步步生電

在科技發達的現今世代，「低電量焦慮」成為不少人的夢魘。智能手機電量一點一滴流逝，小小的電池標誌變為紅色，我們便心驚膽跳。唯有及時「續命」──為手機挹注電力，我們才可鬆一口氣。機械與自動化工程學系主任廖維新教授帶領的研究團隊近日研發結合智能物料和機械設計的人體膝蓋能量採集器，將膝蓋活動的動能化為電力，讓我們隨時隨地透過走路充電，或能將我們的焦慮一掃而空。

「人體是能量寶庫，特別是動能，我們可以將之收集，轉化成電力。」能量採集器主要設計者、機械與自動化工程學系博士後研究員高飛稱。「人的膝關節比其他下肢關節如腳踝和髖關節等活動幅度更大，而且膝蓋大多沿人體垂直的矢狀面活動，使動能更易採集。」

專研人體動作的團隊成員巧用曲柄滑塊架構（圖一）設計人體膝蓋能量採集器，將膝關節的動能轉為電力。曲柄滑塊架構看似複雜，其實不然：採集器的兩端是兩條位於大腿和小腿的魔術貼紮帶，負責將裝置固定腿上。自大腿和小腿的紮帶會延伸大腿桿和小腿桿，兩者並於膝頭位置的鉸位會合。大腿桿與小腿桿於紮帶的另一端，則由長棍連繫，另有滑塊在上移動。

「我們行走時，腿部會屈曲和舒展，帶動滑塊往復移動，此時膝蓋的旋轉運動就會變為滑塊的直線運動。」廖教授解釋。

能量採集器的妙處不止於此：架構上拱有一條貼上智能物料的碳纖維帶，一端繫在大腿的紮帶，另一端固定在滑塊上。當滑塊隨着我們的步伐往復移動，碳纖維帶和上面的智能物料便會隨之屈曲，繼而產生電力。

團隊使用的智能物料為壓電粗纖維複合材料，壓電即電能與機械能互換的現象，這裏指當受到外力如按壓和屈曲等，材料就會產生電力。碳纖維帶上，兩塊複合材料薄片並排黏貼，而材料亦可於市面購買，每塊約七百元。「大量生產的話，價錢可再調低。」廖教授道。

以平常人每小時行走四公里的速度計算，能量採集器能產生一點六毫瓦電力，即每秒一點六焦耳，足以應付健康檢測儀器和全球定位儀等小型裝置的電力需求。舉例來說，華為手環的耗電量平均為一毫瓦，故能量採集器足以令其運作不息。

「採集器採得的能量可被儲起，或利用物聯網技術連接到其他便攜和穿戴式裝置。它能就地採集和供應能源，解決電池電量有限的問題。比如登山時，我們不能隨處充電，此時我們便能自本身的動作取電，毋需仰賴電池。這能大大保障安全，遇到緊急情況也能派上用場。」廖教授說。

這充電法寶異常輕巧，重量只有三百零七克。「這應是現有能量採集器中最輕的，而且是首個結合智能物料和機械設計的裝置。」高博士稱。廖教授補充：「設計是重要一環──有複合材料，也要加上創新機械設計，採集器才能發揮效用。」

採集器的另一優勝之處，是它不會加重使用者的負擔。研究團隊曾進行實驗，比較平常步行和穿上採集器後步行的身體狀況，結果發現它不會增加我們的代謝消耗。團隊於紮帶用上球型鉸，使採集器涵蓋所有膝蓋動作。若於做劇烈運動如跑步和踢足球時穿上，產生的電量會更大。從高博士的即場示範看來，採集器易於穿戴，且十分舒適。

現時我們所見的能量採集器是第三代，共花五個月研發。團隊正研究從機械結構或智能物料的複合物組合着手，提升能源效率，即在同等時間供應更多電力。他們亦會改善設計，使其更舒適，並力求減低成本。事實上，自能量採集器的研究於去年7月在《應用物理快訊》發表並獲列為特選文章，傳媒與商界就對此大表關注，電郵查詢如雪花飛來，更有生產商提議將採集器嵌入衣料之中。為此團隊正在美國和中國申請專利，預計兩年後，我們便可以在市場上購得採集器，享受源源不絕的電力，跟電量焦慮說再見。

Amy L.

本文出自《中大通訊》第549/550期（2020年1月）

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