(腳本天生,用腳發電?)

今日穿戴式話題興起,但不論是智慧手環、戒指或眼鏡,都遭遇到持續供電的問題,其中以眼鏡的問題最大,據實際用過 Google Glass 的研發者指出,持續使用的話,不到兩小時就跑不動了,而這也是市場認為穿戴式應用仍未到位的一個主要瓶頸。

既然是穿戴在個人身上的應用,那有沒有可能自己發電給自己用呢?

事實上,個人行動發電這題材,學、研界早在十多年就已開始投入研究,已有不少成果。只是當時還沒有適合的應用,也就無用武之地。如今穿戴式成為市場追逐的話題,使得這些「可再生人體能源」的研究有機會翻身,成為突破穿戴式裝置供電瓶頸的關鍵。

有那些可行方案呢?其中走路發電具有隨時、隨地、可再生的能源特性,因此最多人投入研發可以邊走邊發電的鞋子,但還有很多其他可採集人體自發能量的方式,如利用膝蓋的運動特性來發電、採集人體熱梯度產生的電力,或善用活動(無毒病毒)的壓電特性來發電。本文先來介紹和分析一下發電鞋的可行現況。

發電鞋,能發多少電?

談走路發電,先要看看走路這件事有多大的發電潛力。早在1996年,Starner 就在其研究中指出,若以 82m/min 速度行走,以正常步頻2 步/sec,一位體重 60 公斤的人行走一秒,對垂直地表方向所做的功率是14.112W,也就是說,如果行走所做的功能完全轉換成電能,那就能讓一盞14W的燈一直亮著(計算公式請參考[註1]);拿來充手機的話,走個半小時大致可以充飽電。

不過,上述是走路做功的理想值,能採集到多少電力,還得看是用了什麼技術。筆者找到的報告指出,研究上常用的採集技術為振動能、壓電材料及永磁式旋轉發電機,其中以永磁式技術的發電量較高,但也只有0.23W 的輸出功率。

較近的一個研究是美國萊斯(Rice)大學機械工程系4位學生設計的 PediPower 發電鞋,據稱平均可產生0.4W的輸出功率,以此比對14W的理論值,所達到的採集效率大約只有3%,也就是說,要充飽一支手機,很抱歉,請持續走個15~16個小時。

(Rice大學團隊開發的PediPower發電鞋,採外加式的發電裝置。)

另一個在今年獲得Popular Science 創新獎(Invention Awards)的 SolePower 鞋墊,去年中在 Kickstarter 上募資成功,並準備在今年稍晚要上市了。據該團隊指出,穿著這版本的鞋墊想充滿一台 iPhone,需要走上15mile(約24公里),以 2 步/sec,0.5m/步的條件來看,大約要走個 6~7 個小時吧。這距離大概是一條淡水線的長度(中正紀念堂到淡水站),對一般人算變嚴苛的挑戰,但換個角度,其轉換效率看來又比 Rice 大學的研究高出不少。

(SolePower 鞋墊設計原理:腳後跟為發電裝置,鞋帶上外掛一儲電裝置。)

再換個角度看,以上皆是以充飽一支手機為基礎來做評斷,當然,這是多數人對「行動電源」的最大需求所在:大家最需充電的行動裝置,就是手機(平板和NB先別想太多)。但若換成是更低功耗的iPod智慧手環、能感測生理訊號的智慧衣,或機電式的義肢等穿戴裝置,今日發電鞋的發電效率就很實用了。

即使是為手機充電,也有很受用的情況,特別是登山客,上了山就很難找到充電電源,天氣不好時也無法得到太陽能供電,這時把自己的每一步都轉換儲備為電源,則可供必要的GPS定位使用,或緊急時發送微波或GPS求救訊號。對於一般人,遇上停電時,就趕緊穿上這類鞋子,拼命的走一走、跳一跳,只要夠撥出緊急電話或提供緊急照明,那這雙鞋就是功德無量了。

有了電,難題還很多

在設計上,發電鞋還有很多值得探討的議題,例如發電裝置該如何與鞋子結合而不會加重負擔,更不會穿起來很怪異。由於走路時對地面作用力最大的位置在腳後跟,因此發電鞋多半將發電裝置設計在鞋跟處,透過特殊的機構(主要是機械式或流體式兩種)來採集和儲備能量。

值得注意的是,跑步看起來可提供更大的對地作用力,但因施力點多半在腳的前中段,所以得採用不同的集電設計方式。由此又推想,如果能將腳下前、中、後段的作用力都妥善採集,發電功率該可再向上提升吧。

(多數走路發電鞋將發電裝置設計在鞋跟處。)

即使順利將走路作的功都高效率地轉換為電能了,還得先妥為收集儲存,再想辦法把電供應出去,這都關係到發電鞋的整體設計方向與使用情境。簡單的作法是將電先存在鞋子上的一個儲電裝置中,要充電時再取下來接線充電,但這顯然並不符合邊走邊充電的理想。

但要將來自腳底的電隨時能供應給手上、身上或頭上的穿戴裝置使用,目前還是很大的挑戰。無線充電?現在市場正熱,但仍是極短距的應用,並不適合發電鞋來用。在衣服中埋一條電線來傳遞電力呢?除非這電線是超導材料,不然長距離的送電,好不容易收集到的電力還沒送到目標裝置,就已損耗的差不多了(如何紡織是另一難題)。

Call for Action

總而言之,發電鞋有其發展的利基,也有橫在眼前的許多挑戰。這些挑戰,其實不該都丟給研究學者或工程師來面對,也可以交由群眾來一起解決。

怎麼說呢?我們太習慣從技術和市場這兩個軸向來思考問題了,然而,若能將一個技術模組化後,丟出來給更多人用用看;甚至在進入技術開發前,先和各領域的人坐下來進行開放性的設計思考,很多問題可能都不是問題,而是機會。

你手上有適合發電鞋用的技術嗎?若想集眾人之智來推展應用,不妨告訴我們(INNOMAMBO),一起來Call for Action!

 

文章出處:社企流

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