将所有振动转化为电力，从大物体到小物体

能量收集，利用振动和运动作为能量来源，将电机、发动机、桥梁、道路等的振动，甚至人行走引起的晃动转化为电能。收集器原理有多种，包括使用压电元件的原理和使用静电感应或电磁感应将元件的运动转化为电能的原理。可以获得的电量各不相同；每 10 cm2 大约可以从机器和建筑物的振动中获得 10 mW，但从人体运动中只能获得 1 μW。

压电元件是利用压电效应的采集器，当物体拉伸或收缩时会产生电压。该方法元件结构简单，适合收割机小型化。另一方面，性能取决于材料的选择，并且特性的详细调整很困难。

另一方面，静电感应法和电磁感应法通过将收割机内部两个部件的相对位置变化转换为电压波动来发电，因此它们在设计（包括材料选择）方面具有很高的自由度。其中，静电感应方式利用了当充电的电容器的电极间的距离变化时，电容变化、电极间电压变化的现象。最近，电极通常使用称为驻极体的半永久带电材料制成。此外，电磁感应法利用由于磁体和线圈之间的相对位置关系的变化而导致感应电流流过线圈的现象。原理上与发电厂发电机所用的相同，因此具有良好的发电效率。

对于道路等建筑物，可以通过在不断振动的区域安装大型收割机来获得大量电力。曾在上下车乘客较多的东京车站进行过一项将地板振动转化为电能的技术的示范实验（图6）。检票口中嵌入了压电元件，当车站使用者走在上面时就会发电，在上下车乘客较多的日子里，据说每天可以获得940千瓦·秒的电力。

[图6]车站用户行走时的振动发电
（上）发电系统的配置，（下）实验中系统的安装方式
来源：JR 东日本新闻稿

收割机的小型化和发电效率的提高也很显着。美国MicroGen公司已将采用半导体加工技术制造的小型振动能量收集器商业化。在大约10平方厘米的芯片内部，有一个由压电材料薄膜制成的微小悬臂梁（一侧梁），当芯片振动时，质量负载会施加到悬臂梁的一端，从而产生电力。据说，120Hz时01G以上的振动产生约100μW，600Hz时05G以上的振动产生约900μW。

还有一些研究成果通过引入静电感应方法和新材料显着提高了发电量。美国德克萨斯大学通过扭转碳纳米管开发出纤维状高容量电容器（图7）。如果以 30Hz 的频率充电和拉动，重量仅为 1kg 的收割机可产生高达 250W 的功率。

[图7]德克萨斯大学开发的扭转碳纳米管制成的高容量电容器
来源：德克萨斯大学新闻稿

利用电视广播塔发射的无线电波转化为电能

能量收集使用电磁波作为能源，使用一种称为整流天线*2的元件将来自电视、收音机、移动电话、无线局域网等的无线电波转换为电能。然而，从电磁波中回收能量的技术似乎很困难，因为它受电磁波传播的空间条件的影响很大。目前，10cm2收集器获得的功率仅为1μW左右。

不过，有很多公司致力于这项技术的开发，并且技术水平正在迅速提高。这是因为它将导致无线电力传输，这是消除电源线的另一种方式。当电力传输变得无线时，接收电力的一侧就变成了针对电磁波的收割机。

美国英特尔公司利用安装在阳台上的天线接收来自约 41 公里外电视广播塔的无线电波，并成功产生 60 μW 的电力来操作带有 LCD 显示屏的温湿度计（图 8）。瑞萨电子还宣布了一项技术，可在 60 厘米距离处从 250 mW 输出全向无线电波源（例如 24 GHz 频段无线 LAN）回收 10 μW 功率。

[图8]从电视广播塔的无线电波中提取电力来操作温湿度计
来源：英特尔

利用生物隐藏的力量，发电为手机充电

最后，我想介绍一种新的能量收集技术，该技术利用除迄今为止解释的四种能源之外的其他来源。两者都是利用生物机制的发电技术，有望应用于可穿戴设备和植入体内的设备。

美国麻省理工学院开发了一种技术，利用插入树木根部的电极与周围土壤之间产生的50m至200mV电位差作为电。这使得能够产生μW级的功率，预计将用于温度和湿度传感器以及野火的早期检测系统。

美国Proteus Digital Health公司开发了一种利用胃酸引起的化学反应的发电技术。药片中嵌入微型半导体芯片，胃酸发电产生的电力用于无线传输 ID 和管理药物。大冢制药计划将该技术商业化。

哥伦比亚大学已成功地使用细胞内线粒体产生的称为 ATP 的物质作为能源来操作电子电路。生物体的细胞膜含有一种称为“钠钾泵”的蛋白质。它的功能是消耗ATP，从细胞中释放三个钠离子，并将两个钾离子带入细胞内。这里发生的离子浓度差驱动电子电路。

从这些技术中，我们可以看到，能量收集技术的范围将根据想法不断扩大。在第二部分中，我们将解释另一种消除电源线的方法，以及无线电力传输的技术发展趋势。