背包，作為一種便攜式儲(chǔ)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我們的日常生產(chǎn)生活中。然而，普通背包都有一個(gè)共性的問題，就是其所背負(fù)的重物會(huì)隨著人行走、奔跑等重心上下起伏的運(yùn)動(dòng)而一起耦合上下浮動(dòng)，這樣重物的上下浮動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)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(dāng)重物達(dá)到一定重量時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響人體的運(yùn)動(dòng)。
同時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)是以脂肪燃燒產(chǎn)生熱能的形式對(duì)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(duì)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(yīng)的機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator，簡(jiǎn)稱TENG）技術(shù)研究方興未艾。它能夠高效、便捷地將低頻運(yùn)動(dòng)如行走、奔跑等中的生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以進(jìn)行能量收集，這種無源式能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)于未來便攜式可穿戴設(shè)備開發(fā)、長(zhǎng)時(shí)間負(fù)重旅行、野外生存訓(xùn)練等都有廣闊的技術(shù)需求與應(yīng)用前景。
近日，由中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)王中林院士與清華大學(xué)機(jī)械工程系程嘉副研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種新型“懸浮式”能量收集與減負(fù)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)背包重物與人體協(xié)同運(yùn)動(dòng)的解耦，在兩者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得背包重物相對(duì)于地面的位姿穩(wěn)定，即似乎“懸浮”停于空中；隨后相對(duì)運(yùn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)基于摩擦納米發(fā)電機(jī)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(fù)力和減少28.75 % 的振動(dòng)，同時(shí)還能夠提供瞬時(shí)功率密度為58.82 W/m2 的電能輸出和實(shí)現(xiàn)14.02 % 的機(jī)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(yīng)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(duì)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(cè)試系統(tǒng)。 a.單步態(tài)周期中質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡。b.單步態(tài)周期中下肢的步態(tài)姿勢(shì)。c.走路的倒立擺模型。d. 腿長(zhǎng)、步幅同質(zhì)心上浮距離間的關(guān)系圖。e.模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
圖3 電能輸出與功率計(jì)算。 a.電能輸出原理圖。b.單個(gè)TENG的等效模型圖。c.功率負(fù)載曲線圖。d-e.電容充放電電壓參數(shù)圖。f.運(yùn)動(dòng)等效模型圖。g.省力機(jī)構(gòu)等效模型圖。h.相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移圖。g.柵格式電極參數(shù)圖。
圖4 電能應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。 a.實(shí)驗(yàn)裝置輸出電能圖。b.電能點(diǎn)亮LEDs圖。c.電壓足夠高驅(qū)動(dòng)紫外燈管圖。d.相對(duì)位移激光測(cè)距圖。f.背包初始樣機(jī)示意圖。g-h.負(fù)載不載入和載入產(chǎn)生電能示意圖。
團(tuán)隊(duì)提出了一種新型“懸浮式”能量收集與減負(fù)背包，該背包兼具減負(fù)、減振和能量收集功能。背包利用彈性繩索和定滑輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了背包與人體的運(yùn)動(dòng)解耦，兩者之間可產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，用以直接驅(qū)動(dòng)電能生成單元產(chǎn)生電能。背包可實(shí)現(xiàn)減少21.08 % 的背負(fù)力和28.75 % 的振動(dòng)，同時(shí)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(dòng)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(dāng)前研究成果僅驗(yàn)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(tuán)隊(duì)相信隨著研究的進(jìn)一步深入，這款背包必將有更廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)上學(xué)的孩子、遠(yuǎn)足旅行的背包客、消防隊(duì)員、野外的科考人員以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的救援人員等都會(huì)帶來不一樣的背負(fù)體驗(yàn)和持續(xù)不斷地電能來源。
清華大學(xué)為論文第一單位，第一作者為中國地質(zhì)大學(xué)（北京）博士研究生楊澤（聯(lián)合培養(yǎng)）。論文發(fā)表當(dāng)日被ACS Nano網(wǎng)站頭條推薦，入選Embargo Program項(xiàng)目，并被EurekAlert（美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（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(shí)間宣傳報(bào)道，并被New Scientist的技術(shù)板塊以頭條新聞報(bào)道，Altmetric Attention Score當(dāng)前關(guān)注度為133。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07498
