Kolano Moc

Inżynierowie, którzy projektują urządzenia do noszenia, które gromadzą ludzką energię w celu uzyskania mocy, stają przed trudnym dylematem: jak zebrać znaczną ilość energii, nie zmuszając użytkownika do dodatkowego wysiłku? Gadżety, takie jak generatory z korbą ręczną i radia z naciągiem, wymagają ręcznej pracy użytkownika, a istniejące generatory montowane na butach wytwarzają mniej niż jeden wat energii.

Szybki marsz: Ta orteza stawu kolanowego (powyżej) jest wyposażona w system mocy hamowania generatywnego, który przekształca energię wydatkowaną podczas chodzenia w energię elektryczną.

Zespół inżynierów opracował zmodyfikowaną ortezę kolana, która wychwytuje energię, która w innym przypadku zostałaby utracona podczas chodzenia. Generator wytwarza około pięciu watów, co wystarcza do jednoczesnego zasilania 10 telefonów komórkowych.

Jeśli chcesz mocy, idź tam, gdzie są mięśnie, mówi Max Donelan , profesor na Uniwersytecie Simona Frasera w Kolumbii Brytyjskiej, który kierował badaniami. Pomyśleliśmy, że może istnieje sprytny, selektywny sposób na zbieranie energii, gdy mięśnie ciała normalnie zwalniają. Badania Donelana ukazały się w numerze czasopisma z 8 lutego Nauka .

Donelan przyjrzał się nogom, które mają największe mięśnie w ciele, i wykorzystał dokładne zrozumienie, w jaki sposób ludzie wykorzystują energię do chodzenia. Podczas przeciętnego kroku osoba używa swoich mięśni, aby zgiąć się w kolanie i przechylić nogę do przodu, jak ruch wahadła. To jest pozytywna praca. Pod koniec huśtawki wykonuje negatywną pracę, aby spowolnić ruchomą nogę. Stawia stopę na ziemi i do tego czasu jej druga noga zaczyna się kołysać.

Multimedia

• Zobacz ortezę kolana w akcji.

Donelan i jego zespół skoncentrowali się na zbieraniu energii z końca kroku za pomocą bionicznej ortezy kolana. Kiedy generator ortezy jest włączony, zbiera energię, spowalniając ruch nogi. W rezultacie orteza zmniejsza wysiłek ludzki wymagany pod koniec fazy wymachu.

Gdyby jednak mechanizm był stale włączony, utrudniałby również przyspieszanie na początku wymachu i wymagałby więcej energii od użytkownika. Aby rozwiązać ten problem, Donelan zainstalował w urządzeniu czujnik do monitorowania kąta nachylenia kolan oraz włączania i wyłączania generatora. Według jego badań, to generatywne podejście do hamowania wymaga tylko jednej ósmej mocy metabolicznej nieprzerwanie działającego mechanizmu.

To, co jest niezwykle sprytne w tym urządzeniu, polega na tym, że próbuje ono przechwycić energię mechaniczną tylko wtedy, gdy mięśnie byłyby przygotowane do spowolnienia organizmu, mówi Wawrzyńca Rzym , profesor biologii na Uniwersytecie Pensylwanii. Rome, który nie pracował nad ortezą kolana, zaprojektował niedawno plecak, który zamienia energię chodzenia w energię elektryczną. [Orteza kolana Donelana jest] inteligentnym urządzeniem i działa tylko wtedy, gdy próbujesz się zahamować, mówi Rome. Pozwala odwrotnemu momentowi obrotowemu generatora wykonać pracę mięśnia.

Jeśli podejście Donelana do pozyskiwania energii brzmi znajomo, to dlatego, że stosuje on tę samą strategię, którą stosuje się w samochodach hybrydowych. Kiedy kierowca używa hamulców hybrydy, silnik elektryczny zaczyna działać jak generator. Generator spowalnia samochód i jednocześnie zamienia energię kinetyczną na energię elektryczną, która jest następnie wykorzystywana do ładowania akumulatora. Konwencjonalne układy hamulcowe polegają na tarciu, aby zwolnić, a energia kinetyczna samochodu jest rozpraszana w postaci ciepła.

Chodzenie jest jak jazda bez przerwy, mówi Donelan. Z każdym krokiem mięśnie przyspieszają, a następnie zwalniają ciało. Samochody hybrydowe pobierają energię i oddają ją do akumulatora.

Prototyp Donelana waży nieco ponad trzy funty, a obecnie pracuje nad lekkim modelem, który mógłby być używany przez producentów protez i wojsko. Zapotrzebowanie na urządzenia do pozyskiwania ludzkiej energii, takie jak orteza kolana Donelana i plecak Rome, rośnie, częściowo dzięki rozprzestrzenianiu się małej elektroniki, takiej jak telefony komórkowe i podręczne urządzenia GPS, zwłaszcza w wojsku.

Donelan mówi, że żołnierz z 24-godzinną misją [być może będzie musiał] nosić ze sobą prawie 30 funtów baterii. Muszą zasilać wszystko, od GPS przez komunikację po noktowizor.

Ponadto Donelan mówi, że jego orteza kolana ma potencjał na rynku medycznym: może wzmocnić sparaliżowaną kończynę lub wzmocnić protezę. Mógłbyś wziąć zdrową kończynę i użyć jej do zasilania uszkodzonej kończyny, mówi.

ukryć