論高校體育中“人體能”開發(fā)及利用

文 / 王興一，王建宇

2006年《國務院關于加強節(jié)能工作的決定》明確提出能源問題已經(jīng)成為制約中國經(jīng)濟和和社會發(fā)展的重要因素，2008年4月1日實行的《中華人名共和國節(jié)約能源法》將節(jié)能環(huán)保提升到法律法規(guī)的高度，為我國的節(jié)能工作開創(chuàng)了新局面。隨著節(jié)能環(huán)保相關技術的進展，相對于傳統(tǒng)石化能源較為零散的生物質(zhì)能、人體能等的開發(fā)進入研究者的視野。2021年兩會上，政府工作報告首次寫明碳達峰、碳中和，并做出承諾到2030年時二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低。碳中和是指在一定時間內(nèi)，企業(yè)、團體或個人直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。隨著觀念革新和技術進步，在碳達峰和碳中和背景下，節(jié)能減排在體育運動、體育產(chǎn)業(yè)、健康促進等領域也有了相應的理論探索和成果應用，學校體育作為體育事業(yè)的重要組成，也有了新的研究課題。如果能將“人體能”開發(fā)利用理念引入高校體育課程的設計、技術研發(fā)、戰(zhàn)略規(guī)劃和實施中，將會有利于高校體育課程的現(xiàn)代化改革，提升高校體育課程的社會服務能力和影響力，為我國實行碳達峰以及碳中和進行有益探索。

1 研究方法

研究采用文獻資料法：收集整理“人體能”開發(fā)利用的相關資料。邏輯分析法：分析高校體育開發(fā)“人體能”的可行性?？鐚W科研究法：綜合學校體育、運動生理、力學和物理等學科，跨學科研究基于學校體育的“人體能”開發(fā)方式。

2 結果與分析

2.1 “人體能”開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1.1 國內(nèi)外“人體能”的開發(fā)利用現(xiàn)狀

人體能，簡而言之就是由人體散發(fā)出來的生物能量，它主要表現(xiàn)為機械能和熱能[1]。“人體能”開發(fā)的主要方式包括：(1)人體運動能量的收集，主要涉及靜電、電磁轉(zhuǎn)換、壓電等技術；(2)人體熱能的收集，主要是溫差電池。利用塞貝克效應將熱能轉(zhuǎn)化為電能，微型溫差電器件及相關材料的研制是該技術的關鍵[2]；(3)人體化學能的利用，以微生物或酶為催化劑，直接將體內(nèi)葡萄糖中的化學能轉(zhuǎn)化為電能[3]。但相對機械能和熱能方式，化學能轉(zhuǎn)換的能量更為微量。

目前，較常見的人體能應用方式是通過采集人類日常生活中涉及到的能量，對電子設備進行供能，[4]如智能穿戴設備的普及與應用，據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)的研究顯示，2019年第四季度全球可穿戴設備出貨量增長82.3%，2019年全球可穿戴設備出貨量達到3.365億臺。[5]有研究表明，在8 km/h的運動條件下，腕部、肘部和踝部所能俘獲的最大瞬時功率分別為0.60、0.30、0.58 mW.實驗結果表明，基于磁懸浮互斥結構的電磁能量采集裝置能有效采集人體動能，并為可穿戴傳感器等低功耗設備供能。[6]曹文英等探討了電磁式、壓電式、摩擦電式、靜電式、復合式、熱電式人體能收集方式[7]。

人體能開發(fā)利用是依據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原理，把部分被浪費掉的機械能、熱能、人靜電等經(jīng)過能量轉(zhuǎn)化和處理，供我們?nèi)粘Ｉ钍褂?，達到節(jié)能減排和新能源開發(fā)的效果。目前，世界上有不少研究機構在設計收集零碎能量的系統(tǒng)，并取得了一定的成效。學校體育領域可以借鑒其成果，引入體育課程中開發(fā)利用。讓不被重視的綠色能源—人體能，為解決目前能源短缺的困境提供新思路和新方法。

2.1.2 制約“人體能”開發(fā)的因素

(1)人們的觀念意識制約著“人體能”的開發(fā)及利用

盡管國家越來越注重環(huán)境保護、能源節(jié)約及人與自然的和諧發(fā)展，使民眾對保護環(huán)境、減少不可再生資源的開發(fā)、加快新能源開發(fā)的重要性有了認識。但現(xiàn)在，國家戰(zhàn)略中新能源的開發(fā)，一般是從核能，風能，太陽能等能源開發(fā)和研究，只有較少人注意到利用“人體能”，并認識到開發(fā)“人 體能”的意義。

(2)產(chǎn)業(yè)開發(fā)未形成規(guī)模，成為制約“人體能”開發(fā)的瓶頸

一個新興的技術和觀念要有大的發(fā)展，就要把這個新興的行業(yè)進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與利用?！叭梭w能”的開發(fā)與利用的一個制約瓶頸是研究開發(fā)比較零散，欠成熟，效益不明顯，所以沒有形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

(3) “人體能”利用率不高，成為制約“人體能”開發(fā)的因素

與現(xiàn)有的能源效率相比，“人體能”在轉(zhuǎn)換成其他能源時，利用率和可開發(fā)程度不高，“人體能”本身的功率也不大。因此，我們在開發(fā)利用“人體能”的時候，必須要解決“人體能”轉(zhuǎn)換率低、人體做功大小和密度的問題，實現(xiàn)“人體能”利用率提高。

2.2 在高校開發(fā)與利用“人體能”的可行性分析

學校體育是學校教育的重要組成部分，也是全民體育的基礎。不同層次的學校體育按不同教育階段和年齡特征，通過體育課程，圍繞“增強體質(zhì)”這個中心開展工作，以學生身體活動為最基本手段。學生運動產(chǎn)生的能量主要是以機械能，熱輻射等形式釋放出去。如果，將體育課程中消耗的部分人體能源加以利用，既節(jié)約傳統(tǒng)能源又保護環(huán)境。

2.2.1 高校學生環(huán)保觀念強，為“人體能”開發(fā)提供理念

環(huán)保是關系社會發(fā)展和家園建設的人類共同話題。所以環(huán)保教育必須從學生抓起，高校是環(huán)保教育的重要場所。環(huán)保理念也容易得到學生的接受和傳承，高校學生社會責任感強，是環(huán)?；顒拥南蠕h和引領者。學生強烈的環(huán)保觀念為在高校中開發(fā)“人體能”提供了觀念基礎。

2.2.2 高校有深厚的科學技術背景，為“人體能”開發(fā)提供科研支持

傳統(tǒng)供能方式隨著科學技術的發(fā)展在不斷的更新?lián)Q代。“人體能”的開發(fā)利用在新科學技術、環(huán)保需求、能源供應的背景下催生而出。納米技術、半導體和超導體技術、新絕緣材料等為“人體能”的開發(fā)和利用提供了更加廣闊的領域，同時又帶來了新的發(fā)展機遇和空間。高校是先進理念的倡導者，是優(yōu)秀人才的聚集地，是先進技術的發(fā)源地。高校有高科技人才，有先進的實驗條件，有高端的科學技術，可以為人體能技術的開發(fā)注入新的原動力。

2.2.3 學生熱愛運動，為“人體能”開發(fā)提供能源基礎

學生是我國體育人口的重要組成部分，適當?shù)捏w育運動有利于學生身體發(fā)育和強健體魄。而且高校學生的能量攝取較多，身體發(fā)育較為成熟，體力充沛，體能恢復快，并熱衷于各種形式的體育項目。對學生比較喜歡參加的運動項目進行統(tǒng)計顯示，游泳每30分鐘消耗的能量約175卡熱量；田徑每30分鐘消耗的能量約450卡熱量；籃球每30分鐘消耗的能量約250卡熱量[8]。據(jù)測試，一個人在快跑時，可以產(chǎn)生多達1kW的電能；即使在走路時，也會產(chǎn)生幾瓦到幾十瓦的電能。[9]

通過上面的舉例，可以看到學生經(jīng)常參加的運動項目均產(chǎn)生不同數(shù)值的“人體能”的消耗。對這一部分“人體能”加以合理的利用，將會為我們?nèi)粘Ｉ钐峁└嗟墓?jié)能措施和環(huán)保手段。

2.2.4 高校人口密集成為“人體能”收集的數(shù)量基礎

高校人口密度大，人口數(shù)量多，且人居住、學習、運動等形式相對集中。高校人口密集的地區(qū)為我們開發(fā)研究“人體能”提供了能源收集基礎。在體育課上，當學生聚在一起進行身體運動，他們運動共同產(chǎn)生的機械能、重力勢能、熱能的總量就多。在不影響體育課程的情況下，通過合理的技術可以把部分“人體能”轉(zhuǎn)換成其他形式能量。因此，高校是一個很適合集中收集人體能量的場所，學生的運動場地成為我們收集零散的運動能的最佳場所，可以讓我們更有效、更快捷、更多的收集人體消耗掉的“人體能”。高校為“人體能”的規(guī)?；锰峁┠茉椿A。

2.2.5 高校對學生參加體育運動有強制要求

體育課程作為高校體育的基本形式是強制要求健康學生參加的，而且高校學生還要接受體質(zhì)健康標準的測試，甚至體育測試成績的好壞直接關系到學生的考評，所以在高校中學生參加體育鍛煉不僅有自己興趣愛好的原因，也有教育法規(guī)和教育評價等現(xiàn)實壓力，學生必須參加高校安排的各種形式的體育活動，這就為以高校為單位研究、收集人體能提供了組織形式上的保障。

2.3 以高校體育為基礎收集“人體能”的方式研究

在學校體育課程中，學生的運動形式主要有體能類的走、跑、跳、投和體現(xiàn)身體綜合素質(zhì)的球類、形體類項目。這些項目都是以身體對外做功改變身體姿勢、重心和位置，并以機械能(主要是動能)、重力勢能和熱能的形式進行消耗。因此，在學校體育中，可以從機械能、重力勢能和熱能三個方式進行收集利用。

2.3.1 機械能方式收集轉(zhuǎn)換“人體能”

人體運動產(chǎn)生的機械能常常包括動能，也包括部分勢能。物體由于運動而具有的能叫做動能，一切運動的物體都具有動能。而動能通過直接轉(zhuǎn)換或通過能量收集裝置再轉(zhuǎn)換，把人體運動的機械能轉(zhuǎn)換成為電能或其他可利用能源。

一個比較成熟的成果就是，先將人產(chǎn)生的機械能通過收集站收集起來，然后通過能量轉(zhuǎn)換站把機械能轉(zhuǎn)換成我們可以利用的電能。如：在傳統(tǒng)的健身器上加裝了一個發(fā)電機。人在鍛煉的時候，通過推拉，帶動發(fā)電機工作。為了讓一般人的推拉動作，達到帶動發(fā)電機的效果，科研人員增設了一個“增速機構”，通過這些設備可以輕松讓一個人帶動發(fā)電機[10]。

學校體育中，運動者運動時間越長、強度越大，參與運動的人數(shù)越多，則釋放的能量就越多。在學校體育場館和健身器材上安裝這樣的能量收集站，可以較為高效的收集到人體能。美國桑托斯公司是比較早的利用人體的機械能來發(fā)電，該公司就是在超級市場地下室安裝了這樣一套能量收集器、連接器、轉(zhuǎn)換器等裝置，由于每天顧客很多，每年可以為該公司提供很大一部分電力。傳統(tǒng)利用人體做功的方式還有慣性能量-動能和勢能的利用，如在傳統(tǒng)的慣性手表里，利用手臂的運動使手表獲得運轉(zhuǎn)的能量。

2.3.2 重力勢能方式收集“人體能”

當一個人在運動時，會產(chǎn)生重心的改變，身體上下跳躍，就可帶來持續(xù)的重力能，當然這種重力勢能的產(chǎn)生和變化也是身體的機械動能作用的結果。采用特制的重力轉(zhuǎn)換器，把重力能轉(zhuǎn)換成電能，可以進行能量收集。

例如，人的走動、跑跳，要克服身體的重量進行做功。利用人體重量的重力勢能，就可在人的腳下安裝特殊裝置，在走、跑、跳的過程中，產(chǎn)生能量。如在鞋底設置齒輪傳動機構，將足底向下的動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量，再帶動電磁發(fā)電機產(chǎn)生電能。在鞋底和鞋尖設置兩個液壓或氣壓腔，在液壓或氣壓腔相連處設置渦輪，人行走時液體或氣體流動帶動渦輪旋轉(zhuǎn)從而帶動發(fā)電機[11]。在體育課程中，利用類似的裝置就可以高效回收學生身體騰空、上下運動時產(chǎn)生的能量。

美國某公司在行人擁擠的公共場所，安裝能量收集裝置，當行人腳踏踏板時，與踏板相連的搖桿從一個方向帶動中心軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。技術人員還將20塊金屬板鋪在路面上，每一塊板下放置一個儲蓄水的橡皮容器。當人群或汽車通過以后，橡皮容器內(nèi)的水壓出去，產(chǎn)生高速水流，經(jīng)過底下通往路旁的發(fā)電機房，推動水輪發(fā)電機發(fā)電。每當上百人或者一輛重五噸的汽車通過時，就會產(chǎn)生7度的電力[12]。在學校運動場上安裝類似的裝置，就可利用學生的跑跳行動進行發(fā)電。

2.3.3 熱輻射的方式收集“人體能”

熱傳遞，是從高溫的物體向低溫的物體傳遞，這就致使能量產(chǎn)生移動。利用人體運動產(chǎn)生的熱能開發(fā)“人體能”就是利用熱傳遞的原理。人體運動時，總的產(chǎn)熱量最多可比安靜時高出10～15倍，骨骼肌成為主要的產(chǎn)熱器官。運動時體溫升高的程度，同運動強度、持續(xù)時間和運動的環(huán)境氣象條件(水溫、氣溫、風速和空氣濕度)以及運動員的訓練程度等有關。一般情況下，中距離賽跑后腋下溫度可升到37.5℃，長跑后上升到38.5℃，激烈運動時直腸溫度甚至超過40℃，肌肉溫度可達41℃[13]。

人體的正常體溫一般在36℃左右，但人體與自然界的外界溫度存在著一定的溫差。存在溫差，就可利用“塞貝克效應”(又稱作第一熱電效應，它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象)原理設計出實用的發(fā)電電池[13]。據(jù)德國《科學畫報》雜志道，來自德國慕尼黑的一家片研發(fā)企業(yè)研究出一種新電池，由一個可感應溫的硅芯片構成。當這種特殊的硅芯片正面“感受”到的溫度較之背面溫度具有一定溫差時，其內(nèi)部電子就會產(chǎn)生定向流動，從而產(chǎn)生“微量但卻足夠用的電流”。負責研發(fā)這種電池的溫納·韋伯介紹說，“只要在人體與衣服等之間有5℃的溫差，就可以用這種電池為一塊普通的腕表提供足夠的能量?！盵14]其他還有利用運動時產(chǎn)生的靜電等，收集人體能。體育課程可以利用學生體育運動后產(chǎn)生的體溫升高和靜電進行能量收集。

3 結論與建議

伴隨著“人體能”回收技術的進步和系統(tǒng)的成熟 ，學校體育課程中可以利用重力、機械、輻射等方式開發(fā)利用人體能，讓學生在鍛煉身體的同時，節(jié)約、創(chuàng)造能源。在高校體育課程中開發(fā)利用“人體能”回收系統(tǒng)是切實可行的，高校有科技優(yōu)勢，體育課程的參與人數(shù)多、分布密集，人均消耗的能量多，收集方便。學校體育中“人體能”的開發(fā)任重而道遠，有很多理念和技術需進一步完善。

在高校體育課程中引入“人體能”開發(fā)理念，在高校建立研發(fā)“人體能”團隊，由體育、物理、化學、機械、電子等相關領域的專家、學者組成。國家在制定新能源開發(fā)政策和教育部門進行高校體育管理和戰(zhàn)略規(guī)劃時，擬定相關政策和措施，扶持高校體育的“人體能”開發(fā)和利用。高校在進行《國家學生體質(zhì)健康標準》測試時，可以將測試過程中消耗的“人體能”集中進行能量收集。如測試人體持續(xù)工作能力的1000米跑(男)和800米跑(女)；測試爆發(fā)力項目的立定跳遠；測試上肢肌肉力量發(fā)展水平的引體向上等項目，可以利用采集能量的技術和裝備，合理有效利用。甚至可以根據(jù)能量采集需要，重新設計體質(zhì)健康標準的測試項目，以達到更好的“人體能”利用效果。