Potere al ginocchio

Gli ingegneri che progettano dispositivi indossabili che raccolgono energia umana per il potere devono affrontare un dilemma arduo: come si accumula una quantità significativa di energia senza che l'utente faccia uno sforzo extra? Gadget come i generatori a manovella e le radio a carica manuale richiedono un lavoro manuale da parte dell'utente e i generatori montati su scarpe esistenti producono meno di un watt di potenza.

Camminata potente: Questa ginocchiera (sopra) è dotata di un sistema di frenata generativa che converte l'energia spesa mentre una persona cammina in elettricità.

Un team di ingegneri ha sviluppato una ginocchiera modificata che cattura l'energia che altrimenti sarebbe andata persa mentre chi la indossa cammina. Il generatore produce circa cinque watt, sufficienti per alimentare 10 telefoni cellulari contemporaneamente.

Se vuoi potenza, vai dove sono i muscoli, dice Max Donelan , professore alla Simon Fraser University, nella British Columbia, che ha guidato la ricerca. Abbiamo pensato che forse esiste un modo intelligente e selettivo per raccogliere energia quando i muscoli del corpo normalmente decelerano. La ricerca di Donelan appare nel numero dell'8 febbraio della rivista Scienza .

Donelan ha guardato alle gambe, che hanno i muscoli più grandi del corpo, e ha sfruttato un'attenta comprensione di come gli umani usano l'energia per camminare. Durante una falcata media, una persona usa i suoi muscoli per piegare il ginocchio e far oscillare la gamba in avanti, come un pendolo. Questo è un lavoro positivo. Alla fine dello swing, esegue un lavoro negativo per rallentare la gamba in movimento. Poggia il piede a terra e nel frattempo l'altra gamba ha iniziato a oscillare.

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• Guarda la ginocchiera in azione.

Donelan e il suo team si sono concentrati sulla raccolta di energia dalla fine della falcata utilizzando la loro ginocchiera bionica. Quando il generatore del tutore è attivato, raccoglie energia mentre rallenta il movimento della gamba. Di conseguenza, il tutore riduce lo sforzo umano richiesto alla fine della fase di oscillazione.

Se il meccanismo fosse continuamente impegnato, tuttavia, impedirebbe anche l'accelerazione all'inizio dell'oscillazione e richiederebbe più energia da parte di chi lo indossa. Per risolvere questo problema, Donelan ha installato un sensore nel dispositivo per monitorare l'angolo del ginocchio e accendere e spegnere il generatore. Secondo la sua ricerca, questo approccio di frenata generativa richiede solo un ottavo della potenza metabolica di un meccanismo in continuo funzionamento.

La cosa estremamente intelligente di questo dispositivo è che cerca solo di catturare l'energia meccanica quando i muscoli sarebbero pronti a rallentare il corpo, dice Lorenzo Roma , professore di biologia all'Università della Pennsylvania. La Roma, che non ha lavorato sulla ginocchiera, ha recentemente progettato uno zaino che converte l'energia della camminata in elettricità. [La ginocchiera di Donelan è] un dispositivo intelligente e funziona solo quando stai cercando di frenarti, dice Rome. Lascia che la coppia inversa del generatore faccia il lavoro del muscolo.

Se l'approccio di Donelan alla raccolta di energia suona familiare, è perché utilizza la stessa strategia impiegata dalle automobili ibride. Quando un guidatore applica i freni di un ibrido, il motore elettrico inizia a fungere da generatore. Il generatore rallenta l'auto e contemporaneamente converte l'energia cinetica in energia elettrica, che viene poi utilizzata per ricaricare la batteria. I sistemi di frenatura convenzionali si basano sull'attrito per rallentare e l'energia cinetica dell'auto viene dissipata sotto forma di calore.

Camminare è come guidare a singhiozzo, dice Donelan. Ad ogni passo, i muscoli accelerano e poi decelerano il corpo. Le auto ibride prendono energia e la danno alla batteria.

Il prototipo di Donelan pesa poco più di tre libbre e sta attualmente sviluppando un modello leggero che potrebbe essere utilizzato dai produttori di protesi e dai militari. La domanda di raccoglitori di energia umana come la ginocchiera di Donelan e lo zaino di Rome è in aumento, in parte grazie alla proliferazione di piccoli dispositivi elettronici come telefoni cellulari e unità GPS portatili, soprattutto in ambito militare.

Un soldato con una missione di 24 ore [potrebbe dover] portare con sé quasi 30 libbre di batterie, dice Donelan. Devono alimentare qualsiasi cosa, dal GPS alle comunicazioni alla visione notturna.

Inoltre, Donelan afferma che la sua ginocchiera ha un potenziale nei mercati medici: potrebbe aumentare un arto paralizzato o potenziare una protesi. Potresti prendere un arto sano e usarlo per alimentare l'arto ferito, dice.

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