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Matrix预言成真,人真的变成了电池
友绿• 12月23日   来源:友绿公众号   1008
节能 能源

人体的大部分能量是在维持各个器官运转以及人体运动的状态中散发出来的,如果能将这些能量再转化成电能,将是人类应对全球能源危机的另一种出路。有科学研究认为,一个人一生中有1/3以上的能量被白白浪费掉,全世界有60多亿人口,如能将这部分人体生物能开发利用起来,就相当于建造了10座百万千瓦级的核电站。

随着物联网和可穿戴设备的兴起,如何能够摆脱电池,能够找到一种取之不尽的能源,不断为这类小型低耗电的电子设备供电,正成为一个很热门的研究课题。这个课题叫“能量采集技术”。

能量采集的需求正在不断增加,各种各样的研究工作也正在进行,其中一个就是利用人体来为电子设备提供“永”不衰竭的电力。生物力学能量收集器是附着于人类或由人类携带并通过收集运动中的能量来发电的设备。目前,已有多个研究机构从热电、压电到机械运动发电等各个角度创造出多种能量收集器。

 

从步行的人体中收集能量

最近,香港中文大学(CUHK)机械与自动化工程系的廖伟新教授领导的研究团队开发了一种轻巧的基于智能材料的能量收集器,该能量收集器可收集人体运动中的能量,只需步行即可产生取之不尽的、可持续的动力。

具体来说,该设备可以从人类膝盖的运动中捕获生物力学能量,然后将其转换为电能,该电能可以用于为可穿戴电子设备供电,例如计步器,健康监测器和GPS。这项工作已经发表在《应用物理快报》上。

能量收集器设备非常轻巧,仅307克。图片来源:香港中文大学

到目前为止,研究人员已经开发出大型设备来利用人体的运动来发电,例如基于电磁发电机的能量采集器,当人们在跑步机上或骑自行车时,它们可以捕获能量。但是,由于跑步机与人体之间的重量大且相互作用力大,所以这些笨重的装置妨碍了使用者的运动并同时增加了他们的负担。这大大限制了这些设备的广泛使用。为了克服这个问题,由廖教授领导的研究团队提出并开发了一种轻型能量收集器,该能量收集器采用了压电大纤维复合材料并结合了新颖的机械结构。

在膝盖运动期间产生能量的曲柄滑块机构图。图片来源:香港中文大学

 

压电大纤维复合材料是轻质材料,可以在变形下产生电能。能量收集器采用弯曲梁和曲柄滑块机构来捕获行走时人膝盖的运动。然后,所捕获的运动用于使弯曲梁的压电大纤维复合材料片变形,从而在人的膝盖弯曲或伸展时产生电。

廖教授说:“人膝关节的运动范围比其他下肢关节(例如脚踝和臀部)大,这使能量收集器更容易捕捉运动并产生更多的电能。” 当佩戴者以约2-6.5 km / h的速度行走时,由压电大纤维复合材料制成的原型跑步机可产生1.6 mW的平均功率。所产生的电能可有效地为常见的可穿戴电子设备(例如智能手表)供电。此外,原型仅重307克。使用它走路时,佩戴者的新陈代谢成本几乎与不使用该设备行走时的新陈代谢成本相同。与现有的基于电磁发生器的能量采集器不同,基于轻巧的基于智能材料的能量采集器可以从人体运动中捕获能量,而不会增加佩戴者的的负担。该设备有望大大促进生物力学的使用能量收集器。

该设备将适用于登山者和徒步旅行者。如果他们迷失在偏远的山区或没有电网的荒野中,该设备可以从其运动中获取能量并将其转换为电能,从而使佩戴者不断监测其生命体征,知道他们的位置,甚至在他们需要帮助时随时发出SOS信号。目前,研发团队正在致力于通过减少设备的重量和提高能量收集效率来改善收集器的性能。研发团队也计划通过与服装制造商合作将其植入运动服,将该设备商品化。”

香港中文大学的廖教授不是第一个想到通过行走的人体产生电能的。

加拿大皇后大学机械与材料工程和创新实验室的研究人员设计了一个背包,该背包利用了步行者左右运动的能量。让·保罗·马丁(Jean-Paul Martin)和李庆国(Qingguo Li)在英国皇家学会开放科学(Royal Society Open Science)发表的论文中,描述了他们的设计以及他们认为可以使用该设计的方式。

他们设计了一个背包,该背包可以从左右摇摆的身体中捕捉能量。

测试对象佩戴的能量收集背包的后视图。

 

该设备由配重构件附着在摆锤的顶部,摆锤随着人的走路来回摆动-配重使它有更大的动量。摆锤的底端伸入设备两侧的弹簧中,这些弹簧连接到能量收集模块。该设备装在可以放在背包内的框架中。研究人员制造了不同尺寸的设备,以允许产生不同数量的电能。产生更多的电力需要增加摆锤的重量。报告说,当该设备配备9公斤重的设备时,它能够产生足够的电力来为应急信标或GPS手机供电。再增加16公斤的重量即可使设备产生足够的电力来为智能手机供电。

研究人员建议,他们的设备可由科学家或探险家等在偏远地区工作或生活的人使用。他们声称,其设计的优点在于,用户无需参与任何其他发电活动,例如摇动手柄。该设备还需要继续进行优化设计,以减轻重量而不损失发电量。

 

穿衣也能产生能量

穿衬衫这个简单的动作也可以被转化为电能。美国乔治亚理工学院王中林研究员发现,利用氧化锌纳米光纤和芳纶纤维,人体的任何活动都可转化为能源。

由于纳米氧化锌具备其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等,根据特殊的设计,配上绝缘性的新型材料(芳纶纤维正好满足了绝缘性的条件),可以把机械能转换成电能。此项研究正在进行中。

 

短裤也能成为移动电源

英国沃达丰手机公司和南安普敦大学合作研制一种便携式充电器——“短裤和睡袋”,这款充电短裤可捕捉穿戴者移动产生的体能,用于手机充电。

充电短裤的工作原理

 

这种短裤装配着类似泡沫的铁电驻极体智能材料,该材料包含着孔隙,孔隙表面将永久性充电,伴随着人体运动,短裤中智能材料的孔隙大小形状将改变,从而产生电能。

“充电牛仔短裤和睡袋”采用动力和热电技术,短裤充电器装配着类似泡沫的铁电驻极体材料,伴随着穿着者的移动,短裤的铁电驻极体材料被挤压或者变形,从而开始采集人体动能。这些泡沫类型的材料包含着许多孔隙,孔隙的表面能够永久性充电,呈现出压电性和热电性。

压电性通常是指某种材料承受挤压时产生电能,人体运动时对短裤特殊材料产生挤压时,产生一种电流充电效应。伴随着短裤泡沫材料中的孔隙发生变形,短裤便开始充电,形成为手机充电的电流。

同时,充电睡袋也基于“塞贝克效应”采集人体热能,这种效应产生热电性,某些材料当加热或者降温时,可以临时性充电。

对于这种充电睡袋,睡袋织物材料中的热电组件能够监控温度变化情况,睡眠者身体的热量将穿过包含一个多层“功率毯”的模块。这个功率毯包含着聚合物膜和两个半导体,当它受热时能够产生电能。

 

回收人类释放的热能

人体产生甚至是人体释放的能量是可以回收的。在瑞典,每天在斯德哥尔摩中央火车站穿梭的25万旅客释放的热量就足够给一栋楼供暖。“不用打开窗子释放这些热量,我们可以用通风系统把它们收集起来。”琼霍斯特房产公司的卡尔·桑德姆说。这些热量通过简单的管道和泵可以加热循环水和供楼房取暖。

 

人体是安全的能量来源

虽然用电池作为电源的设备是目前最多的方式,但它是一种低效、昂贵、占体积的方法。更严重的是,充电电池有时甚至会发生爆炸。由于这些原因,人们都在寻找新的可靠的能源。而人体本身具有可用的“取之不尽”的能量源,是一种最安全、最方便的能源。

虽然人体供电技术目前还刚刚起步,提取的能量的效率不高,但是这方面已经成为当今研究人员的关键研究领域。随着今后这方面的研究进展,电能产出效率会越来越高,由我们人体“自主供电”而完全不用电池的时代一定会到来。

《黑客帝国》中展示的黑暗情景可能不会成真,但人体却真的可以成为可持续的电源。

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