Снижающий нагрузку рюкзак научили вырабатывать энергию

Китайские и американские инженеры разработали новую версию рюкзака, гасящего инерциальное ускорение груза за счет подвижной подвесной системы и тем самым снижающего затраты на ходьбу и бег. В новом рюкзаке помимо подвеса также установлен трибоэлектрический генератор, конвертирующий движение рюкзака в электричество, которого достаточно для питания 210 светодиодов или пары люминесцентных ламп. В будущем такой рюкзак можно адаптировать для питания GPS-приемников или спортивных датчиков, рассказывают авторы статьи в ACS Nano.

Во время ходьбы и бега центр масс человека периодически смещается вверх и вниз с каждым новым шагом. Это приводит к естественной нагрузке на ноги, позвоночник и другие части тела, но также нагрузка может возрастать, если человек бежит с рюкзаком. При каждом смещении центра масс тела рюкзак получает соответствующее ускорение, поэтому его вклад в общую нагрузку на тело становится выше, чем в состоянии покоя. В 2006 году американские инженеры разработали конструкцию рюкзака, гасящего большую часть инерциальной составляющей силы, которой рюкзак воздействует на человека. Главная особенность конструкции, благодаря которой она способна гасить нагрузку, заключается в том, что прилегающая к спине часть с лямками и собственно рюкзак с отделением для груза разделены на отдельные части, связанные подвижным механизмом с эластичными тросами. Благодаря этому при ходьбе или беге центр масс тела все так же перемещается вверх и вниз, а рюкзак в это время остается почти на одной высоте.

В 2018 году изобретатели доработали рюкзак до коммерческого продукта, а в 2020 году другая группа инженеров создала аналогичный по конструкции рюкзак, но с активными элементами, которые анализируют ускорение и смещают рюкзак в нужную сторону, что позволило довести эффективность снижения нагрузки с 86 процентов до 98,5.

Инженеры под руководством Чжун Линь Вана (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии и Цзя Чэня (Jia Cheng) из Университета Цинхуа тоже воспользовались конструкцией 2006 года и модифицировали ее для того, чтобы не только гасить нагрузку на человека, но и вырабатывать энергию. В целом конструкция нового рюкзака аналогична исходной. Вн ей использованы два троса, каждый из которых проходит через два блока и закреплен концами на разных частях рюкзака: один на той, которая прилегает к спине, а второй на пластине, к которой крепится основная часть рюкзака. Тем не менее авторы добавили некоторые изменения. Например, один из концов каждого троса закреплен на храповом механизме, через который можно регулировать натяжение тросов.

Главное отличие от предыдущих разработок заключается в том, что между пластинами двух частей рюкзака помимо тросов также находится трибоэлектрический генератор. Он состоит из нескольких пластин поливинилхлорида с одной стороны и нейлона с другой. На поливиловой части скапливаются отрицательные заряды, а на нейлоновой — положительные. При движении относительно друг друга заряды двигаются и в электродах на нейлоновой стороне образуется электрический ток.

Измерения тока на стенде, имитирующем бег, показали, что генератор вырабатывает ток с параметрами до 60 миллиампер и до 1,5 киловольт при использовании одного из трех слоев, и до 75 микроампер при подсоединении сразу к трем слоям. Плотность мощности генератора составляет 58,82 ватта на квадратный метр. Авторы показали, что генератор позволяет одновременно включить 210 светодиодов. Правда, поскольку он вырабатывает ток периодически, для постоянной работы электроники необходим источник бесперебойного питания, который будет периодически получать энергию от генератора и постоянно выдавать ее на нужные устройства. Также инженеры измерили механическую эффективность рюкзака и выяснили, что он снижает вертикальную нагрузку на человека на 21,08 процента.

Помимо трибоэлектрических генераторов также существуют пьезоэлектрические и их инженеры тоже предлагают использовать в одежде и аксессуарах. Например, в 2018 году шведские инженеры создали ремень для сумки, вырабатывающий энергию при ходьбе.

Григорий Копиев