香港中文大学团队用外骨骼发电:只要路在走,电力总是有

生物医学
香港中文大学团队用外骨骼发电:只要路在走,电力总是有
麻省理工科技评论 2019-11-18

2019-11-18

近日,有研究团队开发出一种外骨骼,其可在人们行走或跑步的过程中,产生可持续的电力供应
机器人 技术 大学
近日,有研究团队开发出一种外骨骼,其可在人们行走或跑步的过程中,产生可持续的电力供应

机器与人类的融合,一向吸引着众多的科研学者和艺术创作者们。大家熟知的钢铁侠,他身上的机甲或许领先时代有点多,但是另一部科幻大片《明日边缘》中,汤姆·克鲁斯和士兵们穿着的“外骨骼战衣”,距离我们现实已经并不遥远。外骨骼设备如今已有许多落地场景,目前其被主要用于三个领域:军事、医疗,以及近几年才兴起的工业领域。

“外骨骼机器人”的概念最早就出自于军事领域,在 2000 年美国国防部为了增强士兵的体能,提高单兵作战能力,提出了相关概念。其目的是给穿戴者提供保护,并根据人的肢体活动来感应、驱动机械关节,以便更好地执行动作;它能帮助使用者跑得更快、跳得更高、负重能力更强等。

而在医疗领域,外骨骼主要试图帮助腿脚不便的老年人及残障人士,在穿戴后辅助恢复其腿部的行走能力,甚至是帮助瘫痪在床的残障人士重新站立行走。不过,尽管目前已有一些可穿戴设备能辅助人们更轻松的运动,但算上驱动马达和电池等配件,外骨骼整体的重量就会很高,从而成为用户佩戴的一大障碍。

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图 | 香港中文大学机械与自动化工程学系廖维新教授(来源:香港中文大学)

近日,由香港中文大学机械与自动化工程学系的教授廖维新领导的研究团队,开发出一种以轻质智能材料为基础的能量获取外骨骼,其可在人们行走或跑步的过程中,产生可持续的电力供应。具体而言,这款外骨骼设备可从人类膝盖的运动中获取生物力学的能量,然后将其转化为电力,为可穿戴电子设备(如计步器、健康监测器、手环和 GPS 等)供能。这项研究也发表在《应用物理学》(Applied Physics Letters)杂志上。

廖维新告诉 DeepTech,其研究团队是有做外骨骼设备在医疗领域的应用的,同时也关注到了电池等问题,加上自身过往的研究很多是在振动控制、能量采集等方向,所以就有想法将其逆向化。减震是要化解能量,反过来考虑,就可能创造能量。

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图 | 外骨骼发电设备(来源:廖维新)

目前,在全球范围内可穿戴设备的研究日趋火热。从军事到医疗,再到各种生活工作等应用场景,外骨骼的应用也在逐渐渗透。

京东和苏宁的物流就做出过“外骨骼机器人”来为穿戴者腰背部的肌肉提供更高强度的负重能力,以便减缓工作肌群的疲劳速度,降低人在运动过程中的能量消耗,提高工作效率。

反之用外骨骼来发电的,也有很多科研团队在进行研发测试。廖维新表示,目前主要有两种发电方式:一种是磁铁在线圈中,随着运动而发电,这个原理是中学物理就会讲到的知识,问题是其重量较沉,体积也很难缩小;另一种则是采用压电材料,如果对其施加压力,它便会产生电位差,反之其也会因电场作用而产生机械变形,这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛应用。

和此前的电池相比较,使用压电材料就会显得很轻便。而压电材料也有不同的选择,压电陶瓷虽然压电性强、介电常数高,但其机械性很差,也很脆,所以不适合用于可穿戴设备。所以廖维新的研究团队采用了一种轻质的 MFC(Macro-Fiber Composite,压电纤维复合材料),这种材料很软、可以承受很大的变形量。

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图 |“发电”过程示意(来源:廖维新)

这款外骨骼发电设备采用了弯曲梁和曲柄滑块机构来捕捉人类在走路时的膝盖运动行为。然后,利用捕捉到的运动行为引发粘接在弯曲梁上的压电纤维复合材料变形,利用其压电效应使人通过膝盖弯曲和伸展来产生电流。

对于佩戴这种外骨骼设备是否会给人们行走带来不便,廖维新表示,MFC 材料的优势就是十分轻便。这款外骨骼发电设备整体重量只有 307 克,这个重量可能比裤子或者鞋的影响还要小。此外,实验也测试了佩戴这种设备后,使用者在运动后的耗氧量及二氧化碳产生量的具体数据,因为二者通常是对人们运动消耗的一个参考指标。

研究团队分别测试了佩戴者以 4 公里每小时的速度行走,以及在 2 至 6.5 公里每小时的速度范围内运动时的数据,结果显示,佩戴该外骨骼发电设备和不佩戴时,两者的数据并没有什么差别,即人的新陈代谢成本并没有受到佩戴的影响。

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图 | 佩戴者的新陈代谢消耗测试(来源:廖维新)

对于设备的发电量,廖维新表示论文发表时的设备输出功率为 1.6 微瓦特,这并不是很大的电量,所以目前针对的目标都是一些低功耗的随身硬件设备,比如智能手环、便携式健康监测仪等,已经可以满足其持续使用的需求。同时,他们的研究团队也在持续地对减轻重量和提高输出功率两个方向进行努力,目前的输出功率相比于论文的研究成果已经提高了 4~5 倍。

廖维新对 DeepTech 表示,这种人体动能采集技术有望促进可穿戴设备的发展,使一些随身的电子产品实现“自供电”,从而让使用者摆脱需要经常充电的麻烦。同时,他现在正考虑将这项研究投入商业化,具体是与相关厂家合作,还是以研究团队自主创业,尚在计划中。他认为,目前该设备功能上已比较完善,也并不很复杂,一年时间就可以有实际产品出来。

从成本的角度考虑,他说:“目前实验室使用的压电纤维复合材料都是从外面采购的,一片大约是七八百港币(600~700 元),但如果针对性量产,那么价格应该会降到 100 元左右。

廖维新认为首先和服饰相结合,会是该外骨骼发电设备在商业化上一个较好的切入点。因为操作起来比较容易,就好比在裤子上多加了几个纽扣一样。除此之外,在一些特定的场景下,比如登山、野外考察等,佩戴该设备以实现 GPS 导航仪的“直供电”对使用者会有较大的帮助。

“当然,这些都需要经过市场的试水后,根据反馈再进一步做研究的设计。”廖维新最后对 DeepTech 说道。

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