未来生活进行时: 当人们在跑步时 他们能为能源贡献些什么

每天人们都在不断地制造和向外释放能量,而释放的那些能量(汗水)大部分被白白浪费,如果有什么办法能让人体产生的这些能量转化成可用的能源作用于外界呢?那将会非常理想。

强大的人工智能生命会使用人类的生物电作为能源,满足自身的电能需求。电影《黑客帝国》中密密麻麻的“人类饲养场”, 把人泡在罐子里做电池。场景让许多人记忆犹新,也许你会认为那很难想象会成真。但是,人类对于人体能量以及转化的研究由来已久。沙漏就是典型的例子,当我们将沙漏倒过来时,就已经将人体的动能转化为砂粒的势能。

编辑、作者: Vivian Peng @DamnDigital
Cover Image: Wang Qi@DamnDigital
(原创内容,转载请注明来自DamnDigital)

 

传说发明家爱迪生(Thomas Edison)曾经将自己的房门和一个水池以及屋顶的水箱连接起来,任何推门进来的人,都会向水箱里压入几加仑的水。这个传说不一定是真的,不过最少说明了人们早已将人体动能和物体势能之间的转换玩得滚瓜烂熟。而在我们现在这个能源相对匮乏的时代,研究者们开始尝试更多的人体能源转换方式。

人体——巨大的能量场

体温、生物电,还有包括心跳在内的种种运动,都需要能量。人体的新陈代谢,帮助我们了解能量在物理和生物系统上的流动,它提供了我们对于使用能量的感觉。人体通过食物摄取营养,通过酶催化作用生成碳水化合物、脂肪等人体活动所需要的能量,而在碳水化合物或脂肪里剩下的化学能会被转换成热能向外界排出,其中只有一小部份的化学能是用来做功的。

跑一段100米的距离的动能为4kJ 将一150公斤的重量抬起2米的重力势能为3kJ 一正常成年人一天食物摄取6到8MJ 这显示生命体明显低效。

正常人每天消耗的热量大约在 2000千卡( Kilocalorie)到 3500千卡之间。按照现在都市人的生活状态,大部分男性的消耗热量约在 2500千卡左右,女性则相对要少一些。

2500千卡的热量意味着可以将 25升水从冰点加热至沸腾 —相当于烧开 50瓶饮用矿泉水。可惜的是,这些能量,大约有 1/3都被浪费了。我们的皮肤无时无刻不在向外散热,将热能散失在空气中。


infographic:These Exercise Machines Turn Your Sweat into Electricity
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如果我们可以将这些能量收集起来加以利用,虽然不能立竿见影地改变现有的能源产业格局,但是对我们的生活也许不无小补。

 

人体能量的转化技术

“Green” 健身房的故事

收集能源最有优势的场所莫过于健身房了 —人们抱着消耗热量的目的在健身房挥汗如雨,把大量能量抛掷在健身器械和地心引力的拉扯当中。现在已经有研究人员和健身房合作,在一些比较容易进行能量转换的器械上安装能量收集装置,将人体的动能转换为电能储存起来。

还记得电影《黑镜》中第二集的故事吗,在那里所有学院每天只做一件事情,就是不断地使用健身自行车运动,我们尽管不知道所产生的能量除了给予健身者虚拟货币学分之外究竟用于什么,但是它也正告诉我们,运动中所产生的能量能够用于其他事物上。

美国纽约一家健身房,健身爱好者们不但能够练习肌肉力量,还能够“人体发电”,满足健身房日常照明所需。这是一种新的有价值的发明。

纽约运动俱乐部里挂着一张海报,上面写着:“让你的健身成果转化为电能!不久,你就可以在减小腰围的同时减少碳足迹。”俱乐部号召顾客“使用踏板的力量帮助创造一个更健康的地球”。

在海报下面的健身车上,20余名健身者正在挥汗如雨地锻炼,他们的努力都将转化为电。

 

“这是个好主意,很有意思,”法新社5日援引俱乐部负责人里克·梅多斯的话报道,“健身者可以自己观察,显示器会告诉你创造了多少电力,这是一个双赢的局面。”

法新社说,用健身设备发电的原理很简单:健身者踩踏踏板产生能量,令交流发电机发出12伏电,接着再经由另一个发电机生成110伏电流。这样,健身房就可以利用这些电力自给自足。

健身房里,教练使劲地鼓励正在健身的人们坚持下去。健身器械上的绿色小灯正在提示人们发电量。

“我刚才发了69瓦电,但是我得停下来,换背景音乐,”他说,“有的人能一口气发电105瓦。这种竞争气氛能激励人们,让他们做得更好,而且他们喜欢这种自己创造能量的感觉。”

健身发电系统由“绿色革命(Green Revolution)”公司出品。

“我们在2007年发明这个系统,”公司首席执行官杰伊·惠兰介绍,这一系统于2009年在加利福尼亚州投入市场。他说:“两个星期前我们在华盛顿推广,现在来到纽约。”

根据Green公司提供的信息,20个人同时使用健身器械锻炼1小时可以产生3千瓦电能。如果这些健身设备每天运转4小时,每个月就能产生300多千瓦能量,可以供一个普通家庭照明半年。

在一年时间里,健身者所发电量可供72个家庭使用1个月。惠兰说,小规模的健身房甚至可以完全依靠这个设备发电。当前,这一发电系统只适用于健身车。“绿色革命”公司下一步计划改进发电机,使它适用于包括椭圆运动机和踏步机在内的健身器材

如今这种方式在受到越来越多人的欢迎, “Green”健身房的分店也即将在美国俄勒冈开张。 然而,如果仅将健身房作为人体能源的收集场所,未免有点太少了。是不是能够将这些技术扩大适用范围呢?

 

户外健身设备的诞生——The Great Outdoor Gym

我们现在常常可以在住宅小区中看到各种户外健身设备,英国有一家名叫做The Great Outdoor Gym Company的公司在2007年把最早在中国使用的这种户外健身器械的点子引入了英国。而最近(2012年4月左右),这家公司又把另一种更为有价值的户外健身器械带到了英国城市的绿地公园等户外场所.

当你在这些健身器材上锻炼臂力,骑自行车,跑步的同时,也正在不断地贡献出能量,用于增加城市的电能,甚至可以用这些能量为iPhone充电。

来自The Great Outdoor Gym Company的创始人说道:“这不仅能够有效地将人们在运动过程中产生的能量转化成电能,更让人们体验到了一种全新的运动模式,人们一边健身,一边会觉得自己正在为城市的电力能源做出贡献。”.


TGOG公司负责人的采访,对于该产品的介绍

把以往非常单一个人化的跑步健身变成一种具有公共意义的事情,一边健身,一边还能切实地感受到自己的淋漓汗水正在转化成电力。这种感觉一定非常激励人吧!

 

跳个舞,能点亮霓虹灯

不仅是健身房开始回收能量,其他那些适合挥洒体力的地方也开始尝试这种新方式

荷兰鹿特丹的一家舞厅“WATT”就采用了他们自己的专利技术,让顾客们跳得更高兴的同时,有效回收他们所释放的能量。他们声称这样可以为舞厅减少30%的能量消耗。

简而言之,他们是在自己的舞厅中用有弹性的地板来收集人们的机械能——主要是势能,然后用地板将其转化为动能,最后再转成电能。这就像是我们在玩跷跷板一样,唯一不同的是,跷跷板的另一端不是一个人,而是一个可以将地心引力转化为电能的发电机。

 

Crowd Farm

对于大规模使用人体能源,研究者们还提出了另外的设想,其中一些也已经有了小规模的实验。 2007年,麻省理工学院的两位博士生詹姆斯 •格雷厄姆( James Graham)和萨迪厄斯 •加斯克泽克( Thaddeus Jusczyk)设计了一个叫做“人群农场”(Crowd Farm)的系统。

他们计划在人流量大的公共场合使用这套系统,将人们踩在地板上的力传递到地板下安装的垫块上,藉由触发一个装置,将势能转化为电能。这种设备在家里使用当然是得不偿失的,但是在拥有足够流量的公共场所,就可以成为一种新的能源提供方式。 对于人的动能和势能,大型的收集系统大都沿着同样的思路来进行设计。伦敦建筑设计所也在做类似“人群农场”的尝试,还有人将旋转门当作手表的发条来处理。

在这种系统中,人们推动旋转门的时候,就可以将动能转化为地下装置的弹性势能,然后用这些储存了能量的弹簧或者发条来驱动发电机。 而热能则有所不同。人体是一个热能辐射源,将这些热能收集起来,也同样大有可为。


Crowd Farm的设计人,来自MIT的两位博士生James Graham)和Thaddeus Jusczyk

 

自给自足的人体发电

神秘博士第三季中有一个集故事有这样一个场景:汽车内完全是自给自足地提供食物供给和排泄物回收转化,这种方式也许过于极端,很难让人接受,但是这一理念却获得了学术界的热烈追捧。

移动电话的发明人马丁·库珀,曾经多次谈到过他梦想的未来手机。他设想在未来的15年到20年内,能够植入体内的手机将会问世,而驱动手机的将是人体自身的能量。

我们都知道,人体内部是会发电的,机械手表只要在人体上戴着,靠着体温可以使机械表芯永远走动。心电图、脑电图都是根据人体的生物电来进行诊断的设备,而这些生物电的来源是细胞膜内外的电势差。细胞膜内外所携带的不同电荷和钾、钠离子的不均匀分布是产生生物电的基础。不幸的是,这样产生的电压实在是太小了。人们开始尝试其他的方法。

也许英国的科学家略微超前了一些。英国南开普敦大学的研究者斯蒂夫·碧比和他的团队正在试验将振动的能量转化为电能的方法。这种本来是为工业用途而设计的能源转换装置理论上也可以应用于人体,而心脏就是最好的能源提供者。斯蒂夫希望这种技术可以改良一些需要植入体内的医疗设备,例如心脏起搏器。他也提到了这种技术在其他领域内得到应用的可能:“这将会对那些小型设备的设计思路产生巨大的影响。”

鞋子可以变成充电器

新加坡国立大学和新加坡国防科技局合作进行了一项研究,打算设计出可以穿戴的发电装置。两年后,他们公布了研究成果——一双能够发电的鞋。这双鞋里安装了压电材料,每走一步,都能发电。

这种思路和一次性打火机差不多,就像我们按下开关的时候,打火机中的压电材料变形,产生电流打出蓝色的电火花一样。当然,打火机里面的压电材料,无论是面积还是发电能力,都不能和发电鞋相提并论就是了。等这种技术成熟以后,也许鞋子就可以变成充电器。

利用新材料转化能量

通过新材料来进行有效的热量收集,来给建筑物供暖或者使用温差发电机发电,是利用人体能源的一条新路。据说有些企业和建筑已经开始尝试采用这种方式来减少传统能源的消耗,毕竟现在的大型建筑物中,能够容纳的人数往往已经超过数万。我们可以相信,随着技术发展和人们对于环保的重视程度加强,收集人体能源将不会再成为新闻。

衣服可以发电

11年3月, 美国乔治亚理工学院的王中林教授和他的研究团队发明了一种可以发电的衣料。这种衣料基于纳米技术,只要有任何变形,都可以发电——这就是知名的纳米发电机。他们用这种衣料给仓鼠做了一件小马甲,当仓鼠跑起来的时候,就可以检测到电流。这种衣料采用直径数百纳米的压电纤维,将其织入衣料当中,只要运动,就会产生电流。只要能动,就能发电,这种衣料给人们带来无尽的想象空间。

把人的运动转成电能的设备还有不少,我们已经能买到其中的一些。一种叫做“水虎鱼”的电动刮胡刀,背面有一个摇柄,猛摇一分钟,可以刮70秒胡子;还有一种阅读摇椅,坐在上面摇啊摇的时候,椅背上伸出来的小阅读灯就会亮。至于安装在自行车轮轴上,给头灯尾灯供电的小型发电机,更是早就非常成熟的产品了

更大的目标——自给自足供给能源的未来城市?

 

一个实践的范本:新西兰:魔图卡外提岛(Motukawaiti)

魔图卡外提岛占地95英亩,是全世界知名的奢侈度假场所之一。岛上没有虫子,所以在这里居住非常舒服,海湾里还有野生海豚经常跳跃。如果你喜欢这些闲散的私人小岛生活的话,这个小岛是出卖的。这里有奢华的住所,现代化的设施,包括SPA,游泳等,在半山腰还有一个酒窖。而且这个小岛是完全自给自足的,可以自己发电。

 

生态的未来能源城市

在上海世博会上,我们已经看到了世界各国为缩小城市“生态足迹”所做的最新探索。

利用太阳能光伏板和热力电力转化器收集足够的电能供给建筑的日常使用,收集的热能将转化为建筑制冷的动力;雨水收集系统供应馆内非饮用水;太阳能热水板用于家庭用热水收集;食物和有机肥料发酵产生沼气能源;风帽提供被动式风助力通风和热回收;屋顶的绿化又通过光合作用将通过风帽散发的室内二氧化碳转化为氧气……通过复杂而又精细的循环系统,伦敦案例馆仿佛是一株有生命的绿色植物,吸收阳光雨露,生成氧气。

伦敦案例馆中的餐厅也尽显循环再生的理念。每天多余的有机饼干经特殊处理,可变成餐具,以减少洗涤带来的污染和浪费;厨房产生的生物垃圾将被收集到生物能炉内用于发电、发热;就连客人喝剩下的啤酒瓶、可乐罐也被收集起来,做成店内电灯、烛台等装饰。

在全球各种各样新能源技术层出不穷的今天,人体能源并不算是最有挖掘空间的黄金市场。但是这类技术让人们得以通过各种方式收集和转化人类在进化的千百万年中都曾经浪费掉的能量。随着不可再生能源的逐渐减少,人类除了求助于那些风能、太阳能等等的可再生能源之外,也许“身体力行”,从自身做起,哪怕仅仅是用自己的日常生活贡献出一丁点微不足道的电能,也未尝不是一个非常不错的新选择。

 

 

参考资料:

Green Revolution

The Greater Outdoor Gym Company

Watt : The power of dance

Partying Helps Power a Dutch Nightclub

Time Business: In the Gym: Clean Energy from Muscle Power

外滩画报: 用心跳来发电

These Exercise Machines Turn Your Sweat Into Electricity

Wikidpedia:能量

 

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