元宇宙也不可能被创造出来。

利用人体的生物能

在可预见的巨大电力需求面前,科学家们开始把目光转向了人类自身的生物能。事实上,人体本身的生物能是可以通过多种形式竟可以转变成电能的。

比如一个人坐着或站立时,就会带来持续重力能采用特制的重力转换器就可以转换成电能。美国桑托斯公司的超级市场,就曾在出入口处安装了旋转门,在地下室安装了一套发条式能量收集器和转换器、发电机、蓄电池等。每天数以万计的顾客进进出出,都要用手推动旋转门,还要在旋转路上停留1~3秒钟。人们发出的生物能就被能收集器收集起来了,经过转换变成了电能

再来,人每天都要动,无论是走路、工作、运动,只要动,就会有轻微的电力产生。一个人产生的能量微不足道,但是地球上70亿人即便仅仅是走路,其产生的能量也将不可估量。于是,有研发人员真的想出了利用人们走路来发电的方法:一家公交公司将发电装置埋在行人拥挤的公共场所,上面有一排踏板。当行人踏上时,体重压在踏板上,使与踏板相连的摇杆从一个方向带动中心轴旋转,从而启动发电机发电。

美国还在纽约一条繁华的马路上,铺设了20块金属板,在每块板下再放上一个储蓄循环水的橡皮容器。就利用汽车在金属板上压过时,使金属板将容器内的水高速压出,经地下管道通往路边的发电机房,推动水轮机发电。当汽车过后,橡皮容器又恢复回原状,水又返回容器内,准备再次受压。如此往复循环,就可源源不断地发电。据测量,一辆5吨重的汽车压在金属板上,就可产生7度电。

另外,还有人体生物能的“热能”也可以利用。人体每天都要散发大量的热量,并通过辐射传播出来。据实测,一般一个50公斤重的成年人一昼夜所消耗的热量约为2500千卡左右。这些热量若蓄集起来,可以将50公斤的水,从0℃加热到50℃。利用人体的热能制成温差电池,就可以将人体热能转换成电能。

这种温差电池,可以做得很精巧,放在衣服口袋里就可以工作也可以用它当电源,给助听器、袖珍电视机、袖珍收音机、微型发报机等供电,自己发电自己使用。这种“自主式”人体热供电的微型发报机只有半个火柴盒大小,输出功率为5微瓦,作用距离可达16公里。

美国新泽西州修建的电信电话公司总部大楼,利用全公司2000多名职员的体温供暖,室温可保持在18℃以上,只有当室外气温下降到-9℃以下时,才需要通暖气来取暖。

显而易见的是,随着科学技术的不断发展,人类开发利用自身的人体生物能,必将取得更大成果。

人体电池的未来

当前,科学家们已经提出了很多利用人体发电的形式,除了最常见的利用动能转化为电能的生物发电,还有更大胆的血液发电、汗液发电、尿液发电、人体运动发电甚至头发发电等。

此前,日本的研究人员就发明了一种装置,可以从血液葡萄糖中提取能量。这样,每个人就成为了“电池”。日本人发明的这种装置,提供了一种新的方法,将人类血液中的葡萄糖转变成为电能。

近日,来自马萨诸塞大学阿默斯特分校(UMass Amherst)的研究团队表示,他们设计新型可发电生物膜。根据研究人员描述,这种大约只有一张纸厚度的生物膜是由一种改造过的硫还原地杆菌(G. sulfurreducens)自然产生的。在以往的研究中,硫还原地杆菌就曾被科学家们用来发电,而且也被用在“微生物电池”中为电气设备供电,但仍然需要得到适当的照料并不断“投喂”。

而现在,经过改进后的这种新型生物膜不仅可以提供和同等大小电池一样多甚至更多的能量,而且可以持续工作,且不需要“投喂”。

具体来看,首先,硫还原地杆菌在看起来像薄垫子的菌落上生长,每一个个体都通过一系列天然纳米线与其他个体连接;其次,使用激光在薄膜上蚀刻小电路;然后,将被蚀刻上电路的薄膜放置在电极之间,并密封在柔软、粘性、透气的聚合物中;最后,收集、转化能量,为小型设备提供电力。

天热时,我们的皮肤表面充斥着汗水,而新型生物膜可以将汗水蒸发时产生的能量收集、转化,并为小型设备提供电力这将给彻底改变可穿戴电子设备行业,为个人医疗传感器、个人电子设备等提供长期、持续的电力带来希望。

毕竟,电力供应一直是可穿戴电子产品的限制因素之一。电池没电了,必须更换或充电。但它们笨重且不舒服。而这种小巧的、薄薄的、柔韧的生物膜可以像创可贴一样直接贴在皮肤上,连续不断地产生稳定的电力。

当然,人体发电也并非没有问题,目前,生物发电最大的问题就是通过人体这些发电途径能否产生用于生活生产的电量?成本和发电收益是否成比例?比如,根据健身自行车发电项目测算,按照1个成年人每小时健身自行车运动产生的功率是150瓦计算,每台健身自行车每个月约有200人使用,平均每人使用1小时,则一个月产生的电量是30千瓦时;假设每千瓦时电费是0.5元,则一个月每台健身自行车能够节约电费15元,根据健身房自行车的数量可以计算出总节约电费。但问题是,这些节约出的总电费如何用于生活生产?又是否能在满足对于成本的设计?

总的来说,不论是面对未来算力带来的巨大电力需求,还是可穿戴设备对微型化供电系统的需要,来源于人体发电都正在成为一个新的趋势。科学家正在为这种趋势而进行持续的和深入的研究,而实际上,这种“人体电池”在科幻作品中早已被人们预想过——在《黑客帝国》的世界里,人类就是能量。

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