清華新聞網(wǎng)2月7日電 近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系智能與生物機(jī)械團(tuán)隊(duì)與中科院北京納米能源和系統(tǒng)研究所團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)出一種新型“懸浮式”能量收集與減負(fù)背包，該背包能夠利用彈性材料體和定滑輪組機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)背包重物與人體協(xié)同運(yùn)動(dòng)的解耦，輸出持續(xù)不斷的電能，為隨身低功率電子元器件供電。
作為一種便攜式儲(chǔ)物裝置，背包非常適合日常活動(dòng)或旅行，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)用于日常生產(chǎn)生活中。然而，傳統(tǒng)普通背包在使用過(guò)程中存在一個(gè)通性問(wèn)題，即背包中重物會(huì)隨著人體走路或跑步等重心上下起伏的運(yùn)動(dòng)而一起上下耦合浮動(dòng)，重物的上下浮動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致無(wú)用功的產(chǎn)生，消耗人體能量，產(chǎn)生累積性疲勞，當(dāng)重物達(dá)到一定重量時(shí)，甚至?xí)?yán)重影響人體的運(yùn)動(dòng)。從事野外或偏遠(yuǎn)地區(qū)的探險(xiǎn)、科考、訓(xùn)練及救援等任務(wù)時(shí)，身上便攜式電子器件的能量來(lái)源一般是儲(chǔ)能電池，但其有限的電能和壽命是制約其使用的主要因素。
背包發(fā)電采用的滑移式TENG模型
分析上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果在背包與重物兩者之間加裝彈性減震裝置，則可減小背包行走產(chǎn)生的重物與背包兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得重物相對(duì)于地面的位姿穩(wěn)定，“懸浮”停于空中。不但可以降低負(fù)重的不適感，同時(shí)，重物與背包之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)則可以直接驅(qū)動(dòng)基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator，簡(jiǎn)稱(chēng)TENG）的電能產(chǎn)生單元，輸出持續(xù)不斷的電能，為低功率電子元器件供電。
清華機(jī)械系智能與生物機(jī)械團(tuán)隊(duì)提出“懸浮式”能量收集與減負(fù)背包的電能產(chǎn)生單元是基于TENG原理，即摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，據(jù)背包發(fā)電采用的滑移式TENG模型顯示：聚氯乙烯（PVC）薄膜在尼龍（Nylon）薄膜上滑動(dòng)，因兩種材料的摩擦電負(fù)性不同，PVC薄膜上會(huì)帶負(fù)電荷，Nylon薄膜上會(huì)帶正電荷，因此在兩薄膜間會(huì)形成靜電場(chǎng)；在靜電感應(yīng)作用下，粘附于Nylon薄膜下的柵格式兩組金屬電極表面電荷會(huì)重新分布，在兩組電極之間形成電勢(shì)差；當(dāng)外接入負(fù)載（如電燈）后，電子會(huì)在電勢(shì)差作用下通過(guò)電燈使其發(fā)光，即有電流通過(guò)外負(fù)載電路，產(chǎn)生電能。PVC薄膜在Nylon薄膜上來(lái)回運(yùn)動(dòng)會(huì)使靜電場(chǎng)不斷交替變化，金屬電極兩端的電勢(shì)差也在不斷變化，最終表現(xiàn)為外負(fù)載的電路中產(chǎn)生交流電。而提供給讓PVC薄膜運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力正是背包與人體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
另外，因背包重量和步行速度的差異性，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)不同的步速和重物質(zhì)量?jī)煞N條件下的減重與減震效果進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)步行速度越快和適當(dāng)增加重物質(zhì)量，負(fù)載沖擊力越小，減重減震效果越好。
能量背包的原型樣機(jī)
通過(guò)對(duì)背包原型樣機(jī)的一系列實(shí)驗(yàn)探究，研究團(tuán)隊(duì)證明了其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的功能，即能夠使得穿戴者在步行或者跑步過(guò)程中，減小背負(fù)力，降低震動(dòng)，同時(shí)能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，能夠?yàn)榈凸β孰娮釉骷╇?，如?qū)動(dòng)210個(gè)或者更多商業(yè)LED燈、低功率電子表和熒光燈管等。
據(jù)測(cè)算，該新型背包不僅能夠降低背負(fù)力約20%和減少振動(dòng)約28%，同時(shí)還能提供瞬時(shí)功率密度約為58W/m2的電能輸出和約14%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“Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact”為題于2021年2月3日在國(guó)際期刊ACS Nano上在線(xiàn)發(fā)表。
背包系統(tǒng)原理圖
背包系統(tǒng)工作模式為鎖緊和非鎖緊兩種狀態(tài)。據(jù)背包系統(tǒng)原理圖所示，在鎖緊狀態(tài)下，該背包和傳統(tǒng)背包一樣，背包與人體沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而在非鎖緊狀態(tài)下，背包在對(duì)稱(chēng)分布于背包底板兩側(cè)的彈性繩和定滑輪組以及直線(xiàn)滑軌共同作用下，產(chǎn)生相對(duì)于人體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨后相對(duì)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電能產(chǎn)生單元TENG交流電，經(jīng)過(guò)電源管理模塊（Power management unit, 簡(jiǎn)稱(chēng)PMU）整流后變成直流電，為低功率電子器件供電。
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(wèn)題與挑戰(zhàn)。不過(guò)，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、野外科考人員以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的救援人員等都會(huì)帶來(lái)不一樣的背負(fù)體驗(yàn)和持續(xù)不斷的電能來(lái)源。
清華大學(xué)為論文第一單位，第一作者為中國(guó)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期刊網(wǎng)站頭條推薦，入選其Embargo Program項(xiàng)目，并被EurekAlert（美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）旗下）、ScienceDaily、SCIENMAG、NewScientist、New Atlas等12家國(guó)際科技新聞網(wǎng)站和Twitter、Facebook等社交媒體第一時(shí)間宣傳報(bào)道，還被NewScientist的技術(shù)板塊以頭條新聞報(bào)道，AltmetricAttention Score當(dāng)前關(guān)注度為133。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07498
供稿：機(jī)械系
編輯：溫興煜
審核：田姬熔
