论高校体育中“人体能”开发及利用

文 / 王兴一，王建宇

2006年《国务院关于加强节能工作的决定》明确提出能源问题已经成为制约中国经济和和社会发展的重要因素，2008年4月1日实行的《中华人名共和国节约能源法》将节能环保提升到法律法规的高度，为我国的节能工作开创了新局面。随着节能环保相关技术的进展，相对于传统石化能源较为零散的生物质能、人体能等的开发进入研究者的视野。2021年两会上，政府工作报告首次写明碳达峰、碳中和，并做出承诺到2030年时二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。碳中和是指在一定时间内，企业、团体或个人直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。随着观念革新和技术进步，在碳达峰和碳中和背景下，节能减排在体育运动、体育产业、健康促进等领域也有了相应的理论探索和成果应用，学校体育作为体育事业的重要组成，也有了新的研究课题。如果能将“人体能”开发利用理念引入高校体育课程的设计、技术研发、战略规划和实施中，将会有利于高校体育课程的现代化改革，提升高校体育课程的社会服务能力和影响力，为我国实行碳达峰以及碳中和进行有益探索。

1 研究方法

研究采用文献资料法：收集整理“人体能”开发利用的相关资料。逻辑分析法：分析高校体育开发“人体能”的可行性。跨学科研究法：综合学校体育、运动生理、力学和物理等学科，跨学科研究基于学校体育的“人体能”开发方式。

2 结果与分析

2.1 “人体能”开发利用现状及发展趋势

2.1.1 国内外“人体能”的开发利用现状

人体能，简而言之就是由人体散发出来的生物能量，它主要表现为机械能和热能[1]。“人体能”开发的主要方式包括：(1)人体运动能量的收集，主要涉及静电、电磁转换、压电等技术；(2)人体热能的收集，主要是温差电池。利用塞贝克效应将热能转化为电能，微型温差电器件及相关材料的研制是该技术的关键[2]；(3)人体化学能的利用，以微生物或酶为催化剂，直接将体内葡萄糖中的化学能转化为电能[3]。但相对机械能和热能方式，化学能转换的能量更为微量。

目前，较常见的人体能应用方式是通过采集人类日常生活中涉及到的能量，对电子设备进行供能，[4]如智能穿戴设备的普及与应用，据国际数据公司(IDC)的研究显示，2019年第四季度全球可穿戴设备出货量增长82.3%，2019年全球可穿戴设备出货量达到3.365亿台。[5]有研究表明，在8 km/h的运动条件下，腕部、肘部和踝部所能俘获的最大瞬时功率分别为0.60、0.30、0.58 mW.实验结果表明，基于磁悬浮互斥结构的电磁能量采集装置能有效采集人体动能，并为可穿戴传感器等低功耗设备供能。[6]曹文英等探讨了电磁式、压电式、摩擦电式、静电式、复合式、热电式人体能收集方式[7]。

人体能开发利用是依据能量转换的原理，把部分被浪费掉的机械能、热能、人静电等经过能量转化和处理，供我们日常生活使用，达到节能减排和新能源开发的效果。目前，世界上有不少研究机构在设计收集零碎能量的系统，并取得了一定的成效。学校体育领域可以借鉴其成果，引入体育课程中开发利用。让不被重视的绿色能源—人体能，为解决目前能源短缺的困境提供新思路和新方法。

2.1.2 制约“人体能”开发的因素

(1)人们的观念意识制约着“人体能”的开发及利用

尽管国家越来越注重环境保护、能源节约及人与自然的和谐发展，使民众对保护环境、减少不可再生资源的开发、加快新能源开发的重要性有了认识。但现在，国家战略中新能源的开发，一般是从核能，风能，太阳能等能源开发和研究，只有较少人注意到利用“人体能”，并认识到开发“人 体能”的意义。

(2)产业开发未形成规模，成为制约“人体能”开发的瓶颈

一个新兴的技术和观念要有大的发展，就要把这个新兴的行业进行产业化开发与利用。“人体能”的开发与利用的一个制约瓶颈是研究开发比较零散，欠成熟，效益不明显，所以没有形成产业化发展。

(3) “人体能”利用率不高，成为制约“人体能”开发的因素

与现有的能源效率相比，“人体能”在转换成其他能源时，利用率和可开发程度不高，“人体能”本身的功率也不大。因此，我们在开发利用“人体能”的时候，必须要解决“人体能”转换率低、人体做功大小和密度的问题，实现“人体能”利用率提高。

2.2 在高校开发与利用“人体能”的可行性分析

学校体育是学校教育的重要组成部分，也是全民体育的基础。不同层次的学校体育按不同教育阶段和年龄特征，通过体育课程，围绕“增强体质”这个中心开展工作，以学生身体活动为最基本手段。学生运动产生的能量主要是以机械能，热辐射等形式释放出去。如果，将体育课程中消耗的部分人体能源加以利用，既节约传统能源又保护环境。

2.2.1 高校学生环保观念强，为“人体能”开发提供理念

环保是关系社会发展和家园建设的人类共同话题。所以环保教育必须从学生抓起，高校是环保教育的重要场所。环保理念也容易得到学生的接受和传承，高校学生社会责任感强，是环保活动的先锋和引领者。学生强烈的环保观念为在高校中开发“人体能”提供了观念基础。

2.2.2 高校有深厚的科学技术背景，为“人体能”开发提供科研支持

传统供能方式随着科学技术的发展在不断的更新换代。“人体能”的开发利用在新科学技术、环保需求、能源供应的背景下催生而出。纳米技术、半导体和超导体技术、新绝缘材料等为“人体能”的开发和利用提供了更加广阔的领域，同时又带来了新的发展机遇和空间。高校是先进理念的倡导者，是优秀人才的聚集地，是先进技术的发源地。高校有高科技人才，有先进的实验条件，有高端的科学技术，可以为人体能技术的开发注入新的原动力。

2.2.3 学生热爱运动，为“人体能”开发提供能源基础

学生是我国体育人口的重要组成部分，适当的体育运动有利于学生身体发育和强健体魄。而且高校学生的能量摄取较多，身体发育较为成熟，体力充沛，体能恢复快，并热衷于各种形式的体育项目。对学生比较喜欢参加的运动项目进行统计显示，游泳每30分钟消耗的能量约175卡热量；田径每30分钟消耗的能量约450卡热量；篮球每30分钟消耗的能量约250卡热量[8]。据测试，一个人在快跑时，可以产生多达1kW的电能；即使在走路时，也会产生几瓦到几十瓦的电能。[9]

通过上面的举例，可以看到学生经常参加的运动项目均产生不同数值的“人体能”的消耗。对这一部分“人体能”加以合理的利用，将会为我们日常生活提供更多的节能措施和环保手段。

2.2.4 高校人口密集成为“人体能”收集的数量基础

高校人口密度大，人口数量多，且人居住、学习、运动等形式相对集中。高校人口密集的地区为我们开发研究“人体能”提供了能源收集基础。在体育课上，当学生聚在一起进行身体运动，他们运动共同产生的机械能、重力势能、热能的总量就多。在不影响体育课程的情况下，通过合理的技术可以把部分“人体能”转换成其他形式能量。因此，高校是一个很适合集中收集人体能量的场所，学生的运动场地成为我们收集零散的运动能的最佳场所，可以让我们更有效、更快捷、更多的收集人体消耗掉的“人体能”。高校为“人体能”的规模化利用提供能源基础。

2.2.5 高校对学生参加体育运动有强制要求

体育课程作为高校体育的基本形式是强制要求健康学生参加的，而且高校学生还要接受体质健康标准的测试，甚至体育测试成绩的好坏直接关系到学生的考评，所以在高校中学生参加体育锻炼不仅有自己兴趣爱好的原因，也有教育法规和教育评价等现实压力，学生必须参加高校安排的各种形式的体育活动，这就为以高校为单位研究、收集人体能提供了组织形式上的保障。

2.3 以高校体育为基础收集“人体能”的方式研究

在学校体育课程中，学生的运动形式主要有体能类的走、跑、跳、投和体现身体综合素质的球类、形体类项目。这些项目都是以身体对外做功改变身体姿势、重心和位置，并以机械能(主要是动能)、重力势能和热能的形式进行消耗。因此，在学校体育中，可以从机械能、重力势能和热能三个方式进行收集利用。

2.3.1 机械能方式收集转换“人体能”

人体运动产生的机械能常常包括动能，也包括部分势能。物体由于运动而具有的能叫做动能，一切运动的物体都具有动能。而动能通过直接转换或通过能量收集装置再转换，把人体运动的机械能转换成为电能或其他可利用能源。

一个比较成熟的成果就是，先将人产生的机械能通过收集站收集起来，然后通过能量转换站把机械能转换成我们可以利用的电能。如：在传统的健身器上加装了一个发电机。人在锻炼的时候，通过推拉，带动发电机工作。为了让一般人的推拉动作，达到带动发电机的效果，科研人员增设了一个“增速机构”，通过这些设备可以轻松让一个人带动发电机[10]。

学校体育中，运动者运动时间越长、强度越大，参与运动的人数越多，则释放的能量就越多。在学校体育场馆和健身器材上安装这样的能量收集站，可以较为高效的收集到人体能。美国桑托斯公司是比较早的利用人体的机械能来发电，该公司就是在超级市场地下室安装了这样一套能量收集器、连接器、转换器等装置，由于每天顾客很多，每年可以为该公司提供很大一部分电力。传统利用人体做功的方式还有惯性能量-动能和势能的利用，如在传统的惯性手表里，利用手臂的运动使手表获得运转的能量。

2.3.2 重力势能方式收集“人体能”

当一个人在运动时，会产生重心的改变，身体上下跳跃，就可带来持续的重力能，当然这种重力势能的产生和变化也是身体的机械动能作用的结果。采用特制的重力转换器，把重力能转换成电能，可以进行能量收集。

例如，人的走动、跑跳，要克服身体的重量进行做功。利用人体重量的重力势能，就可在人的脚下安装特殊装置，在走、跑、跳的过程中，产生能量。如在鞋底设置齿轮传动机构，将足底向下的动能转换为旋转能量，再带动电磁发电机产生电能。在鞋底和鞋尖设置两个液压或气压腔，在液压或气压腔相连处设置涡轮，人行走时液体或气体流动带动涡轮旋转从而带动发电机[11]。在体育课程中，利用类似的装置就可以高效回收学生身体腾空、上下运动时产生的能量。

美国某公司在行人拥挤的公共场所，安装能量收集装置，当行人脚踏踏板时，与踏板相连的摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而带动发电机发电。技术人员还将20块金属板铺在路面上，每一块板下放置一个储蓄水的橡皮容器。当人群或汽车通过以后，橡皮容器内的水压出去，产生高速水流，经过底下通往路旁的发电机房，推动水轮发电机发电。每当上百人或者一辆重五吨的汽车通过时，就会产生7度的电力[12]。在学校运动场上安装类似的装置，就可利用学生的跑跳行动进行发电。

2.3.3 热辐射的方式收集“人体能”

热传递，是从高温的物体向低温的物体传递，这就致使能量产生移动。利用人体运动产生的热能开发“人体能”就是利用热传递的原理。人体运动时，总的产热量最多可比安静时高出10～15倍，骨骼肌成为主要的产热器官。运动时体温升高的程度，同运动强度、持续时间和运动的环境气象条件(水温、气温、风速和空气湿度)以及运动员的训练程度等有关。一般情况下，中距离赛跑后腋下温度可升到37.5℃，长跑后上升到38.5℃，激烈运动时直肠温度甚至超过40℃，肌肉温度可达41℃[13]。

人体的正常体温一般在36℃左右，但人体与自然界的外界温度存在着一定的温差。存在温差，就可利用“塞贝克效应”(又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象)原理设计出实用的发电电池[13]。据德国《科学画报》杂志道，来自德国慕尼黑的一家片研发企业研究出一种新电池，由一个可感应温的硅芯片构成。当这种特殊的硅芯片正面“感受”到的温度较之背面温度具有一定温差时，其内部电子就会产生定向流动，从而产生“微量但却足够用的电流”。负责研发这种电池的温纳·韦伯介绍说，“只要在人体与衣服等之间有5℃的温差，就可以用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量。”[14]其他还有利用运动时产生的静电等，收集人体能。体育课程可以利用学生体育运动后产生的体温升高和静电进行能量收集。

3 结论与建议

伴随着“人体能”回收技术的进步和系统的成熟 ，学校体育课程中可以利用重力、机械、辐射等方式开发利用人体能，让学生在锻炼身体的同时，节约、创造能源。在高校体育课程中开发利用“人体能”回收系统是切实可行的，高校有科技优势，体育课程的参与人数多、分布密集，人均消耗的能量多，收集方便。学校体育中“人体能”的开发任重而道远，有很多理念和技术需进一步完善。

在高校体育课程中引入“人体能”开发理念，在高校建立研发“人体能”团队，由体育、物理、化学、机械、电子等相关领域的专家、学者组成。国家在制定新能源开发政策和教育部门进行高校体育管理和战略规划时，拟定相关政策和措施，扶持高校体育的“人体能”开发和利用。高校在进行《国家学生体质健康标准》测试时，可以将测试过程中消耗的“人体能”集中进行能量收集。如测试人体持续工作能力的1000米跑(男)和800米跑(女)；测试爆发力项目的立定跳远；测试上肢肌肉力量发展水平的引体向上等项目，可以利用采集能量的技术和装备，合理有效利用。甚至可以根据能量采集需要，重新设计体质健康标准的测试项目，以达到更好的“人体能”利用效果。