行山是不少香港人热爱的休闲活动。在中大这个山城从事研究工作的廖维新教授深明行山迷路时无法求救是多么糟糕的一件事。他表示:「行山远足时迷路,若还遇上手机和充电机均无电,是多么彷徨!此刻最需要的是电源。若果能将步行的动能转化为电力,边行边发电,让电子仪器能运作,以便寻找方向、甚至发出求救讯号,这绝对是行山人士的好消息。」

利用人体动能发电并非新鲜事,以跑步机、单车等推动马达发电的例子比比皆是。但这些方法对行山人士帮助不大。

「受制于发电物料的重量、采电过程产生的额外负担、产电效率难以提高的问题,步行发电技术一直未获广泛应用。」中大Smart Materials and Structures Laboratory创办人、机械与自动化工程学系教授廖教授是智能结构及振动科技的专家,曾开发智能膝架,辅助肌肉或关节衰退人士步行。结合过去多年研究经验,他的团队利用智能物料「压电纤维」,成功开发一个仅重307克的极轻便人体动能采电系统,为行山爱好者带来充电「救命草」。 

装置上的智能材料会随着走路时膝部的动作而弯曲,并将动能转化为电力。

廖教授介绍,「压电纤维」是一种轻便物料,折合或弯曲时会产生电能。团队巧妙结合弯曲梁(Bending Beam)和曲柄滑块架构(Slider-crank Mechanism)的机械设计。当人体步行时,膝盖弯曲及伸直的动作会令滑块来回移动,「压电纤维」屈曲,继而产生电能。

「装置能透过物联网(IoT)等无线技术,将步行转化的电力供应给穿戴式电子产品,进行健康监测、全球定位系统(GPS)等。当然,用家亦可连接充电器或手机储存电力,待有需要时使用。」

整套系统仅重307克,非常轻便。以每小时4公里的速度步行计算,装置可持续产生1.6毫瓦功率的电力。

以一般步行速度约每小时4公里计算,装置可持续产生1.6毫瓦(milliWatt)功率的电力。廖教授指,输出电量足以启动智能手环,而步行8,000至1万步能为智能手机提供一日耗电量。  

装置佩戴脚上,是否愈轻愈好?廖教授指要平衡发电效能及重量。「人体动能发电的关键在于装置的重量不为用家带来额外的体力负担,又能达到高效率的发电。目前的设计是首个结合智能物料和机械设计的装置,在重量及发电效能上算是最佳组合。」

廖维新教授 (右)及博士研究生高飞 (左) 花半年时间成功研发一套极轻便的人体动能采电系统。

根据团队的测试,用家穿戴装置后,其步行呼吸模式、消耗能量没有明显增加。廖教授续指,膝关节是人体下半身最有力、运动范围最广的位置,比起脚裸、臀部可产生更多可用的能量。如进行足球、篮球等剧烈运动,可产生更多电量。

廖教授介绍的是第二代采电装置,早前已刊登于国际学术期刊《应用物理学快报》(Applied Physics Letters),现正于美国及中国申请专利。未来,他期望装置的应用更深入大众生活,例如与行山用品、运动服装生产商合作,设计贴身轻便的人体动能供电衣物等;并从发电效能及穿戴舒适度着手,开发第三代采电装置,预计两年后推出市场,让行山人士无需再为手机等电子仪器缺电而烦恼。

(图上)廖教授及其团队正研究第三代人体动能采电系统,产电量较第二代(图下) 提高3至4倍。位于大腿的索带改用塑料环,为膝盖提供更多支撑力,用家易于活动之余,亦提升穿戴舒适度。

摄影﹕叶世强