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随着电子技术的进步，植入式医疗设备正在帮助不幸的人们回归正常生活。其中的成功范例包括人工耳蜗、埋藏式心脏复律除颤器，对于全聋患者或恶性室性心律失常患者，它们是最有效甚至是惟一的治疗手段。科学家们正在把成功的疆界推向更远，例如研制神经假体，帮助神经系统受损的患者恢复对肌体的控制。
但所有植入式电子设备都面临一个问题——如何供电?对于一些允许在较大区域植入的设备，同时植入电池是一种可能的选择。但对于许多设备而言，植入区域的大小很有限。比如视觉假体已被初步证明能让盲人重见光明，但如何在眼球或面部范围内植入电池呢?毕竟电池越小使用时间越短。密歇根大学的Aibano小组已经于2007年示范了一个植入式眼压计，这个约0.25mm3的小东西功耗低得令人难以置信，只有4.2uw(点亮一台22寸液晶显示器上1个像素的功率，就可以让5000个这样的装置正常工作)，但如此鬼斧神工，内置电池也仅能维持57小时，而更换电池则会带来不尽的麻烦、痛苦甚至是风险。
向自身要能量
有没有其他解决方案?
美国佐治亚理工大学计算机学院的教授Thad Starne是研究“穿戴式计算”的先锋之一，他坚信未来的信息社会必将实现永久的人机交互。他是如此的执着和超前，自1993年起就坚持穿着一套自己设计的“可穿戴计算机”。显然，他的实践让他非常关心这类设备的能源问题。经过评估，他于1996年发表了一篇综述，指出利用人体自身产生的能量为电子设备供电是可能的。
人体每时每刻都在释放能量，即便是静坐或睡眠，你的输出功率也将近百瓦。经过大自然百万年的精心雕琢，这些能量高效地维持着人体的新陈代谢和各项活动，它们中的大部分并不能挪作他用。虽说如此，Starner告诉我们，仍有余量可挖；比如人的体热大约有3～5W可以利用，人体的运动大约有几十W的富余，他甚至指出可以从呼吸或血压中获取约1w的能量。
这是个不错的主意，Starner在文章末尾大声呼吁尽快设计原型样机。但随后的研究表明，困难大量存在。试图从呼吸和血压中获取能量是危险的，这可能破坏人体的代谢平衡。直接从运动中获取能量也有问题，比如如何能在不妨碍躯体动作的前提下获取这些能量?如何能把手臂和腿部的能量传递给身体其它区域的电子设备，比如头部?我们需要的是一种通用供电设备，它们毫不起眼，可以放在身体的任何地方。
利用体热或从躯体运动引起的振动中获取能量是可行的方案，这也是现在的研究焦点。
向人体热量要电能
IMEC是欧洲最大的跨校微电子研究中心，它坐落于比利时，由好几所大学的研究人员联合组成。2006年，IMEC的vladimir Leonov和Ruud VullersN示了体热供电的血氧饱和度传感器；2008年，他们展示了体热和光伏混合供电的无线脑电波检测器。
人体热量如何转换为电能?这个原理还得从1821年的一个发现说起。这一年，德国科学家Thomas Seebeck报道了一个有趣的实验结果，他发现如果把两种不同的金属连成一个闭合回路，并给其中一个接头加热，回路中就会出现电流。这种温差生电的现象被称为Seebeck效应。Seebeck效应走向实用很大程度上要归功于苏联科学院院士约飞，他在20世纪50年代发展了半导体中的相应理论，大大提高了能量转换效率。而所有利用温差来发电的设备被称为TEG(热电发电机)。它结构简单、无运动部件、无噪声、坚固耐用，目前，利用放射性同位素供热的TEG是深空探测器供电系统的惟一解决方案。
而Leonov、Vullers以及相关科学家所做的就是把TEG应用到人体上。人作为恒温动物可以维持37℃的体温，如果在人体和具有温差环境之间插入一个TEG，它就能为附近的电子设备供电。但是把TEG应用于人体的挑战在于，所有TEG的热电转换效率都不可能超过温差和热源温度的比值，所以温差越大，转换效率越高。但在一般环境中(尤其是室内)，人体和环境的温差不会很大，因此用于人体的TEG转换效率几乎不可能超过5％，这就要求对人体的热流进行仔细分析，并对TEG和人体的热匹配进行特殊优化。目前我们能够人从体热获取的电功率水平为20u W／cm。
这个值看起来微不足道，具体来说即使把你全身铺满200个现有的TEG，也只能点亮一个5W的灯泡。然而对于设计优良的植入设备或可穿戴设备，这个功率水平却完全够用。比如之前提到的植入式眼压计，功耗仅42nW，1uw的电能为200个这样的设备供电绰绰有余。心脏起搏器的功耗在100uw的水平，虽然大一些，但它所处的位置也具备更大的面积。
另一个方法：从振动要电
早在电子时代之前，人们就发明了从人体运动中获取能量以持续工作的装置。大约是在1770年，瑞士钟表匠Abraham—Louis Perrelef设计了一只怀表，只要把它带在身边，主人的各种自然运动就足以为它上紧发条。很明显，它在提醒人们牢记一条深刻的哲理一生命在于运动。
Perrelet的怀表是把机械能转换成另一种机械能，现在我们已经可以制造把机械能转换为电能的微型供电装置。基本设想是在系统内放置一个弹簧悬挂的重物，这样做的目的，是使任意外部运动(系统被移动)都可以转换为内部重物的振动，然后通过一个与重物连接的换能器，把这种振动转换为电能。实现换能器的原理通常有三种：第一种是电磁感应，其原理和大型发电机非常相似，一个导体在重物的牵引下切割磁场产生电流；第二种是静电效应，重物迫使两个带电极板发生相对运动，引起电压的变化；第三种是压电效应，重物的振动会挤压或拉伸一块压电材料，压电材料在压力作用下产生内建电场维持环路电流。
利用振动获取电能要考虑的一个因素是频率匹配。人体运动要想充分激励为内部重物的振动，就必须实现振动频率匹配。这里的难点在于人体运动的频率变化范围很大，做充分的共振频率匹配并不容易。另外虽然重物的质量和最终得到的电能成正比，但考虑到装置小型化和便携式的要求，重物并不能太大。2003年，加利福尼亚大学的Roundy等人对上述3种转换原理进行了理论分析。结果表明，在IHz的外部运动下(相当于人体正常步行频率)，它们的极限产能分别是4mW／cm3、4mW／cm3和18mW／cm3。和体热供电类似，现有的原型设备产能基本上都在几十u W／cm3的水平上，还有许多潜力可以发掘。
上述的装置都需要一个内置重物，这个重物会占用不小的空间。2007年，Lewandowski等人在NASA(美国国际航空航天局)的支持下提出一个新的设想并进行了深入研究，主要目的是帮助瘫痪病人恢复他们的身体机能。一般来说，许多瘫痪病人肌肉组织的收缩能力完好无损，主要是刺激神经受损，通过植入设备持续提供的轻度电刺激可以帮助他们恢复肌肉运动。Lewandowski等人注意到，该电刺激所需的能量远小于肌肉运动本身产生的机械能，因此他们的想法就是在肌肉附近植入一组压电材料，肌肉收缩的小部分能量将被压电材料转换为电能，直接为植入的电刺激设备供电。病人开始的时候在医护人员的帮助下活动肢体，激活供电装置，随后就可以独立活动了。
未来的BAN网络和能量采集
对于厘米尺寸级别的器件，目前能够获得的电能在几十uw级，而理论极限在mw级，这足以驱动许多植入设备，免除患者更换电池所带来的不便了。
能为身有疾患的人服务的技术，自然也能为健康人服务。一般来说，如果我们能实时监测自己的身体状态，提前预防，我们能避免许多疾病，这正是BAN(Body Area Network)网络的设计目标之一。这是一种由覆盖人体的传感器组成的网络，它能让你实时了解自己的一切。BAN中传感节点的功耗比植入设备还要低，更适合由人体来供电。实际上科学家们已经走得更远，他们希望个体间的BAN甚至能够互动，这将使个人真正变成“电子人”，以肉身融入Internet。
从更大的领域来说，从人体获取电能的研究归属于能量采集技术，目标是要设计出独立的电子设备，这种设备能够自动从环境中获取电能，无需人工照料。因为环境是多变的，独立的电子设备必将集成多种技术，能够从广泛的渠道获取能量，包括光照、射频电磁波、温差、振动、气流、波浪……它们将是无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)的组成单元，当然那是另一个故事了。
但所有植入式电子设备都面临一个问题——如何供电?对于一些允许在较大区域植入的设备，同时植入电池是一种可能的选择。但对于许多设备而言，植入区域的大小很有限。比如视觉假体已被初步证明能让盲人重见光明，但如何在眼球或面部范围内植入电池呢?毕竟电池越小使用时间越短。密歇根大学的Aibano小组已经于2007年示范了一个植入式眼压计，这个约0.25mm3的小东西功耗低得令人难以置信，只有4.2uw(点亮一台22寸液晶显示器上1个像素的功率，就可以让5000个这样的装置正常工作)，但如此鬼斧神工，内置电池也仅能维持57小时，而更换电池则会带来不尽的麻烦、痛苦甚至是风险。
向自身要能量
有没有其他解决方案?
美国佐治亚理工大学计算机学院的教授Thad Starne是研究“穿戴式计算”的先锋之一，他坚信未来的信息社会必将实现永久的人机交互。他是如此的执着和超前，自1993年起就坚持穿着一套自己设计的“可穿戴计算机”。显然，他的实践让他非常关心这类设备的能源问题。经过评估，他于1996年发表了一篇综述，指出利用人体自身产生的能量为电子设备供电是可能的。
人体每时每刻都在释放能量，即便是静坐或睡眠，你的输出功率也将近百瓦。经过大自然百万年的精心雕琢，这些能量高效地维持着人体的新陈代谢和各项活动，它们中的大部分并不能挪作他用。虽说如此，Starner告诉我们，仍有余量可挖；比如人的体热大约有3～5W可以利用，人体的运动大约有几十W的富余，他甚至指出可以从呼吸或血压中获取约1w的能量。
这是个不错的主意，Starner在文章末尾大声呼吁尽快设计原型样机。但随后的研究表明，困难大量存在。试图从呼吸和血压中获取能量是危险的，这可能破坏人体的代谢平衡。直接从运动中获取能量也有问题，比如如何能在不妨碍躯体动作的前提下获取这些能量?如何能把手臂和腿部的能量传递给身体其它区域的电子设备，比如头部?我们需要的是一种通用供电设备，它们毫不起眼，可以放在身体的任何地方。
利用体热或从躯体运动引起的振动中获取能量是可行的方案，这也是现在的研究焦点。
向人体热量要电能
IMEC是欧洲最大的跨校微电子研究中心，它坐落于比利时，由好几所大学的研究人员联合组成。2006年，IMEC的vladimir Leonov和Ruud VullersN示了体热供电的血氧饱和度传感器；2008年，他们展示了体热和光伏混合供电的无线脑电波检测器。
人体热量如何转换为电能?这个原理还得从1821年的一个发现说起。这一年，德国科学家Thomas Seebeck报道了一个有趣的实验结果，他发现如果把两种不同的金属连成一个闭合回路，并给其中一个接头加热，回路中就会出现电流。这种温差生电的现象被称为Seebeck效应。Seebeck效应走向实用很大程度上要归功于苏联科学院院士约飞，他在20世纪50年代发展了半导体中的相应理论，大大提高了能量转换效率。而所有利用温差来发电的设备被称为TEG(热电发电机)。它结构简单、无运动部件、无噪声、坚固耐用，目前，利用放射性同位素供热的TEG是深空探测器供电系统的惟一解决方案。
而Leonov、Vullers以及相关科学家所做的就是把TEG应用到人体上。人作为恒温动物可以维持37℃的体温，如果在人体和具有温差环境之间插入一个TEG，它就能为附近的电子设备供电。但是把TEG应用于人体的挑战在于，所有TEG的热电转换效率都不可能超过温差和热源温度的比值，所以温差越大，转换效率越高。但在一般环境中(尤其是室内)，人体和环境的温差不会很大，因此用于人体的TEG转换效率几乎不可能超过5％，这就要求对人体的热流进行仔细分析，并对TEG和人体的热匹配进行特殊优化。目前我们能够人从体热获取的电功率水平为20u W／cm。
这个值看起来微不足道，具体来说即使把你全身铺满200个现有的TEG，也只能点亮一个5W的灯泡。然而对于设计优良的植入设备或可穿戴设备，这个功率水平却完全够用。比如之前提到的植入式眼压计，功耗仅42nW，1uw的电能为200个这样的设备供电绰绰有余。心脏起搏器的功耗在100uw的水平，虽然大一些，但它所处的位置也具备更大的面积。
另一个方法：从振动要电
早在电子时代之前，人们就发明了从人体运动中获取能量以持续工作的装置。大约是在1770年，瑞士钟表匠Abraham—Louis Perrelef设计了一只怀表，只要把它带在身边，主人的各种自然运动就足以为它上紧发条。很明显，它在提醒人们牢记一条深刻的哲理一生命在于运动。
Perrelet的怀表是把机械能转换成另一种机械能，现在我们已经可以制造把机械能转换为电能的微型供电装置。基本设想是在系统内放置一个弹簧悬挂的重物，这样做的目的，是使任意外部运动(系统被移动)都可以转换为内部重物的振动，然后通过一个与重物连接的换能器，把这种振动转换为电能。实现换能器的原理通常有三种：第一种是电磁感应，其原理和大型发电机非常相似，一个导体在重物的牵引下切割磁场产生电流；第二种是静电效应，重物迫使两个带电极板发生相对运动，引起电压的变化；第三种是压电效应，重物的振动会挤压或拉伸一块压电材料，压电材料在压力作用下产生内建电场维持环路电流。
利用振动获取电能要考虑的一个因素是频率匹配。人体运动要想充分激励为内部重物的振动，就必须实现振动频率匹配。这里的难点在于人体运动的频率变化范围很大，做充分的共振频率匹配并不容易。另外虽然重物的质量和最终得到的电能成正比，但考虑到装置小型化和便携式的要求，重物并不能太大。2003年，加利福尼亚大学的Roundy等人对上述3种转换原理进行了理论分析。结果表明，在IHz的外部运动下(相当于人体正常步行频率)，它们的极限产能分别是4mW／cm3、4mW／cm3和18mW／cm3。和体热供电类似，现有的原型设备产能基本上都在几十u W／cm3的水平上，还有许多潜力可以发掘。
上述的装置都需要一个内置重物，这个重物会占用不小的空间。2007年，Lewandowski等人在NASA(美国国际航空航天局)的支持下提出一个新的设想并进行了深入研究，主要目的是帮助瘫痪病人恢复他们的身体机能。一般来说，许多瘫痪病人肌肉组织的收缩能力完好无损，主要是刺激神经受损，通过植入设备持续提供的轻度电刺激可以帮助他们恢复肌肉运动。Lewandowski等人注意到，该电刺激所需的能量远小于肌肉运动本身产生的机械能，因此他们的想法就是在肌肉附近植入一组压电材料，肌肉收缩的小部分能量将被压电材料转换为电能，直接为植入的电刺激设备供电。病人开始的时候在医护人员的帮助下活动肢体，激活供电装置，随后就可以独立活动了。
未来的BAN网络和能量采集
对于厘米尺寸级别的器件，目前能够获得的电能在几十uw级，而理论极限在mw级，这足以驱动许多植入设备，免除患者更换电池所带来的不便了。
能为身有疾患的人服务的技术，自然也能为健康人服务。一般来说，如果我们能实时监测自己的身体状态，提前预防，我们能避免许多疾病，这正是BAN(Body Area Network)网络的设计目标之一。这是一种由覆盖人体的传感器组成的网络，它能让你实时了解自己的一切。BAN中传感节点的功耗比植入设备还要低，更适合由人体来供电。实际上科学家们已经走得更远，他们希望个体间的BAN甚至能够互动，这将使个人真正变成“电子人”，以肉身融入Internet。
从更大的领域来说，从人体获取电能的研究归属于能量采集技术，目标是要设计出独立的电子设备，这种设备能够自动从环境中获取电能，无需人工照料。因为环境是多变的，独立的电子设备必将集成多种技术，能够从广泛的渠道获取能量，包括光照、射频电磁波、温差、振动、气流、波浪……它们将是无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)的组成单元，当然那是另一个故事了。