背包，作為一種便攜式儲物裝置，因其顯著解放人手的自由，提升人體帶載能力等優(yōu)點，被廣泛應用于我們的日常生產(chǎn)生活中。然而，普通背包都有一個共性的問題，就是其所背負的重物會隨著人行走、奔跑等重心上下起伏的運動而一起耦合上下浮動，這樣重物的上下浮動必然會導致無用功的產(chǎn)生，消耗人體能量，產(chǎn)生累積性疲勞，甚至當重物達到一定重量時，會嚴重影響人體的運動。
同時，人體運動是以脂肪燃燒產(chǎn)生熱能的形式對外釋放能量，這部分能量叫作生物質(zhì)能，如果能夠探索一種能量轉(zhuǎn)化裝置，用于將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為可用的能量如電能等，積少成多，對未來能量來源的探尋研究有著重要意義。另外，基于摩擦生電和靜電感應的機械能向電能轉(zhuǎn)換的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator，簡稱TENG）技術(shù)研究方興未艾。它能夠高效、便捷地將低頻運動如行走、奔跑等中的生物機械能轉(zhuǎn)化為電能，以進行能量收集，這種無源式能量收集與存儲技術(shù)對于未來便攜式可穿戴設(shè)備開發(fā)、長時間負重旅行、野外生存訓練等都有廣闊的技術(shù)需求與應用前景。
近日，由中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林院士與清華大學機械工程系程嘉副研究員領(lǐng)導的科研團隊研發(fā)出了一種新型“懸浮式”能量收集與減負背包。該背包巧妙利用彈性材料體和定滑輪組以及直線滑軌機構(gòu)實現(xiàn)背包重物與人體協(xié)同運動的解耦，在兩者之間產(chǎn)生相對運動，使得背包重物相對于地面的位姿穩(wěn)定，即似乎“懸浮”停于空中；隨后相對運動直接驅(qū)動基于摩擦納米發(fā)電機的電能產(chǎn)生單元，可持續(xù)不斷地輸出電能，為低功率電子元器件供電。該新型背包不僅能夠降低21.08 % 的背負力和減少28.75 % 的振動，同時還能夠提供瞬時功率密度為58.82 W/m2 的電能輸出和實現(xiàn)14.02 % 的機械能向電能轉(zhuǎn)化的能量轉(zhuǎn)化率。相關(guān)研究論文以題為“Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact”于2021年2月3日在國際期刊ACS Nano上在線發(fā)表。
圖1 背包結(jié)構(gòu)和原理圖。a.背包輸出電能與應用。b.背包結(jié)構(gòu)爆炸示意圖。c.背包采用滑移式TENG模式對外輸出電能。d. 滑移式TENG工作原理。
圖2 人體步態(tài)分析與模擬測試系統(tǒng)。 a.單步態(tài)周期中質(zhì)心的運動軌跡。b.單步態(tài)周期中下肢的步態(tài)姿勢。c.走路的倒立擺模型。d. 腿長、步幅同質(zhì)心上浮距離間的關(guān)系圖。e.模擬試驗系統(tǒng)。
圖3 電能輸出與功率計算。 a.電能輸出原理圖。b.單個TENG的等效模型圖。c.功率負載曲線圖。d-e.電容充放電電壓參數(shù)圖。f.運動等效模型圖。g.省力機構(gòu)等效模型圖。h.相對運動位移圖。g.柵格式電極參數(shù)圖。
圖4 電能應用與現(xiàn)場實驗。 a.實驗裝置輸出電能圖。b.電能點亮LEDs圖。c.電壓足夠高驅(qū)動紫外燈管圖。d.相對位移激光測距圖。f.背包初始樣機示意圖。g-h.負載不載入和載入產(chǎn)生電能示意圖。
團隊提出了一種新型“懸浮式”能量收集與減負背包，該背包兼具減負、減振和能量收集功能。背包利用彈性繩索和定滑輪機構(gòu)實現(xiàn)了背包與人體的運動解耦，兩者之間可產(chǎn)生相對滑動，用以直接驅(qū)動電能生成單元產(chǎn)生電能。背包可實現(xiàn)減少21.08 % 的背負力和28.75 % 的振動，同時能夠產(chǎn)生功率密度為58.82 W/m2 的電能輸出和14.02 % 的能量轉(zhuǎn)化率，可以驅(qū)動LEDs，電子表和紫外燈管等低功率便攜式和可穿戴電子元器件。當前研究成果僅驗證了該技術(shù)的可行性，仍然面臨輕量化、發(fā)電效能、電源管理等諸多問題與挑戰(zhàn)。不過，研究團隊相信隨著研究的進一步深入，這款背包必將有更廣泛的應用前景，對上學的孩子、遠足旅行的背包客、消防隊員、野外的科考人員以及偏遠地區(qū)的救援人員等都會帶來不一樣的背負體驗和持續(xù)不斷地電能來源。
清華大學為論文第一單位，第一作者為中國地質(zhì)大學（北京）博士研究生楊澤（聯(lián)合培養(yǎng)）。論文發(fā)表當日被ACS Nano網(wǎng)站頭條推薦，入選Embargo Program項目，并被EurekAlert（美國科學促進會（AAAS）旗下）、Science Daily、SCIENMAG、New Scientist、New Atlas等12家國際科技新聞網(wǎng)站、Twitter、Facebook等媒體第一時間宣傳報道，并被New Scientist的技術(shù)板塊以頭條新聞報道，Altmetric Attention Score當前關(guān)注度為133。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07498
