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背包在人们的生活中可谓不可或缺,除了用于日常用品的收纳,背包在徒步旅行、野外救援以及体能训练中都是必需品。而在这些情况下,背上必要的物品后,有时长时间负重前行,会让人们苦不堪言。

近日,由中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士与清华大学机械工程系程嘉副研究员领导的科研团队研发出了一种新型背包原型,这种背包不仅可以将“背包客”们的负重感觉减轻 20% 左右,还可以在人体运动过程中收集能量并为小型电子设备供电。这种新型背包对于身处偏远地区而又没有电源的探险家和救灾人员等可能尤其有用。

相关研究论文以 “Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact” 为题,于 2 月 3 日发表在科学期刊 ACS NANO 上。

图 | 背包示意图(来源:ACS NANO)

负重前行?不存在的

人们应该都有过这样的体验:长时间背着较重的背包走路或跑步让人疲惫不已,背部颈部也往往疼痛不已。那么,如何帮助人们减轻负担,从此不再“负重前行”?

要搞清楚这个问题,我们首先需要了解为什么人们背着背包行走会感觉疲惫。实际上,人类行走可以看作是一个倒立摆,髋关节的运动路线呈弧形,与大腿的垂直偏移大概为 5?7 厘米。在运动时,传统的背包由于与人的身体固定连接,会与人体的摆动步调一致,这就导致背包产生额外加速度并作用于人体(或者惯性变大)。

图 | 人行走时的运动姿势,红色虚线是一个步行周期中的身体重心移动轨迹。(来源:ACS NANO)

在此次工作中,研究人员致力于提升背包的减重、减震效果。他们在背包中对称加入了两根可以伸缩的弹性材料体,背包在穿戴者行走时可以不随人体运动,从而保持相对地面的位姿稳定。在行进中,背包由于惯性会对人体产生数倍于负重的冲击力。经过实验,他们发现这一设置使得背包对佩戴者的峰值作用力降低了约 20%。

此外,他们还探索了负载重量和步行速度与减重、减震效果之间的联系。结果发现,步行速度越快,负载冲击力越小,减重、减震效果越好。

惊喜之处:还能“为你发电”

此次研究工作的创新点在于,这种背包还能解决另外一个问题 —— 在荒野或较落后地区,背包客们可能需要一种可供电设备,以便在旅途中应对无电源情况,研究人为这种背包装配了一种名为摩擦电纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)的装置,使得背包可以收集人体步行产生的机械能,来为便携式电子设备或健康监测传感器供电。

TENG 作为一种能量产生单元,在其内部电路中,由于摩擦起电和静电感性的耦合效应,两个摩擦电极性不同的材料薄层之间摩擦会发生电荷转移形成静电场,在静电感应作用下,使得粘附于材料薄膜下的两个金属电极表面的电荷重新分布,两电极间形成一个电势差;在外部电路中,电子在电势差的驱动下会在电极之间或者电极与地之间流动,从而来平衡这个电势差。TENG 的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等能源,也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸等从没被人们注意过的环境随机能源,甚至是是车轮的转动、机器的轰鸣振动等等。

将弹性体和定滑轮组结构应用于背包之中后,负载和背包之间存在相对运动,这就能够直接驱动 TENG 将机械能转换为电能。实验中,研究人员将 210 个 LED 灯连接到背包,发现能够成功持续点亮,且测得其能量转换效率为 14．02%,瞬时功率密度为 58．82W/m2。因此,可以说是一种很有前途的能量收集装置,通过在行走过程中收集振动能量来为一些低功率的电子设备供电。

图 | 背包示意图。TENG 产生的交流电通过电源管理单元(PMU)变为直流电,可以为较低功率电子产品(比如图中的 LED 灯)供电(来源:ACS NANO)

背包革命:一直在路上

实际上,此次研究团队为背包减重的想法并非首次,此前也已经有一些尝试和产品被制作出来。例如 2018 年美国一家公司就发明了一款名为 Hoverglide 的背包,也可以显著减轻负重。

另外,TENG 也是此次研究团队的 “老朋友” 了,早在 2018 年,王中林院士团队就曾发表过一篇有关 TENG 的论文,称这种能够将机械能转化为电能的小型设备是新时代能源的最佳选择之一。

在此次的发明中,研究人员更是则将 TENG 应用于背包之中,最终,这种背包可以为 LED,电子表和荧光灯管等供电。而且,在相同的条件下,这种背包比传统背包具有更强的减重减震效果。

此外,为了适应负重训练一类的重量需求,这款背包还设置了两种模式:上锁模式与解锁模式。在上锁模式下,背包与传统款式别无二致;在解锁模式下,才会有减重和供电功能。

当然,目前的成果还值得进一步研究,正如研究人员所说:一旦克服了诸如提高能量转换效率等挑战,这款背包的适用性将大大提高。