Knäkraft

Ingenjörer som designar bärbara enheter som skördar mänsklig energi för kraft står inför ett skrämmande dilemma: hur samlar du in en betydande mängd kraft utan att få användaren att lägga ner mycket extra ansträngning? Prylar som handvevgeneratorer och upprullningsradio kräver manuellt arbete av en användare, och befintliga skomonterade generatorer producerar mindre än en watt effekt.

Powerwalking: Detta knästöd (ovanför) har ett generativt bromskraftsystem som omvandlar energi som förbrukas när en person går till elektricitet.

Ett team av ingenjörer har utvecklat en modifierad knästöd som fångar upp energi som annars skulle ha gått förlorad medan bäraren går. Generatorn producerar cirka fem watt – tillräckligt för att driva 10 mobiltelefoner samtidigt.

Om du vill ha kraft, gå dit musklerna är, säger Max Donelan , en professor vid Simon Fraser University, i British Columbia, som ledde forskningen. Vi tänkte att det kanske finns ett smart, selektivt sätt att göra energiskörd när musklerna normalt bromsar in i kroppen. Donelans forskning visas i numret av den 8 februari av tidskriften Vetenskap .

Donelan tittade på benen, som har de största musklerna i kroppen, och utnyttjade en noggrann förståelse för hur människor använder energi för att gå. Under ett genomsnittligt steg använder en person sina muskler för att böja sig vid knäet och svänga fram benet, som en pendelbob. Detta är positivt arbete. I slutet av svingen utför hon negativt arbete för att bromsa ned sitt rörliga ben. Hon sätter sin fot på marken och då har hennes andra ben börjat svänga.

Multimedia

• Se knästödet i aktion.

Donelan och hans team koncentrerade sig på att skörda energi från slutet av steget med hjälp av deras bioniska knästöd. När skenans generator är inkopplad, samlar den kraft samtidigt som den saktar ner benets rörelse. Som ett resultat av detta minskar stödet den mänskliga ansträngningen som krävs i slutet av svängfasen.

Om mekanismen var kontinuerligt inkopplad skulle den dock även hindra accelerationen i början av svingen och kräva mer energi från bäraren. För att lösa detta problem installerade Donelan en sensor i enheten för att övervaka knävinkeln och slå på och av generatorn. Enligt hans forskning kräver denna generativa bromsmetod bara en åttondel av den metaboliska kraften hos en kontinuerligt fungerande mekanism.

Vad som är extremt smart med den här enheten är att den bara försöker fånga mekanisk energi när musklerna skulle vara förberedda för att sakta ner kroppen, säger Lawrence Rom , en biologiprofessor vid University of Pennsylvania. Rome, som inte arbetade på knästödet, designade nyligen en ryggsäck som omvandlar promenadenergi till elektricitet. [Donelans knästöd är] en smart enhet, och den fungerar bara när du försöker bromsa själv, säger Rome. Det låter generatorns omvända vridmoment göra muskelns arbete.

Om Donelans inställning till energiskörd låter bekant, beror det på att han använder samma strategi som används av hybridbilar. När en förare bromsar en hybrid börjar elmotorn fungera som en generator. Generatorn saktar ner bilen och omvandlar samtidigt kinetisk energi till elektricitet som sedan används för att ladda batteriet. Konventionella bromssystem är beroende av friktion för att sakta ner, och bilens kinetiska energi försvinner som värme.

Att gå är som att stanna-och-gå-körning, säger Donelan. Inom varje steg accelererar musklerna och bromsar sedan ner kroppen. Hybridbilar tar energi och ger den till batteriet.

Donelans prototyp väger drygt tre pund, och han utvecklar för närvarande en lättviktsmodell som kan användas av protestillverkare och militären. Efterfrågan på skördare med mänsklig energi som Donelans knästöd och Roms ryggsäck ökar, delvis tack vare spridningen av liten elektronik som mobiltelefoner och handhållna GPS-enheter, särskilt inom militären.

En soldat med ett 24-timmarsuppdrag [kan behöva] bära nästan 30 pund batterier med sig, säger Donelan. De måste driva allt från GPS till kommunikation till mörkerseende.

Dessutom säger Donelan att hans knästöd har potential på medicinska marknader: det kan förstärka en förlamad lem eller driva en protes. Du kan ta en frisk lem och använda den för att driva den skadade lem, säger han.

Dölj