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點，被廣泛應用于我們的日常生產生活中。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生，消耗人體能量，產生累積性疲勞，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生熱能的形式對外釋放能量，這部分能量叫作生物質能，如果能夠探索一種能量轉化裝置，用于將生物質能轉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換的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，簡稱TENG）技術研究方興未艾。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對于未來便攜式可穿戴設備開發、長時間負重旅行、野外生存訓練等都有廣闊的技術需求與應用前景。
近日，由中國科學院北京納米能源與系統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導的科研團隊研發出了一種新型“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實現背包重物與人體協同運動的解耦，在兩者之間產生相對運動，使得背包重物相對于地面的位姿穩定，即似乎“懸浮”停于空中；隨后相對運動直接驅動基于摩擦納米發電機的電能產生單元，可持續不斷地輸出電能，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14.02 % 的機械能向電能轉化的能量轉化率。相關研究論文以題為“Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact”于2021年2月3日在國際期刊ACS Nano上在線發表。
圖1 背包結構和原理圖。a.背包輸出電能與應用。b.背包結構爆炸示意圖。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 人體步態分析與模擬測試系統。 a.單步態周期中質心的運動軌跡。b.單步態周期中下肢的步態姿勢。c.走路的倒立擺模型。d. 腿長、步幅同質心上浮距離間的關系圖。e.模擬試驗系統。
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圖。f.運動等效模型圖。g.省力機構等效模型圖。h.相對運動位移圖。g.柵格式電極參數圖。
圖4 電能應用與現場實驗。 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實現了背包與人體的運動解耦，兩者之間可產生相對滑動，用以直接驅動電能生成單元產生電能。背包可實現減少21.08 % 的背負力和28.75 % 的振動，同時能夠產生功率密度為58.82 W/m2 的電能輸出和14.02 % 的能量轉化率，可以驅動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的可行性，仍然面臨輕量化、發電效能、電源管理等諸多問題與挑戰。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的救援人員等都會帶來不一樣的背負體驗和持續不斷地電能來源。
清華大學為論文第一單位，第一作者為中國地質大學（北京）博士研究生楊澤（聯合培養）。論文發表當日被ACS Nano網站頭條推薦，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家國際科技新聞網站、Twitter、Facebook等媒體第一時間宣傳報道，并被New Scientist的技術板塊以頭條新聞報道，Altmetric Attention Score當前關注度為133。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07498
