Колено превратили в динамо-машину
В последнее время инженеры уделяют большое внимание созданию портативных устройств, которые собирают биомеханическую энергию. Источником такой энергии может быть и организм человека. В особенности это касается кинетической энергии, которую можно собирать для выработки электричества и использовать для подзарядки мелкой электроники: различных трекеров, электронных часов, мобильных телефонов и так далее. Кроме того, собранную таким способом энергию можно использовать и в медицинских целях — для стимуляции мышц и периферических нервов. Ученые уже разработали устройства, которые собирают биомеханическую энергию с самых разных частей человеческого тела — ступни, голени, коленного сустава, рук и туловища. И все эти приборы в качестве источников энергии используют только естественные движения человеческого тела.
В новой работе разработчики из Китайского университета Гонконга вновь выбрали в качестве источника такой энергии коленный сустав. Дело в том, что в сравнении со всеми остальными сочленениями у него наибольший диапазон движений, а композитное макроволокно (MFC, macro fiber composite), которое использовали ученые при создании прибора, как раз может собирать энергию подобных деформаций. Этот материал представляет собой гибкий пьезоэлектрический композит, который аккумулирует энергию напрямую, в отличие от предыдущих разработок, где часть энергии терялась из-за того, что механизм ее преобразования в электричество был менее эффективен.
Читайте также: Пирамида Хеопса оказалась гигантским концентратором энергии электромагнитных волн
Кроме того, использование этого композита позволило значительно уменьшить массу прибора. Его прототип, который весит чуть больше трехсот граммов, а в длину составляет порядка сорока сантиметров, состоит из ползунково-кривошипного механизма, который располагается вдоль ноги и легко крепится одним концом к бедру, а другим — к голени. Комбинация ползунка и кривошипа извлекает энергию из вращательного движения, а пластина из макрофибрового композита, которая закреплена там же, — из линейных растяжения, сжатия и изгиба.
Ученые испытали свой прибор на трех мужчинах в возрасте от 23 до 30 лет, ростом от 165 до 170 см и весом от 58 до 64 кг. Чтобы изучить, как скорость ходьбы влияет на выходную мощность, разработчики просили испытуемых ходить по беговой дорожке то медленнее, то быстрее — в диапазоне от 2 до 6,5 км/ч. Ожидаемо оказалось, что чем быстрее они ходили, тем больше энергии вырабатывал прибор. Так, например, увеличение скорости с 2 до 6,5 км/ч повышало среднюю выходную мощность для одного из них с 0,38 до 1,6 мВт.
Также в рамках эксперимента ученые оценили, сколько кислорода испытуемые потребляют во время ходьбы и сколько они выделяют углекислого газа. В течение 14 минут участники эксперимента шли со скоростью 4 км/ч, затем, после 20-минутного перерыва, происходил второй заход. Оказалось, что объемы кислорода и углекислого газа не зависят от того, есть на ноге испытуемого «собиратель энергии» или нет. То есть при использовании прибора никаких дополнительных усилий со стороны человека не требуется: достаточно просто идти с обычной скоростью 4 км/ч, и вот мы уже достигаем мощности в 1,6 мВт. Этого достаточно для того, чтобы подзарядить GPS-навигатор или какое-либо устройство мониторинга жизненных показателей.
Изделие наверняка придется по душе любителям активного отдыха, особенно тем из них, кто находится вдали от стационарной электросети.
Текст подготовил участник мастерской научной журналистики летней школы «Летняя школа».