Технології
Технології

Електричний рюкзак зібрав енергію і знизив навантаження на спину

Інженери розробили рюкзак, який за допомогою еластомеру знижує навантаження на спину на 20 відсотків і одночасно збирає електроенергію для заряджання невеликих портативних пристроїв. Трибоелектричні наногенератори збирали енергію під час ходьби та змогли живити світлодіоди, люмінесцентну лампу і навіть електричний годинник. Деталі розробки вчені описали у статті, опублікованій у журналі ACS Nano.

ACS Nano 2021

ACS Nano 2021

Як полегшити життя спині з рюкзаком?

При ходьбі ми інстинктивно нахиляємося вперед, однак під час переставлення ніг, трохи «підскакуємо» вгору-вниз. І якщо нашій спині додати ще додаткове навантаження, наприклад, рюкзак, то під час цих підскакувань, реальне навантаження збільшиться не лише через вагу рюкзака, а і через інерційну складову. Раніше дослідження повідомляли, що еластичні кріплення є менш ефективними, ніж звичайний рюкзак. Однак пізніше вчені дійшли висновку, що використовуючи гумові стрічки для підвішування вантажу, гнучкий рюкзак може бути навіть більш ефективним, ніж рюкзак із «заблокованим» вантажем — головне зберігати баланс і тоді підвішений вантаж діятиме як амортизатор, що зменшує інерційний вплив на людину.

Однак такий спосіб зменшення інерційної сили все ж залежить від фізичних властивостей рюкзака і частоти кроків його носія: власна частота рюкзака повинна бути значно меншою, ніж частота кроків, щоб максимально послабити коливання вантажу. А тому потрібно було б носити або навантаження великої маси з пружиною низької жорсткості для зниження власної частоти «коливань», або йти швидше чи навіть бігти, щоб отримати високу частоту кроків і компенсувати вплив. У своїй роботі вчені спробували роз’єднати інерційний зв’язок носія вантажу з його вантажем за допомогою еластомерів.

NAUKA.UA

Як заряджають телефон ходьбою?

З швидким розвитком переносної електроніки, батареї вже не можуть задовольнити потреби в енергії через обмежений термін служби, ємність та шкідливий вплив на навколишнє середовище. Втім, вчених вже давно привертає використання енергії іншого походження: механічної, сонячної, геотермальної та хімічної. Зокрема, перетворення механічної енергії в електрику вважається найбільш ефективним рішенням для портативних пристроїв. Вперше запропонований у 2012 році трибоелектричний наногенератор TENG став перспективним варіантом, оскільки на відміну від звичайних батарейок, він не вимагає регулярної заміни, а крім того, його можна виготовити з матеріалів, безпечних для навколишнього середовища. Такі пристрої працюють завдяки трибоелектричному ефекту, який генерує струм електричного струму в результаті механічного тертя.

Що вміє цей рюкзак?

У своєму дослідженні інженери спробували поєднати в одній конструкції і більш вдалу будову для полегшення навантаження, і пристрій для генерації енергії. Так два еластомери, вбудовані в рюкзак, роз'єднали синхронний рух вантажу і людського тіла, що знизило додатковий вплив прискорення на навантаження при ходьбі. З такою конструкцією, як з’ясували вчені, рюкзак може знизити на 28,75 відсотка вертикальні коливання вантажу і на 21,08 відсотка вертикальної сили, що діє на користувача. А використаний ними генератор перетворював механічну енергію від руху на електричну з 14-відсотковою ефективністю за спокійної ходи. Дослідники говорять, що цього вистачить на невелику портативну електроніку, наприклад, системи GPS. У лабораторії енергії рюкзака вистачило на світлодіодні лампи та електронний годинник.