這是一款會發電的揹包，它來自清華，全名叫 “懸浮式” 能量收集與減負揹包。

該研究由中科院北京奈米能源與系統研究所所長王中林院士和清華大學機械工程系程嘉副研究員牽頭。2 月 3 日，相關論文以《用於能量收集和減少負載衝擊的動力揹包》（Power Backpack for Energy Harvesting and Reduced Load Impact）為題發表在頂刊 ACS Nano 上。

負載懸浮式揹包的主要功能是收集人體運動機械能、並進行發電，其產生的交流電轉變為直流電後，可為功率較低的電子產品如 LED 燈、電子錶等供電。

路遙且累，懸浮揹包來減負

揹包的主要材料是亞克力板，他們使用鐳射切割機制造出一個長 420 mm、寬 300 mm、厚 5 mm 的矩形底板，底板上有多個用於固定構件的鐳射通孔。

此外，兩條直線滑軌和滑塊，對稱地固定在底板兩側；揹包的電極片有三層，一層在底板上，另兩層分佈在中板兩側；為把中間板固定在底板上，他們使用了四個壓縮彈簧和四個長螺栓。

電極片是實現發電的關鍵零件，它的製作方法是：首先在 232×185×2mm 的矩形亞克力板上，雕刻一個 2mm 等寬的彎曲凹槽，並用四個突出的耳固定；其次在亞克力板上覆蓋一層 0.065mm 厚的矩形銅膜；然後沿著凹槽邊線切割銅膜，使之形成兩組獨立的光柵式銅電極；最後，將厚度為 0.025mm 的尼龍薄膜粘附在銅電極上。

除救援物資外，為保證通訊、照明、搜救等裝置的供電，救援人員還需揹負 7、8 公斤重的鋰離子電池，這會佔用揹包中救援物資的寶貴空間。基於此，他們想為救援人員、消防員、探險家、揹包客、行軍士兵和學生等群體，發明一種既能減重又能發電的揹包。

據程嘉介紹，本次研究基於王中林於 2012 年首次開發的摩擦奈米發電機技術（Triboelectric nanogenerator, 簡稱 TENG）。王中林也曾表示：“ TENG 不僅可以用於自供能行動式電子產品，而且還可以作為一種新能源技術，在不久的將來有可能為世界能源做出貢獻。”

幾年後，王中林的 “預言” 實現在該揹包中。其發電原理具體為：由於行走姿態、步幅和身高等三大因素，行走過程中人體重心會上下起伏 5-7 釐米。

這些上下起伏是無用功，不僅消耗體力、還會給肩部背部等帶來衝擊力。特別是在奔跑時，向下衝擊力會達到重物本身重量的三倍左右。而這種衝擊力，在人長時間行走時，會大大加速肌肉疲勞。

由於人的行走是一個倒立擺，即髖關節在腿上沿著一個弧線前行，垂直偏移 5-7 釐米。因此本次研究的主旨，是在走路或奔跑中讓重物和人背的部分、也就是基板產生一個相對運動，從而減小重物本身的浮動、甚至把其降為零，這能起到減震器作用。如此，不僅能減少無用功，還可避免對人體垂直方向的衝擊力。

為節省勞力、以及吸收衝擊力，該團隊在揹包中引入彈性繩和定滑輪組機構，它們可用來解耦人體和揹包的同步運動，透過彈性繩的伸展與收縮，可使揹包在行走中保持相對穩定，最終佩戴者受到的衝擊力可降低約 20％。

揹包的結構示意圖如下所示，它有兩種工作模式：鎖定模式和解鎖模式。在鎖定狀態下，揹包與人體剛性連線，這時它相當於傳統揹包；在解鎖狀態下，透過兩個嵌入式彈性體的伸縮，揹包可與人體實現同步運動解耦，這時它變為發電揹包。

程嘉表示，揹包採用的是獨立摩擦材料層式 TENG 結構，其中的摩擦奈米發電機，主要利用兩種常見物理效應：摩擦起電和靜電感應。在運動時，發電機可把揹包與人體間的相對運動產生的機械能，轉換為電能即交流電。

在發電機的兩摩擦材料層中，一層易失電子，另一層易得電子。在相互摩擦時，由於材料的摩擦電負性不同，其表面可形成積累性的正負電荷，並在兩者之間形成靜電場。

由於靜電感應的作用，柵格式兩組金屬電極表面的電荷得到重新分佈，並在兩電極間形成電勢差，當外接到負載電路、如電燈時就會發生電荷轉移，最終可表現為電路中產生電流。

在該方式下，機械能轉化為電能的能量轉化效率為 14.02 %。

如下圖，電能經過電源管理單元（PMU）的處理，單層電極產生的短路電流、和開路電壓分別為 60μA 和 1.5kV，足以點亮 210 個 LED 燈和兩根紫外燈管等。

此外，在測試中，當佩戴者在跑步機上行走或跑步時，揹包上的 LED 燈會亮起，行走速度越快，LED 亮度越高。

概括來說，基於負載懸浮技術和摩擦奈米發電機，該揹包兼具省力、減震和發電三大優點。此外，適當增加負荷和加快步行速度，都有助於省力和減震。

程嘉坦言，他們並非發電揹包的首創者。2006 年，賓夕法尼亞大學 Rome 團隊已發明出利用電磁發電機的減重揹包。

不過，王中林和程嘉團隊首次把摩擦奈米發電機和減重揹包結合在一起，在低頻運動條件下，摩擦發電的能量收集方式更具優勢。

在研究中，他們也克服了兩個關鍵難題。

第一是減震技術和摩擦發電的結合。一方面要省力，即讓動子和定子之間儘可能順滑地運動；另外摩擦壓力越大，發力效果越好，電壓也越高。如此來看，這兩方面存在一定矛盾。因此，在結構設計上，要兼顧兩者間的影響。為此他們最佳化引數設計，省力的同時還能達到預期發電功率。

第二是設定效能評價系統。人在揹包時每次生成的資料都不一樣，為此該團隊從實驗模式上下功夫，用水平運動代替豎直運動，然後在旁邊綁上砝碼，並增加距離感測器、力感測器、電學引數測定儀器等，以此來實現運動的精準控制。

造價大約一百元，未來揹包會更輕

該揹包重約 3 公斤，程嘉說這的確不算輕，但它是個階段性成果，主要是驗證結構設計的可行性，因此結構設計上仍有較大冗餘。

之所以這麼重，是因為在實驗臺上，需要厚亞克力板才能支撐重量。揹包中的滑動導軌是直接買來的不鏽鋼標準件，另還有不少 3D 列印材料，這些都是揹包重的原因。

未來程嘉計劃對揹包進行輕量化設計，比如在保證強度和結構的基礎上，透過挖洞和拓撲最佳化等方法把材料減薄，或者把亞克力板替換成更輕的碳纖維。

而目前之所以用亞克力材料，是因為容易切割，且強度也比較好，在上面打孔比較容易。所有材料花費兩百多元，制包過程中也被迫浪費了一些，未來如果批次生產，造價大約一百多元。

談及成果轉化，程嘉說一個技術從出現到被大家接受，是一個漫長、且充滿變數的過程，之所以不用於日常通勤，是因為其一不需要很多電量，其二通勤時往往無需負重太多。

以學生為例，第一他們書包中多是較重的書籍，為幫助身體發育和長高，因此可使用該揹包來減重；第二書學生書包可內建 GPS / 北斗晶片，這樣就能防止走丟。對救援隊員等揹包客來說，走遠路容易疲勞，並且其出行目的地多數比較荒遠，而這款揹包既能省力，又可自發電來給他們提供電能。

揹包並非他們研究的重心，而是摩擦奈米發電技術的一種表現載體。

此前，該團隊在多篇論文中指出，摩擦奈米發電機可產生幾千伏的高壓電，在沒有真空系統和外接電源的條件下，它能以遠端激發和遠端調控的方式，直接驅動產生微等離子體和紫外線，並用於驅動電噴射列印、細胞列印、飲用水殺菌等。

具體應用中，以細胞列印為例，使用該方式打印出來的小液滴，成球率更高、細胞受損率更小、使用電量也更小、細胞列印率最高可達 92%；再以飲用水殺菌為例，程嘉曾透過摩擦靜電場、去驅動銅離子輸運，從而實現直飲水殺菌。在未來，他們打算進一步利用揹包發出的高壓電，將其做成移動高壓電源，以適應更多場景。

程嘉是一位老清華人，自 1998 年考入該校以來，本科到直博再到博後，都在清華園學習和工作，至今已有 22 年。2009 年，他獲得國家科學進步二等獎（集體獎）。2013 年成為清華副研究員，2016 去佐治亞理工學院王中林教授實驗室做訪問學者開展合作研究，此後一直從事摩擦奈米發電機技術的相關研究。

圖 | 程嘉