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机械系智能与生物机械团队提出“悬浮式”能量收集与减负背包

背包,作为一种便携式储物装置,因其显著解放人手的自由,提升人体带载能力等优点,被广泛应用于我们的日常生产生活中。然而,传统普通背包在使用过程中有一个通性问题,即背包中重物会随着人体走路或跑步等重心上下起伏的运动而一起上下耦合浮动,重物的上下浮动必然会导致无用功的产生,消耗人体能量,产生累积性疲劳,当重物达到一定重量时,甚至会严重影响人体的运动。从事野外或偏远地区的探险、科考、训练及救援等任务时,身上便携式电子器件的能量来源一般是储能电池,但其有限的电能和寿命是制约其使用的主要因素。

基于以上问题的分析与发现,机械系智能与生物机械团队与中科院北京纳米能源与系统研究所团队合作开发出一种新型“悬浮式”能量收集与减负背包,该背包利用弹性材料体和定滑轮组机构实现背包重物与人体协同运动的解耦,在两者之间产生相对运动,使得背包重物相对于地面的位姿稳定,即似乎“悬浮”停于空中;随后相对运动直接驱动基于摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,简称TENG)的电能产生单元,输出持续不断的电能,为低功率电子元器件供电。该新型背包不仅能够降低背负力约20 %和减少振动约28 %,同时还能够提供瞬时功率密度约为58 W/m2的电能输出和约14 %的机械能向电能转化的能量转化率。相关研究论文以“Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact”为题于2021年2月3日在国际期刊ACS Nano上在线发表。

http://www.r43.3834583.com/10.1021/acsnano.0c07498

图1 背包系统原理图

背包系统工作模式为锁紧和非锁紧两种状态。如图1背包系统原理图所示,在锁紧状态下,背包和传统背包一样,背包与人体没有相对运动;在非锁紧状态下,背包在对称分布于背包底板两侧的弹性绳和定滑轮组以及直线滑轨共同作用下,产生相对于人体的相对运动,随后相对运动驱动电能产生单元TENG产生交流电,经过电源管理模块(Power management unit, 简称PMU)整流后变成直流电,为低功率电子器件供电。

背包的电能产生单元是基于TENG原理,即摩擦起电和静电感应的耦合效应,正如图2所示的背包发电采用的滑移式TENG模型:聚氯乙烯(PVC)薄膜在尼龙(Nylon)薄膜上滑动,因两种材料的摩擦电负性不同,PVC薄膜上会带负电荷,Nylon薄膜上会带正电荷,因此在两薄膜间会形成静电场;在静电感应作用下,粘附于Nylon薄膜下的栅格式两组金属电极表面电荷会重新分布,在两组电极之间形成电势差;当外接入负载(如电灯)后,电子会在电势差作用下通过电灯使其发光,即有电流通过外负载电路,产生电能。PVC薄膜在Nylon薄膜上来回运动会使静电场不断交替变化,金属电极两端的电势差也在不断变化,最终表现为外负载的电路中产生交流电。而提供给让PVC薄膜运动的动力正是背包与人体的相对运动。

图2 背包发电采用的滑移式TENG模型

另外,因背包重量和步行速度的差异性,研究团队还对不同的步速和重物质量两种条件下的减重与减震效果进行了探究,发现步行速度越快和适当增加重物质量,负载冲击力越小,减重减震效果越好。

图3 能量背包的原型样机

通过对背包原型样机的一系列实验探究,研究团队证明了其能够实现预设的功能,即能够使得穿戴者在步行或者跑步过程中,减小背负力,降低震动,同时能够将运动的机械能转换为电能,能够为低功率电子元器件供电,如驱动210个或者更多商业LED灯、低功率电子表和荧光灯管等。

当前研究成果仅验证了该技术的可行性,仍然面临轻量化、发电效能、电源管理等诸多问题与挑战。不过,研究团队相信随着研究的进一步深入,这款背包必将有更广泛的应用前景,对上学的孩子、远足旅行的背包客、消防队员、野外科考人员以及偏远地区的救援人员等都会带来不一样的背负体验和持续不断的电能来源。

清华大学为论文第一单位,第一作者为中国地质大学(北京)博士研究生杨泽(联合培养)。论文发表当日被ACS Nano期刊网站头条推荐,入选其Embargo Program项目,并被EurekAlert(美国科学促进会(AAAS)旗下)、ScienceDaily、SCIENMAG、NewScientist、New Atlas等12家国际科技新闻网站和Twitter、Facebook等社交媒体第一时间宣传报道,还被NewScientist的技术板块以头条新闻报道,Altmetric Attention Score当前关注度为133。



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