背包在人們的生活中可謂不可或缺，除了用于日常用品的收納，背包在徒步旅行、野外救援以及體能訓(xùn)練中都是必需品。而在這些情況下，背上必要的物品后，有時(shí)長時(shí)間負(fù)重前行，會(huì)讓人們苦不堪言。

近日，由中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林院士與清華大學(xué)機(jī)械工程系程嘉副研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種新型背包原型，這種背包不僅可以將“背包客”們的負(fù)重感覺減輕 20％ 左右，還可以在人體運(yùn)動(dòng)過程中收集能量并為小型電子設(shè)備供電。這種新型背包對于身處偏遠(yuǎn)地區(qū)而又沒有電源的探險(xiǎn)家和救災(zāi)人員等可能尤其有用。相關(guān)研究論文以 “Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact” 為題，于 2 月 3 日發(fā)表在科學(xué)期刊 ACS NANO 上。

圖 | 背包示意圖（來源：ACS NANO）

負(fù)重前行？不存在的

人們應(yīng)該都有過這樣的體驗(yàn)：長時(shí)間背著較重的背包走路或跑步讓人疲憊不已，背部頸部也往往疼痛不已。那么，如何幫助人們減輕負(fù)擔(dān)，從此不再“負(fù)重前行”？要搞清楚這個(gè)問題，我們首先需要了解為什么人們背著背包行走會(huì)感覺疲憊。實(shí)際上，人類行走可以看作是一個(gè)倒立擺，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)路線呈弧形，與大腿的垂直偏移大概為 5?7 厘米。在運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的背包由于與人的身體固定連接，會(huì)與人體的擺動(dòng)步調(diào)一致，這就導(dǎo)致背包產(chǎn)生額外加速度并作用于人體（或者慣性變大）。

圖 | 人行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿勢，紅色虛線是一個(gè)步行周期中的身體重心移動(dòng)軌跡。（來源：ACS NANO）在此次工作中，研究人員致力于提升背包的減重、減震效果。他們在背包中對稱加入了兩根可以伸縮的彈性材料體，背包在穿戴者行走時(shí)可以不隨人體運(yùn)動(dòng)，從而保持相對地面的位姿穩(wěn)定。在行進(jìn)中，背包由于慣性會(huì)對人體產(chǎn)生數(shù)倍于負(fù)重的沖擊力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)這一設(shè)置使得背包對佩戴者的峰值作用力降低了約 20％。此外，他們還探索了負(fù)載重量和步行速度與減重、減震效果之間的聯(lián)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，步行速度越快，負(fù)載沖擊力越小，減重、減震效果越好。

驚喜之處：還能“為你發(fā)電”

此次研究工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于，這種背包還能解決另外一個(gè)問題 —— 在荒野或較落后地區(qū)，背包客們可能需要一種可供電設(shè)備，以便在旅途中應(yīng)對無電源情況，研究人為這種背包裝配了一種名為摩擦電納米發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerator，TENG）的裝置，使得背包可以收集人體步行產(chǎn)生的機(jī)械能，來為便攜式電子設(shè)備或健康監(jiān)測傳感器供電。TENG 作為一種能量產(chǎn)生單元，在其內(nèi)部電路中，由于摩擦起電和靜電感性的耦合效應(yīng)，兩個(gè)摩擦電極性不同的材料薄層之間摩擦?xí)l(fā)生電荷轉(zhuǎn)移形成靜電場，在靜電感應(yīng)作用下，使得粘附于材料薄膜下的兩個(gè)金屬電極表面的電荷重新分布，兩電極間形成一個(gè)電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅(qū)動(dòng)下會(huì)在電極之間或者電極與地之間流動(dòng)，從而來平衡這個(gè)電勢差。TENG 的動(dòng)力源既可以是已被人們認(rèn)識(shí)的風(fēng)力、水力、海浪等能源，也可以是人的行走、身體的晃動(dòng)、手的觸摸等從沒被人們注意過的環(huán)境隨機(jī)能源，甚至是是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器的轟鳴振動(dòng)等等。將彈性體和定滑輪組結(jié)構(gòu)應(yīng)用于背包之中后，負(fù)載和背包之間存在相對運(yùn)動(dòng)，這就能夠直接驅(qū)動(dòng) TENG 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。實(shí)驗(yàn)中，研究人員將 210 個(gè) LED 燈連接到背包，發(fā)現(xiàn)能夠成功持續(xù)點(diǎn)亮，且測得其能量轉(zhuǎn)換效率為 14.02%，瞬時(shí)功率密度為 58.82W/m2。因此，可以說是一種很有前途的能量收集裝置，通過在行走過程中收集振動(dòng)能量來為一些低功率的電子設(shè)備供電。

圖 | 背包示意圖。TENG 產(chǎn)生的交流電通過電源管理單元（PMU）變?yōu)橹绷麟?，可以為較低功率電子產(chǎn)品（比如圖中的 LED 燈）供電（來源：ACS NANO）

背包革命：一直在路上

實(shí)際上，此次研究團(tuán)隊(duì)為背包減重的想法并非首次，此前也已經(jīng)有一些嘗試和產(chǎn)品被制作出來。例如 2018 年美國一家公司就發(fā)明了一款名為 Hoverglide 的背包，也可以顯著減輕負(fù)重。

圖 | Hoverglide 背包另外，TENG 也是此次研究團(tuán)隊(duì)的 “老朋友” 了，早在 2018 年，王中林院士團(tuán)隊(duì)就曾發(fā)表過一篇有關(guān) TENG 的論文，稱這種能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的小型設(shè)備是新時(shí)代能源的最佳選擇之一。

在此次的發(fā)明中，研究人員更是則將 TENG 應(yīng)用于背包之中，最終，這種背包可以為 LED，電子表和熒光燈管等供電。而且，在相同的條件下，這種背包比傳統(tǒng)背包具有更強(qiáng)的減重減震效果。此外，為了適應(yīng)負(fù)重訓(xùn)練一類的重量需求，這款背包還設(shè)置了兩種模式：上鎖模式與解鎖模式。在上鎖模式下，背包與傳統(tǒng)款式別無二致；在解鎖模式下，才會(huì)有減重和供電功能。當(dāng)然，目前的成果還值得進(jìn)一步研究，正如研究人員所說：一旦克服了諸如提高能量轉(zhuǎn)換效率等挑戰(zhàn)，這款背包的適用性將大大提高。編審：寇建超排版：沈晶參考資料：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c07498https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201802906

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