中文大學校刊 二零一九年第二期

圖二：利用壓電粗纖維複合材料供電的人體膝蓋能量採集器 小腿紮帶 碳纖維帶 壓電粗纖維 複合材料 球型鉸 大腿紮帶 滑塊 長棍 25 步步生電 在電子產品普及的今天，「低電量焦 慮」是不少人的夢魘。機械與自動化 工程學系主任 廖維新 教授的研究團 隊去年研發出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。 專研人體動作的團隊成員巧用曲柄 滑塊架構（見圖一）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 步步生電 廖維新將人體動能化作電力 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。 除此之外，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，壓電在這裏指當受到外力 如按壓和屈曲等，材料會產生電力。 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。 「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。 再者，這充電法寶異常輕巧，重量只 有三百零七克，並不會加重使用者的 負擔。研究團隊曾進行實驗，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。 自能量採集器的研究於去年7月在 《應用物理學快報》發表並獲列為 特選文章，傳媒與商界就大表關注。 團隊正研究提升裝置的能源效率、 改善設計，使其更舒適，並力求減低 成本。他們現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.