文|觀察未來科技
如今，為開發(fā)新能源，一些科學(xué)家正在把研究課題伸向人類自身的生物能。根據(jù)科學(xué)測算，人一生中所發(fā)出的生物能約有50%被浪費(fèi)掉，而如果能對這些能量采取適當(dāng)措施加以利用，對于能源領(lǐng)域帶來的變化將是顛覆性的——這將徹底改變?nèi)藗儗τ谀茉传@取的方法和途徑。
實(shí)際上，將開發(fā)新能源轉(zhuǎn)向人類自身的生物能也是必然的。一方面，隨著數(shù)據(jù)的爆發(fā)和算力的增長，人們對電力的需求也日益擴(kuò)大；另一方面，微型機(jī)器人和可穿戴設(shè)備等新興技術(shù)也迫切需要微型化的供電系統(tǒng)。在這樣的背景下，利用人體的生物能已經(jīng)成為能源領(lǐng)域的共識。
一個高能量的世界
隨著數(shù)據(jù)的爆發(fā)和算力的高速發(fā)展，一個高能量的世界正在誕生，而與算力同時提升的，還有對電力的需求，畢竟，發(fā)展算力也是件高耗能的事情。以全球最為知名的預(yù)訓(xùn)練大模型“GPT-3”為例，GPT-3每次訓(xùn)練都要消耗巨量算力，需用掉約19萬度電力、產(chǎn)生85萬噸二氧化碳，可謂“耗電怪獸”。
從計(jì)算的本質(zhì)來說，計(jì)算就是把數(shù)據(jù)從無序變成有序的過程，而這個過程則需要一定能量的輸入。僅從量的方面看，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年全球發(fā)電量中，有5%左右用于計(jì)算能力消耗，而這一數(shù)字到2030年將有可能提高到15%到25%左右，也就是說，計(jì)算產(chǎn)業(yè)的用電量占比將與工業(yè)等耗能大戶相提并論。實(shí)際上，對于計(jì)算產(chǎn)業(yè)來說，電力成本也是除了芯片成本外最核心的成本。
更重要的是，即將要到來的元宇宙世界也對電力提出了極高的要求。2019年，臺積電全球耗電量為143.3億度，相當(dāng)于深圳市1344萬常住居民一年的用電量；2020年，中國數(shù)據(jù)中心耗電量突破2000億度，是三峽大壩和葛洲壩電廠發(fā)電量總和（約1000億千瓦時）的2倍。
要知道，芯片、數(shù)據(jù)中心這些耗電大戶恰好都是元宇宙不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。而就芯片而言，云計(jì)算、AI、交互技術(shù)這些元宇宙中各項(xiàng)底層技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)硬件都是芯片，具體包括中心側(cè)的網(wǎng)絡(luò)芯片、高性能通用GPU、端側(cè)的新架構(gòu)芯片，以及支撐新一代顯示技術(shù)、人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）應(yīng)用的芯片，這必將導(dǎo)致芯片市場需求爆發(fā)。此外，隨著元宇宙場景越來越多元化，需要處理的數(shù)據(jù)量越發(fā)龐大，芯片的價值會更加明顯，除了單一芯片的不斷進(jìn)化外，融合各類芯片能力的生態(tài)體系也將會加快構(gòu)建。
元宇宙對芯片產(chǎn)業(yè)的刺激作用，還可以從“芯片巨頭們”的最新動作上可見一斑。在2022年國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會（CES 2022）上，美國超威半導(dǎo)體公司（AMD）、英偉達(dá)、英特爾都針對游戲場景——元宇宙最有可能的切入口，發(fā)布了高性能處理器和顯卡。
比如，英偉達(dá)發(fā)布四款最新顯卡的同時，還宣布正式向個人創(chuàng)作者提供免費(fèi)版Omniverse，該平臺定位為“工程師的元宇宙”，可以幫助游戲創(chuàng)作者、設(shè)計(jì)師、研究人員等輕松設(shè)計(jì)虛擬游戲、搭建3D場景等。AMD推出的銳龍75800X3D處理器，可以帶來15～40%的游戲性能提升，號稱是“全球最快游戲處理器”。英特爾則在數(shù)十款最新游戲中，進(jìn)行了競品的對比測試，其表示自家的移動端芯片，相較市面上的AMD旗艦處理器，均表現(xiàn)出了更高的幀數(shù)。
在芯片之外，元宇宙的穩(wěn)定運(yùn)行還依賴龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算及存儲，對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）的需求也十分強(qiáng)勁。亞馬遜、微軟、谷歌，都不約而同地宣布擴(kuò)大云計(jì)算業(yè)務(wù)，就2021年第三季度業(yè)績來看，亞馬遜科技（AWS）營收同比增長39%，谷歌云（Google Cloud）營收同比增長45%，微軟云（Microsoft Azure）營收同比增長50%。從各大科技巨頭云計(jì)算業(yè)務(wù)的高速增長不難看出，元宇宙正在產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)運(yùn)算需求，并且將帶動數(shù)據(jù)中心需求。
然而，根據(jù)開源證券研究所的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在一個數(shù)據(jù)中心的能耗分布中，散熱系統(tǒng)的占比高達(dá)40%。也就是說，數(shù)據(jù)中心每耗費(fèi)一度電，只有一半用在了“計(jì)算”上，其他的則浪費(fèi)在了散熱、照明等方面。計(jì)算和散熱幾乎陷入了一場零和博弈，計(jì)算量越大散熱消耗的電量越大，可是如果不付出足夠的能源支撐散熱，又將直接影響數(shù)據(jù)中心的性能、密度和可靠性?；诖硕裕鉀Q數(shù)據(jù)中心的能耗問題，已經(jīng)是擺在案前的棘手挑戰(zhàn)。
可以說，科技的發(fā)展必然將人類帶向一個“高能量的世界”，而沒有電力作為支撐，元宇宙也不可能被創(chuàng)造出來。
利用人體的生物能
在可預(yù)見的巨大電力需求面前，科學(xué)家們開始把目光轉(zhuǎn)向了人類自身的生物能。事實(shí)上，人體本身的生物能是可以通過多種形式竟可以轉(zhuǎn)變成電能的。
比如，一個人坐著或站立時，就會帶來持續(xù)“重力能”，而采用特制的重力轉(zhuǎn)換器就可以轉(zhuǎn)換成電能。美國桑托斯公司的超級市場，就曾在出入口處安裝了旋轉(zhuǎn)門，在地下室安裝了一套發(fā)條式能量收集器和轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機(jī)、蓄電池等。每天數(shù)以萬計(jì)的顧客進(jìn)進(jìn)出出，都要用手推動旋轉(zhuǎn)門，還要在旋轉(zhuǎn)路上停留1～3秒鐘。人們發(fā)出的生物能就被能收集器收集起來了，經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成了電能。
再來，人每天都要動，無論是走路、工作、運(yùn)動，只要動，就會有輕微的電力產(chǎn)生。一個人產(chǎn)生的能量微不足道，但是地球上70億人即便僅僅是走路，其產(chǎn)生的能量也將不可估量。于是，有研發(fā)人員真的想出了利用人們走路來發(fā)電的方法：一家公交公司將發(fā)電裝置埋在行人擁擠的公共場所，上面有一排踏板。當(dāng)行人踏上時，體重壓在踏板上，使與踏板相連的搖桿從一個方向帶動中心軸旋轉(zhuǎn)，從而啟動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
美國還在紐約一條繁華的馬路上，鋪設(shè)了20塊金屬板，在每塊板下再放上一個儲蓄循環(huán)水的橡皮容器。就利用汽車在金屬板上壓過時，使金屬板將容器內(nèi)的水高速壓出，經(jīng)地下管道通往路邊的發(fā)電機(jī)房，推動水輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)汽車過后，橡皮容器又恢復(fù)回原狀，水又返回容器內(nèi)，準(zhǔn)備再次受壓。如此往復(fù)循環(huán)，就可源源不斷地發(fā)電。據(jù)測量，一輛5噸重的汽車壓在金屬板上，就可產(chǎn)生7度電。
另外，還有人體生物能的“熱能”也可以利用。人體每天都要散發(fā)大量的熱量，并通過輻射傳播出來。據(jù)實(shí)測，一般一個50公斤重的成年人一晝夜所消耗的熱量約為2500千卡左右。這些熱量若蓄集起來，可以將50公斤的水，從0℃加熱到50℃。利用人體的熱能制成溫差電池，就可以將人體熱能轉(zhuǎn)換成電能。
這種溫差電池，可以做得很精巧，放在衣服口袋里就可以工作，也可以用它當(dāng)電源，給助聽器、袖珍電視機(jī)、袖珍收音機(jī)、微型發(fā)報機(jī)等供電，自己發(fā)電自己使用。這種“自主式”人體熱供電的微型發(fā)報機(jī)只有半個火柴盒大小，輸出功率為5微瓦，作用距離可達(dá)16公里。
美國新澤西州修建的電信電話公司總部大樓，利用全公司2000多名職員的體溫供暖，室溫可保持在18℃以上，只有當(dāng)室外氣溫下降到-9℃以下時，才需要通暖氣來取暖。
顯而易見的是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類開發(fā)利用自身的人體生物能，必將取得更大成果。
人體電池的未來
當(dāng)前，科學(xué)家們已經(jīng)提出了很多利用人體發(fā)電的形式，除了最常見的利用動能轉(zhuǎn)化為電能的生物發(fā)電，還有更大膽的血液發(fā)電、汗液發(fā)電、尿液發(fā)電、人體運(yùn)動發(fā)電甚至頭發(fā)發(fā)電等。
此前，日本的研究人員就發(fā)明了一種裝置，可以從血液葡萄糖中提取能量。這樣，每個人就成為了“電池”。日本人發(fā)明的這種裝置，提供了一種新的方法，將人類血液中的葡萄糖轉(zhuǎn)變成為電能。
近日，來自馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（UMass Amherst）的研究團(tuán)隊(duì)還表示，他們設(shè)計(jì)了新型可發(fā)電生物膜。根據(jù)研究人員描述，這種大約只有一張紙厚度的生物膜是由一種改造過的硫還原地桿菌（G. sulfurreducens）自然產(chǎn)生的。在以往的研究中，硫還原地桿菌就曾被科學(xué)家們用來發(fā)電，而且也被用在“微生物電池”中為電氣設(shè)備供電，但仍然需要得到適當(dāng)?shù)恼樟喜⒉粩唷巴段埂薄?/p>
而現(xiàn)在，經(jīng)過改進(jìn)后的這種新型生物膜不僅可以提供和同等大小電池一樣多甚至更多的能量，而且可以持續(xù)工作，且不需要“投喂”。
具體來看，首先，硫還原地桿菌在看起來像薄墊子的菌落上生長，每一個個體都通過一系列天然納米線與其他個體連接；其次，使用激光在薄膜上蝕刻小電路；然后，將被蝕刻上電路的薄膜放置在電極之間，并密封在柔軟、粘性、透氣的聚合物中；最后，收集、轉(zhuǎn)化能量，為小型設(shè)備提供電力。
天熱時，我們的皮膚表面充斥著汗水，而新型生物膜可以將汗水蒸發(fā)時產(chǎn)生的能量收集、轉(zhuǎn)化，并為小型設(shè)備提供電力，這將給徹底改變可穿戴電子設(shè)備行業(yè)，為個人醫(yī)療傳感器、個人電子設(shè)備等提供長期、持續(xù)的電力帶來希望。
畢竟，電力供應(yīng)一直是可穿戴電子產(chǎn)品的限制因素之一。電池沒電了，必須更換或充電。但它們笨重且不舒服。而這種小巧的、薄薄的、柔韌的生物膜可以像創(chuàng)可貼一樣直接貼在皮膚上，連續(xù)不斷地產(chǎn)生穩(wěn)定的電力。
當(dāng)然，人體發(fā)電也并非沒有問題，目前，生物發(fā)電最大的問題就是通過人體這些發(fā)電途徑能否產(chǎn)生用于生活生產(chǎn)的電量？成本和發(fā)電收益又是否成比例？比如，根據(jù)健身自行車發(fā)電項(xiàng)目測算，按照1個成年人每小時健身自行車運(yùn)動產(chǎn)生的功率是150瓦計(jì)算，每臺健身自行車每個月約有200人使用，平均每人使用1小時，則一個月產(chǎn)生的電量是30千瓦時；假設(shè)每千瓦時電費(fèi)是0.5元，則一個月每臺健身自行車能夠節(jié)約電費(fèi)15元，根據(jù)健身房自行車的數(shù)量可以計(jì)算出總節(jié)約電費(fèi)。但問題是，這些節(jié)約出的總電費(fèi)如何用于生活生產(chǎn)？又是否能在滿足對于成本的設(shè)計(jì)？
總的來說，不論是面對未來算力帶來的巨大電力需求，還是可穿戴設(shè)備對微型化供電系統(tǒng)的需要，來源于人體的發(fā)電都正在成為一個新的趨勢。科學(xué)家正在為這種趨勢而進(jìn)行持續(xù)的和深入的研究，而實(shí)際上，這種“人體電池”在科幻作品中早已被人們預(yù)想過——在《黑客帝國》的世界里，人類就是能量。