膝蓋支架從步行中產生電力

Knee brace generates electricity from walking
http://www.physorg.com/news121614694.html

February 07, 2008

Michigan 大學所涉及的研究顯示，一種新型能量捕捉膝蓋支架（knee brace）能夠從步行中產生足夠電力以運作可攜式 GPS 定位器、手機、裝上發動機的（motorized）義肢關節或是被植入的神經傳導裝置（neurotransmitters）。

一篇關於此裝置的報導發表在 2/8 當期的 Science 期刊上。作者包括來自於加拿大 Simon Fraser 大學以及 Pittsburgh 大學還有 U-M 的研究者。

這個可穿戴式機械裝置的運作，很像某些油電混合車為電池充電所使用的再生式煞車系統，Arthur Kuo 說，U-M 機械工程副教授，同時是此文章作者之一。

當車速減緩時，再生煞車（regenerative brakes）會收集原本要以熱能浪費掉的動能。而這個膝蓋支架會收集在人類跨出一步，腿部往前擺動後，煞住膝蓋時所漏失的能量。

Kuo，他稱此裝置為「一個雞尾酒餐巾點子」，表示唯有膝關節適合此嘗試。

"身體上有各個地方可以收穫動力，而你可用它來產生電力。膝蓋或許是最好的地方，" 他說。"在行走中，你會從各種地方浪費掉能量，例如，當你的腳碰到地面時。你必須同你的肌肉完成工作來補償這些。"

"身體很聰明，" Kuo 說。"在許多會讓能量浪費掉的地方，身體事實上會貯存它，並有彈性的讓它回來。你的肌腱作用如同彈簧。在許多地方我們並不確定能量是否真的被浪費掉，或著你只是暫時貯存它。我們相信當你的腿往前擺動後最後讓膝蓋慢下來時，這其中大部份的能量都只是浪費掉罷了。"

科學家在踏步機上以每秒 1.5 公尺的速度，從容行走的 6 位男性身上測試此膝蓋支架。他們測量實驗對象的呼吸以決定他們走的有多費力。一群對照組穿上具有發電機的支架，設計用來測量這個 3.5 磅重的支架會如何影響穿戴者。

在支架只會在膝蓋煞住時啟動的模式中，實驗對象每當產生 1 瓦特的電力時，他們只需不到 1 瓦特的新陳代謝動力。傳統以手轉動曲柄的發電機，因肌肉與發電機的無效率，得平均耗費 6.4 瓦特的動力來產生 1 瓦特的電力。

"我們示範了概念驗證，" Kuo 說。"原型裝置大而重，而且它會影響要佩戴的穿戴者。不過能量產生部件本身對於穿戴者的影響很小，不管它開啟與否。我們希望能改善此裝置，讓它更容易佩戴，而且要保留其能量收穫的能力。"

一個更輕的版本對於徒步旅行者或士兵將會很有幫助，他們不容易取得電力。而科學家表示類似的機械裝置可以內建到義肢膝蓋、心跳節律器或神經傳導裝置，那在今日都需要電池，並週期性的動手術來更換電池。

"未來的能源收穫必定涉及這樣的裝置，而且從行走產生它自己的動力，" Kuo 說。

※ 相關報導：

＊ Biomechanical Energy Harvesting: Generating Electricity During Walking with Minimal User Effort
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/319/5864/807

J. M. Donelan, Q. Li, V. Naing, J. A. Hoffer, D. J. Weber,
A. D. Kuo
Science 8 February 2008: Vol. 319. no. 5864, pp. 807 - 810
DOI: 10.1126/science.1149860

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