Всем привет! Мы носим с собой всё больше электроники: она считает шаги, замеряет пульс, следит за сном. А заодно — стабильно требует зарядки. И пока одни ищут способы продлить жизнь батареи, другие предлагают совсем иной подход — использовать энергию тела человека.

В этой статье вы узнаете о том, как именно наш организм вырабатывает электричество, какие технологии уже умеют его собирать, и где это работает на практике.

Физиология как источник энергии

Человек — это источник сразу трёх типов энергии: тепловой, кинетической и химической. Мы не выдумываем генераторы, мы просто начинаем использовать то, что организм уже делает каждый день.

Тепло

В состоянии покоя человек выделяет около 80–100 Вт тепла. При физической нагрузке — от 300 до 400 Вт. Это значения, подтверждённые и современными источниками, и классическим исследованием. При сидячей активности человек выделяет около 116 Вт.

Но сколько из этого тепла можно реально собрать? Теоретически — не более 5,5% (расчёт по эффективности Карно при температуре тела 310 K и воздуха 293 K), или ~3,7–6,4 Вт. Если температура окружающей среды выше — эффективность падает (до 3,2% при 27 °C). А если учесть, что 25% тепла уходит с испарением, то максимум доступной мощности снижается до 2,8–4,8 Вт. (Источник: Starner, 1996)

Собрать всё это тепло невозможно без герметичной оболочки вроде гидрокостюма. Поэтому в реальных устройствах (часы, браслеты) мощность генерации ограничена — несколько мкВт/см² при использовании термогенераторов.

Механика

Любое движение — это работа. При обычной ходьбе мы тратим около 280 ккал/час, или ~320 Вт общей мощности. По оценке Старнера, до половины этой энергии связано с движением ног. Даже простое опускание пятки на 5 см даёт потенциально до 67 Вт кинетической мощности, если эту энергию собрать через генератор.

На практике при ходьбе можно получить до 5–8 Вт. Этого уже достаточно, чтобы питать BLE-чип, сенсор движения или модуль сбора данных. Конечно, для этого нужна система преобразования: пьезоэлементы, трибоэлектрика или электромеханика.

Биохимия

Самая сложная в технической реализации, но и одна из самых продвинутых идей — использование биохимической энергии тела. Кровь содержит глюкозу, кислород и ионы — всё это может выступать топливом для так называемых биотопливных элементов. Такие элементы уже тестируются в прототипах имплантируемых и носимых устройств. Они работают за счёт ферментов, которые запускают реакции окисления на электродах и создают стабильный, пусть и очень слабый ток — десятки микроватт, но этого достаточно для питания миниатюрных сенсоров, кардиостимуляторов, трекеров глюкозы и т.п. Сейчас есть даже прототипы, работающие от пота, слезы и межклеточной жидкости (Источник: Wang, J. et al., 2025).

Эта энергия не дополнительная — она уже есть: мы тратим её на дыхание, на работу органов, на поддержание температуры. Инженерная задача заключается в том, чтобы не забирать её у организма, а снимать остаток без вмешательства. То есть, не конкурировать с метаболизмом, а встроиться в него.

Технологии, которые уже работают

Когда речь заходит об энергетике тела, важно отличать впечатляющие концепты от того, что уже работает. Ниже — технологии и подходы, которые из стадии «когда-нибудь» уже перешли во «вполне реально».

Пьезоэлектрические системы

Простейший способ собрать механику — использовать пьезоэлементы. Они преобразуют давление или вибрацию в ток. Например, встраивание пьезоэлементов в обувь: современные прототипы уже обеспечивают 2–4 мВт энергии при каждом шаге во время обычной ходьбы, а при беге — до 8 мВт. Этого достаточно для питания маломощных сенсоров, таких как акселерометры, трекеры давления и BLE-модули. (Источник: Fredj, Z. et al., A Review of Piezoelectric Footwear Energy Harvesters, Sensors, 2023.)

Технология активно применяется в пилотных проектах умной обуви и в напольных покрытиях, таких как пьезоплиты в метро Токио (станция Shibuya), где шаги пассажиров используются для питания освещения и экранов.

Трибоэлектрические ткани

Это текстильные материалы, способные вырабатывать электричество при механическом воздействии: трении, растяжении, сгибании. В основе лежит трибоэлектрический эффект — накопление заряда при контакте и разделении двух разных материалов. Такие ткани состоят из слоёв с разной полярностью (например, нейлон и PTFE), часто дополненных проводящими волокнами (углеродные нанотрубки, серебряные нити) для отвода заряда.

Эффективность таких генераторов напрямую зависит от геометрии ткани: структуры плетения, плотности, формы волокон. В обзоре Yan et al., 2023 подробно показано, как одно-, двух- и трёхмерные текстильные структуры (трикотаж, саржа, сетка) влияют на выходную мощность, гибкость и долговечность устройств. Например, трёхмерные вязаные структуры обеспечивают лучший контакт между слоями и стабильную генерацию тока даже при многократной деформации.

Современные прототипы уже достигают до 1 мВт/см² при активных движениях и могут питать сенсоры, BLE-маячки или использоваться как самозаряжающиеся элементы в одежде. Такие ткани сохраняют воздухопроницаемость и не ограничивают подвижность, что делает их перспективными для носимой электроники и медицинских устройств.

Термогенераторы (TEGs)

Это один из самых устойчивых и надёжных способов сбора энергии с тела. Устройство снимает разницу температур между кожей и окружающей средой и преобразует её в электричество с помощью термоэлектрического эффекта (эффект Зеебека). Даже при температурной разнице всего в 1–2 °C можно получить стабильный выход — главное, правильно подобрать материалы и архитектуру.

Яркий пример — PowerWatch от Matrix Industries. Эти часы работают от тепла тела и не требуют подзарядки. В основе лежит модуль Prometheus, объединяющий термоэлектрический генератор и повышающий преобразователь энергии. Он запускается при ΔT от 0,5 °C и может выдавать до 5 мВт при разнице температур около 15 °C. Модуль обеспечивает выходное напряжение 2–5 В и подходит для питания BLE-чипов, сенсоров и дисплеев.

Параллельно исследовательские группы, например из KAIST (Корея) и RWTH Aachen (Германия), разрабатывают гибкие TEG для медицинских сенсоров — давления, температуры, мониторинга сна.

Биотопливные элементы (Biofuel Cells)

Биотопливные элементы используют глюкозу и кислород, содержащиеся в крови или тканевой жидкости, как топливо для генерации электричества. В основе лежат ферментативные реакции: ферменты катализируют окисление глюкозы на аноде и восстановление кислорода на катоде, создавая стабильный ток. Такие элементы работают бесшумно, без внешнего питания и потенциально могут заменить батареи в имплантируемых устройствах.

Один из ключевых примеров — прототип кардиостимулятора, разработанный в Clarkson University. В исследовании Southcott et al., 2013 описан имплантируемый биотопливный элемент, собранный на основе углеродных нанотрубок и ферментов PQQ-глюкозодегидрогеназы и лакказы. Устройство генерировало напряжение около 470 мВ и ток до 5 мА, чего оказалось достаточно для питания реального кардиостимулятора через преобразователь напряжения. Работа устройства была подтверждена медицинским регистратором в условиях, имитирующих кровоток человека.

Технология пока остаётся на ранней стадии разработки, но уже доказала свою работоспособность in vivo и активно развивается в направлении гибких, миниатюрных и долговечных решений для носимой и имплантируемой электроники.

Биомеханические сборщики энергии

Это устройства, собирающие энергию от движений суставов, особенно коленей, во время ходьбы. В отличие от пьезо- или трибоэлектрических решений, здесь используется макромеханика: движение сустава приводит в действие генератор, чаще всего через магнитный осциллятор или редуктор, преобразующий кинетическую энергию в электрическую.

Например, в исследовании Donelan et al., 2008 описан коленный генератор, способный собирать до 4,8 Вт при обычной ходьбе. Устройство использует принцип генеративного торможения: оно включается только в фазе замедления ноги, помогая мышцам и одновременно вырабатывая ток. Это позволяет снизить метаболические затраты и не мешать естественной походке. 

Позже технология была доработана. В 2015 году команда под руководством Qingguo Li представила двусторонний генератор, собирающий энергию с обеих ног и выдающий до 9 Вт при ходьбе, с минимальной нагрузкой на пользователя.

Примеры внедрения

Технологии, питающиеся от человеческого тела, уже используются не только в лабораториях, но и в реальной инфраструктуре.

Стокгольм: вокзал + офис = отопление

На главном железнодорожном вокзале Стокгольма ежедневно проходят около 250 000 человек. Их тепло используется для обогрева соседнего офисного здания. Система устроена просто: теплообменники улавливают избыточное тепло, система труб транспортирует его в подземные резервуары с водой, а дальше — в инженерную систему здания.

Танцы — в свет

В некоторых городах Европы внедряются кинетические и тепловые полы, преобразующие движения и тепло тела в энергию. Это не только эффектно, но и реально работает на массовых мероприятиях.

Лондон, UEFA Champions Festival, 2024. Компания Pavegen установила крупнейший в мире кинетический танцпол. Более 6 300 человек танцевали на кинетическом полу, и эта энергия использовалась для питания DJ-пульта и микрофона группы Rudimental во время вечернего шоу на Трафальгарской площади.

Глазго, клуб SWG3. В 2022 году клуб внедрил систему BODYHEAT, которая собирает тепло от посетителей и сохраняет его в геотермальных скважинах глубиной до 200 метров. Энергия возвращается в здание и используется для отопления и охлаждения. Это позволило полностью отказаться от газа и снизить выбросы CO₂ примерно на 70 тонн в год.

Ограничения и вызовы

Тело действительно может быть источником энергии, и мы уже видим, как это работает в гаджетах, одежде и инфраструктуре. Но перед тем как внедрять генераторы в каждую футболку или подошву, стоит трезво взглянуть на технологические реалии и нюансы.

• Низкая мощность на единицу площади. Почти все генераторы, основанные на энергии тела, выдают милливатты, максимум — единицы ватт. Этого хватает для BLE-чипов, передачи простых данных или питания микроконтроллеров, но не для полноценной электроники. Даже коленный генератор, выдающий ~5 Вт, требует активной ходьбы и состоит из достаточно громоздких механических узлов. Термогенераторы и биотопливные элементы ещё менее мощные: они работают в диапазоне от 1 до 20 мкВт/см², что позволяет разве что показывать время и считать шаги (например, PowerWatch).

• Низкий КПД и потери. У термоэлектрических генераторов коэффициент полезного действия редко превышает 5–10%, особенно при малом температурном градиенте (до 5 °C между телом и воздухом). В итоге даже эффективные элементы снимают не больше пары микроватт с квадратного сантиметра. Трибоэлектрические и пьезоэлектрические материалы эффективнее, но их работа зависит от движения, силы контакта, и со временем выход может снижаться.

• Ограничения по долговечности и надёжности. Носимые материалы сталкиваются с жёсткими условиями: сгибания, трение, пот, стирка, перепады температуры. Чтобы работать в реальных сценариях, элементы должны выдерживать десятки тысяч циклов, не теряя своих характеристик. Сейчас же большинство решений находится в стадии лабораторных прототипов, и до массового рынка им всё ещё далеко.

• Комфорт, вес и эргономика. Генераторы не должны натирать, ограничивать движения или перегреваться. Особенно важно это в медицинской сфере, где комфорт и надёжность критичны. Масса даже в 100–150 г на суставе может быть ощутимой при длительном ношении.

• Правовые и этические аспекты. Импланты или устройства, работающие от тела, поднимают вопросы приватности и контроля: кто управляет устройством, что будет при сбое питания, и как оно повлияет на организм? Накладываются и юридические аспекты, от сертификации до ответственности за сбои.

Почему это не безумие, а решение

Когда речь заходит о получении энергии от человеческого тела, у многих из нас в воображении всплывают мрачные образы — мол, нас сейчас «подключат» как батарейки. Но реальность куда проще и, честно говоря, приятнее. Тут нет ни вторжений в организм, ни фантастических идей. Только тепло, движение и химия — то, что и так происходит с нами круглосуточно, независимо от технологий.

Инженерный подход здесь не в том, чтобы «вытянуть максимум», а чтобы не тратить впустую то, что уже есть. Мы теряем тепло — почему бы не собрать часть и не направить на работу микросхемы? Мы двигаемся, а значит, генерируем импульсы, которые можно использовать. Всё это напоминает рекуперацию тормозной энергии в электромобиле: ты всё равно тормозишь, почему бы не превратить это в заряд?

Причём большинство технологий имеют наружное применение. Это браслеты, ткани, датчики в обуви. Они не нарушают границы тела, не требуют имплантации и не вызывают дискомфорта. Более того, автономные решения критически важны в медицине: сенсор, который сам себя питает от тела, может работать неделями без подзарядки и не тревожить пациента.

Да и с точки зрения устойчивости — это сильный ход. Мы получаем источник энергии, который не зависит от погоды, розетки и даже от батарейки. Он всегда с нами — и не загрязняет окружающую среду.

Так что, а почему бы и да?