2 月 3 日，由中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士和清华大学机械工程系程嘉副研究员科研团队的一项研究论文《可收集能量并减少负荷影响的动力背包》（Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact）在 ACS Nano 上发表。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c07498

ACS Nano ( IF 14.588 ) Pub Date : 2021-02-03 , DOI: 10.1021/acsnano.0c07498
Ze Yang; Yiyong Yang; Fan Liu; Zhaozheng Wang; Yinbo Li; Jiahao Qiu; Xuan Xiao; Zhiwei Li; Yijia Lu; Linhong Ji; Zhong Lin Wang; Jia Cheng


远足或进行野外抢救时，经常需要重载长距离行走，这容易造成疲劳累积。在日常生活中还非常需要节省劳力和生物力学的能量来满足扩展的安全和通信需求。在这里，我们报告了一个负载悬挂式背包，用于收集基于摩擦电纳米发电机（TENG）的人体运动的浪费能量。背包中结合了两种弹性体，以使负载和人体的同步运动解耦，从而几乎没有或没有额外的加速力。通过这样的设计，通过理论分析和现场实验，该背包可以分别使负载的垂直振动减小28.75％，对穿着者的垂直力减小21.08％。与此同时，在正常的步行条件下，对机械到电能的转换效率进行建模并计算为14.02％。设计的背包具有省力，减震和发电的优点，有望成为小型可穿戴和便携式电子设备，GPS系统以及其他自供电医疗传感器的电源。（来源： X-MOL 学术）

以下详细的图解摘自: DeepTech深科技
这是一款会发电的背包，全名叫“悬浮式” 能量收集与减负背包。　　图 | “悬浮式” 能量收集与减负背包（来源：程嘉）
　　图 | 背包结构的三维动画（来源：程嘉）
　　图 | 相关实验（来源：程嘉）
　　负载悬浮式背包的主要功能是收集人体运动机械能、并进行发电，其产生的交流电转变为直流电后，可为功率较低的电子产品如 LED 灯、电子表等供电。
　　路遥且累，悬浮背包来减负
　　背包的主要材料是亚克力板，他们使用激光切割机制造出一个长 420 mm、宽 300 mm、厚 5 mm 的矩形底板，底板上有多个用于固定构件的激光通孔。
　　图 | 背包主要构件（来源：程嘉）
　　此外，两条直线滑轨和滑块，对称地固定在底板两侧；背包的电极片有三层，一层在底板上，另两层分布在中板两侧；为把中间板固定在底板上，他们使用了四个压缩弹簧和四个长螺栓。
　　电极片是实现发电的关键零件，它的制作方法是：首先在 232×185×2mm 的矩形亚克力板上，雕刻一个 2mm 等宽的弯曲凹槽，并用四个突出的耳固定；其次在亚克力板上覆盖一层 0.065mm 厚的矩形铜膜；然后沿着凹槽边线切割铜膜，使之形成两组独立的光栅式铜电极；最后，将厚度为 0.025mm 的尼龙薄膜粘附在铜电极上。
　　图 | 相关零件（来源：程嘉）
　　程嘉告诉 DeepTech，2018 年底最初立项该研究，是因为联想到 2008 年汶川地震时的新闻报道，当时进入灾区的路桥全部被阻断，车和直升机很难进入灾区，只能靠救援队员背负几十公斤重的物资徒步行进十余公里。
　　除救援物资外，为保证通信、照明、搜救等设备的供电，救援人员还需背负 7、8 公斤重的锂离子电池，这会占用背包中救援物资的宝贵空间。基于此，他们想为救援人员、消防员、探险家、背包客、行军士兵和学生等群体，发明一种既能减重又能发电的背包。
　　据程嘉介绍，本次研究基于王中林于 2012 年首次开发的摩擦纳米发电机技术（Triboelectric nanogenerator, 简称 TENG）。王中林也曾表示：“ TENG 不仅可以用于自供能便携式电子产品，而且还可以作为一种新能源技术，在不久的将来有可能为世界能源做出贡献。”
　　几年后，王中林的 “预言” 实现在该背包中。其发电原理具体为：由于行走姿态、步幅和身高等三大因素，行走过程中人体重心会上下起伏 5-7 厘米。
　　这些上下起伏是无用功，不仅消耗体力、还会给肩部背部等带来冲击力。特别是在奔跑时，向下冲击力会达到重物本身重量的三倍左右。而这种冲击力，在人长时间行走时，会大大加速肌肉疲劳。
　　图 | 步态分析（来源：程嘉）
　　由于人的行走是一个倒立摆，即髋关节在腿上沿着一个弧线前行，垂直偏移 5-7 厘米。因此本次研究的主旨，是在走路或奔跑中让重物和人背的部分、也就是基板产生一个相对运动，从而减小重物本身的浮动、甚至把其降为零，这能起到减震器作用。如此，不仅能减少无用功，还可避免对人体垂直方向的冲击力。
　　图 | 人的行走实际上是一个倒立摆（来源：程嘉）
　　为节省劳力、以及吸收冲击力，该团队在背包中引入弹性绳和定滑轮组机构，它们可用来解耦人体和背包的同步运动，通过弹性绳的伸展与收缩，可使背包在行走中保持相对稳定，最终佩戴者受到的冲击力可降低约 20％。
　　背包的结构示意图如下所示，它有两种工作模式：锁定模式和解锁模式。在锁定状态下，背包与人体刚性连接，这时它相当于传统背包；在解锁状态下，通过两个嵌入式弹性体的伸缩，背包可与人体实现同步运动解耦，这时它变为发电背包。
　　图 | 背包的结构和工作原理（来源：程嘉）
　　程嘉表示，背包采用的是独立摩擦材料层式 TENG 结构，其中的摩擦纳米发电机，主要利用两种常见物理效应：摩擦起电和静电感应。在运动时，发电机可把背包与人体间的相对运动产生的机械能，转换为电能即交流电。
　　在发电机的两摩擦材料层中，一层易失电子，另一层易得电子。在相互摩擦时，由于材料的摩擦电负性不同，其表面可形成积累性的正负电荷，并在两者之间形成静电场。
　　由于静电感应的作用，栅格式两组金属电极表面的电荷得到重新分布，并在两电极间形成电势差，当外接到负载电路、如电灯时就会发生电荷转移，最终可表现为电路中产生电流。
　　图 | 摩擦起电（来源：程嘉）
　　在该方式下，机械能转化为电能的能量转化效率为 14.02 %。
　　图 | 背包在不同驱动频率和施加载荷下的位置和力（来源：程嘉）
　　如下图，电能经过电源管理单元（PMU）的处理，单层电极产生的短路电流、和开路电压分别为 60μA 和 1.5kV，足以点亮 210 个 LED 灯和两根紫外灯管等。
　　图 | 点亮 LED 灯和紫外灯管（来源：程嘉）
　　此外，在测试中，当佩戴者在跑步机上行走或跑步时，背包上的 LED 灯会亮起，行走速度越快，LED 亮度越高。
　　图 | 在跑步机奔跑可让背包发光（来源：程嘉）
　　概括来说，基于负载悬浮技术和摩擦纳米发电机，该背包兼具省力、减震和发电三大优点。此外，适当增加负荷和加快步行速度，都有助于省力和减震。
　　程嘉坦言，他们并非发电背包的首创者。2006 年，宾夕法尼亚大学 Rome 团队已发明出利用电磁发电机的减重背包。
　　不过，王中林和程嘉团队首次把摩擦纳米发电机和减重背包结合在一起，在低频运动条件下，摩擦发电的能量收集方式更具优势。
　　图 | 背包在自发电（来源：程嘉）
　　在研究中，他们也克服了两个关键难题。
　　第一是减震技术和摩擦发电的结合。一方面要省力，即让动子和定子之间尽可能顺滑地运动；另外摩擦压力越大，发力效果越好，电压也越高。如此来看，这两方面存在一定矛盾。因此，在结构设计上，要兼顾两者间的影响。为此他们优化参数设计，省力的同时还能达到预期发电功率。
　　第二是设置效能评价系统。人在背包时每次生成的数据都不一样，为此该团队从实验模式上下功夫，用水平运动代替竖直运动，然后在旁边绑上砝码，并增加距离传感器、力传感器、电学参数测定仪器等，以此来实现运动的精准控制。  


来源： X-MOL 学术 ，DeepTech深科技