中国科研人员开发出新可穿戴发电设备，可利用膝盖弯曲发电

7月20日电，中国科研人员在新一期美国《应用物理通讯》杂志上发表论文说，他们开发出一种可穿戴在腿上的发电设备，通过捕获人行走时膝盖弯曲产生的动能发电，有望用于为可穿戴健康监测仪等供电。

中国香港中文大学机械与自动化工程系教授廖维新及其团队利用压电纤维材料和连杆，设计出含有类似发动机曲柄结构的设备，该设备重量只有307克。它被穿戴在腿上后，可捕获人体行走时膝盖自然弯曲产生的动能，并转换为电能。

穿戴这种设备的人以每小时4公里的速度行走时，设备输出功率为1.6微瓦特。研究人员对比了受试者穿戴与不穿戴这种设备行走时的呼吸状况，认为穿戴这种设备步行不需要额外出力。

此前一些可穿戴的能量采集设备利用人行走时带来的震动发电，效率较低。廖维新说，人的步行频率很慢，从震动中收集能量的效率较低，而此次研发的设备利用膝盖弯曲产生的动能发电，绕过了这一限制。

研究人员认为，新的人体动能采集技术有望促进可穿戴设备发展，使可穿戴健康监测仪等实现“自供电”，使用者可以摆脱经常需要充电带来的不便。

与人体中的大多数其他关节相比，膝盖具有相当大的运动范围......那么为什么不将这种运动用作一种电力来源？这就是新型原型设备所做的事情，据报道它不会让佩戴者在行走时消耗更多能量。这款307克的设备由香港中文大学的科学家开发，采用了曲柄滑块机构，可将膝盖的旋转运动转换为线性运动。

该机构由一根杆（连接到佩戴者大腿上的一条带）组成，该杆被用于移动附着在小腿上的一条带上的“滑块” - 两个单元都能够转动，改变它们相对于带子的角度。因此，当使用者行走时，他们的膝盖运动使杆直接进出滑块。

另外，碳纤维条的任一端连接到杆的顶部，并连接到滑块。连接到该条带的是“智能”超细纤维复合材料（MFC）材料，在弯曲时会产生电流。这意味着每当杆移动到滑块中并且碳纤维弯曲时，材料就会弯曲 - 以2到6.5 km / h的步行速度产生1.6微瓦的功率。

据报道，这应足以运行可穿戴设备，如健康监测小工具或GPS装置。更重要的是，当测试对象在跑步机上行走时监测呼吸模式时，确定在使用该设备时他们没有消耗更多的能量。

可穿戴设备，已是互联网生活不可或缺的部分，特别是5G普及以后，可穿戴设备的应用将会更广阔。不过，充电是可穿戴设备的难题，所有的电子设备都一样，没电就是一块砖。为了解决这个难题，科学家们想出了很多办法。该设备依赖于一种独特的大纤维材料，这种材料在弯曲时会产生电能。该设备利用一个滑曲柄机构，将膝关节的旋转运动转化为直线运动。

报道称，穿戴这种设备的人以每小时4公里的速度行走时，设备输出功率为1.6微瓦特。该设备重量只有307克，穿戴这种设备步行不需要额外出力。

科学家选择膝关节是因为它的运动范围相对较大。大多数可穿戴能源技术依赖于振动，这限制了步行产生能量的潜力。

研究人员认为，新的人体动能采集技术有望促进可穿戴设备发展，使可穿戴健康监测仪等实现“自供电”，使用者可以摆脱经常需要充电带来的不便。研究报告作者、香港中文大学机械及自动化工程学系教授廖伟新在一份新闻稿中说：“自供电GPS设备将吸引登山者的兴趣。

近日，美国莱斯大学(Rice University)的科学家们研发出一种名为Triboelectric nanogenerator，可以对人体可穿戴式医疗设备进行充电的小型便携式纳米发电机，患者可以通过日常的活动对该发电机进行充电。相关研究成果以“Laser-Induced Graphene Triboelectric Nanogenerators”为题，发表在ACS Nano杂志上。

可穿戴医疗设备是指可以直接穿戴在身上的便携式医疗或健康电子设备，在软件支持下感知、记录、分析、调控、干预甚至治疗疾病或维护健康状态。该充电设备不含金属材料，当安装在患者的鞋子或衣服上的时候，可收集躯干及手臂摆动产生的静电，随时对可穿戴式医疗设备进行充电，该设备不仅便于携带，而且环保节能，今后有望在可穿戴式医疗设备市场得到广泛应用。

最终，研究人员希望该技术能够被登山者等人一起使用，登山者需要在远程徒步旅行时为电子物品充电。