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，普通背包都有一个共性的问题，就是其所背负的重物会随着人行走、奔跑等重心上下起伏的运动而一起耦合上下浮动，这样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，甚至当重物达到一定重量时，会严重影响人体的运动。
同时，人体运动是以脂肪燃烧产生热能的形式对外释放能量，这部分能量叫作生物质能，如果能够探索一种能量转化装置，用于将生物质能转化为可用的能量如电能等，积少成多，对未来能量来源的探寻研究有着重要意义。另外，基于摩擦生电和静电感应的机械能向电能转换的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，简称TENG）技术研究方兴未艾。它能够高效、便捷地将低频运动如行走、奔跑等中的生物机械能转化为电能，以进行能量收集，这种无源式能量收集与存储技术对于未来便携式可穿戴设备开发、长时间负重旅行、野外生存训练等都有广阔的技术需求与应用前景。
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“悬浮式”能量收集与减负背包。该背包巧妙利用弹性材料体和定滑轮组以及直线滑轨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的电能产生单元，可持续不断地输出电能，为低功率电子元器件供电。该新型背包不仅能够降低21.08 % 的背负力和减少28.75 % 的振动，同时还能够提供瞬时功率密度为58.82 W/m2 的电能输出和实现14.02 % 的机械能向电能转化的能量转化率。相关研究论文以题为“Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact”于2021年2月3日在国际期刊ACS Nano上在线发表。
图1 背包结构和原理图。a.背包输出电能与应用。b.背包结构爆炸示意图。c.背包采用滑移式TENG模式对外输出电能。d. 滑移式TENG工作原理。
图2 人体步态分析与模拟测试系统。 a.单步态周期中质心的运动轨迹。b.单步态周期中下肢的步态姿势。c.走路的倒立摆模型。d. 腿长、步幅同质心上浮距离间的关系图。e.模拟试验系统。
图3 电能输出与功率计算。 a.电能输出原理图。b.单个TENG的等效模型图。c.功率负载曲线图。d-e.电容充放电电压参数图。f.运动等效模型图。g.省力机构等效模型图。h.相对运动位移图。g.栅格式电极参数图。
图4 电能应用与现场实验。 a.实验装置输出电能图。b.电能点亮LEDs图。c.电压足够高驱动紫外灯管图。d.相对位移激光测距图。f.背包初始样机示意图。g-h.负载不载入和载入产生电能示意图。
团队提出了一种新型“悬浮式”能量收集与减负背包，该背包兼具减负、减振和能量收集功能。背包利用弹性绳索和定滑轮机构实现了背包与人体的运动解耦，两者之间可产生相对滑动，用以直接驱动电能生成单元产生电能。背包可实现减少21.08 % 的背负力和28.75 % 的振动，同时能够产生功率密度为58.82 W/m2 的电能输出和14.02 % 的能量转化率，可以驱动LEDs，电子表和紫外灯管等低功率便携式和可穿戴电子元器件。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、野外的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地电能来源。
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网站头条推荐，入选Embargo Program项目，并被EurekAlert（美国科学促进会（AAAS）旗下）、Science Daily、SCIENMAG、New Scientist、New Atlas等12家国际科技新闻网站、Twitter、Facebook等媒体第一时间宣传报道，并被New Scientist的技术板块以头条新闻报道，Altmetric Attention Score当前关注度为133。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07498
