James Wimshurst是一位19世紀(jì)英國(guó)的工程師和發(fā)明家，他曾發(fā)明了一種能產(chǎn)生高電壓的奇妙機(jī)器——“Wimshurst感應(yīng)起電機(jī)”。
這個(gè)以他名字命名的機(jī)器由兩個(gè)裝有金屬片的反向旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)組成，中間留有空隙。兩個(gè)圓盤(pán)分別固定在兩個(gè)受動(dòng)輪的輪軸上，當(dāng)同軸的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩根交叉的皮帶分別帶動(dòng)兩個(gè)受動(dòng)輪反向旋轉(zhuǎn)，從而使兩個(gè)圓盤(pán)也反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
在圓盤(pán)轉(zhuǎn)軸上前后固定有兩個(gè)金屬電刷，其與旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)動(dòng)態(tài)接觸時(shí)，就會(huì)起到傳導(dǎo)電荷的作用。這種起電機(jī)摩擦起電的效率很高，并且可以根據(jù)需要隨時(shí)隨地產(chǎn)生靜電電壓，制造電弧。
在19世紀(jì)和20世紀(jì)初，物理學(xué)家和工程師們使用Wimshurst感應(yīng)起電機(jī)和類(lèi)似的設(shè)備來(lái)為X射線機(jī)甚至粒子加速器提供電力。但在今天，這些機(jī)器已經(jīng)非常罕見(jiàn)，只有在科學(xué)博物館和教室里才有可能一睹其“芳容”。
如今，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Maria Napoli及其同事重新對(duì)Wimshurst感應(yīng)起電機(jī)進(jìn)行了改造。研究人員創(chuàng)造了一個(gè)微流體版本，這種新型機(jī)器可以從環(huán)境中收集能量并將其轉(zhuǎn)化為可用的電力。
革新版本
在這個(gè)全新裝置中，油中的水銀滴流經(jīng)一個(gè)聚二甲基硅氧烷（PDMS）做成的塑料通道。該通道使水銀滴沿著相反的方向傳遞，這就好像傳統(tǒng)的Wimshurst感應(yīng)起電機(jī)上的反向旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)。
微流體通道內(nèi)嵌入的電極隨著電量積聚帶走電荷。但是這種電荷不會(huì)產(chǎn)生火花，而是可以作為電力使用。Napoli及其同事計(jì)算得出，一個(gè)直徑僅為300微米的厘米級(jí)電路，如果水銀滴以每秒10毫米的速度流動(dòng)，就能產(chǎn)生大約12微瓦的功率。
目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個(gè)原理驗(yàn)證裝置來(lái)測(cè)試這個(gè)想法。微流體的Wimshurst感應(yīng)起電機(jī)由一個(gè)只有5厘米長(zhǎng)，并攜帶幾立方毫米水銀的主通道組成。它只產(chǎn)生了理論上最大功率的一小部分——4毫微瓦。
雖然功率極小，但這并沒(méi)有讓實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)感到沮喪。因?yàn)槲⒘黧w技術(shù)可以在固態(tài)設(shè)備上進(jìn)行一系列改進(jìn)，比如改變通道的寬度和間隔，更好地控制液滴的大小和分布。“計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的直接改進(jìn)應(yīng)該能夠?qū)瓮ǖ涝O(shè)備的輸出功率提高多達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)。”團(tuán)隊(duì)表示。
更重要的是，多個(gè)通道可以很容易地串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，從而產(chǎn)生更大的功率。而且與其他能量收集器相比，這種微流體裝置的一大優(yōu)點(diǎn)是它不需要以共振頻率運(yùn)行。
為此，Napoli及其同事研究了通過(guò)鞋子后跟里嵌入的隔膜泵驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的潛在輸出。據(jù)Napoli介紹，假設(shè)一個(gè)人能以每秒1步的速度行走，一個(gè)直徑為2厘米的泵可以為250個(gè)平行的微流體通道提供足夠的流量，這些通道將會(huì)產(chǎn)生大約10毫瓦的輸出功率，這足以為DVD光驅(qū)中的激光器提供動(dòng)力。
邊走邊發(fā)電
實(shí)際上，“邊走路邊發(fā)電”的想法并非Napoli及其團(tuán)隊(duì)的首創(chuàng)。
早在2006年，美國(guó)芝加哥的自由設(shè)計(jì)師Elizabeth Redmond就設(shè)計(jì)出了發(fā)電地板。在美國(guó)密歇根州Ann Arbor鬧市區(qū)的人行道上，她用4塊2英尺×4英尺的壓電板進(jìn)行了試驗(yàn)。
隨后，她又將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用于其負(fù)責(zé)的一項(xiàng)名為“能源飛躍”的工程中。在這項(xiàng)工程中，地板磚是用可發(fā)電的材料制成的。“我的設(shè)計(jì)是使用由鋯酸鉛制成的2英寸×1英寸壓電陶瓷板，上面裝有黃銅覆蓋的鎳電極，這樣電流滲漏就會(huì)很低。”Redmond介紹說(shuō)，每1英尺×1英尺的地面上有這么一塊板，當(dāng)有人踩過(guò)一塊板，就可以產(chǎn)生5.5瓦的電能。
2011年，美國(guó)威斯康星大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授Tom Krupenkin提出了一種更為新穎的發(fā)電方式，即借助鞋子走路發(fā)電。“理論測(cè)算每只鞋子可產(chǎn)生10瓦電能，但能量純粹浪費(fèi)在發(fā)熱上了。考慮到現(xiàn)在很多移動(dòng)設(shè)備的能源需求，一雙鞋產(chǎn)生的20瓦電能并不算少。”Krupenkin坦言。
一直以來(lái)，Krupenkin帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，他們提出了被稱(chēng)作“逆電潤(rùn)濕”的利用人體步行發(fā)電的新方法。這種方法使用了導(dǎo)電液體和能夠產(chǎn)生電力的納米薄膜涂層表面，只不過(guò)這種發(fā)電方式需要人們走得比平時(shí)快很多。
而Napoli及其同事則與他們的研究路徑不同，他們從19世紀(jì)發(fā)明的摩擦感應(yīng)起電機(jī)中獲得靈感，并借助于微流體技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)能量收集。
盡管10毫瓦的輸出功率看上去微不足道，但對(duì)于目前正在開(kāi)發(fā)的各種低能量通信設(shè)備和傳感器而言，這是一個(gè)很有前景的數(shù)字。“因此，我們有充分的理由期待，對(duì)于各種能量收集用途而言，我們的原型設(shè)備便攜、實(shí)用且功能強(qiáng)大。” Napoli信心十足。
當(dāng)然，在研發(fā)的道路上挑戰(zhàn)不可避免。其中一個(gè)重要的問(wèn)題便是，這種設(shè)備的耐用性取決于靴子在其壽命期間所經(jīng)受的磨損。不過(guò)，這是該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)可以解決的問(wèn)題。
也許不久之后，給手機(jī)充電的最好方法就是穿上一雙高跟鞋，然后去跑步。這一有趣而又獨(dú)特的充電方式一定會(huì)讓W(xué)imshurst大吃一驚。■