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作者：泉琳综合报道 来源： 发布时间：2018-6-26 16:31:58
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James Wimshurst是一位19世纪英国的工程师和发明家，他曾发明了一种能产生高电压的奇妙机器——“Wimshurst感应起电机”。
这个以他名字命名的机器由两个装有金属片的反向旋转圆盘组成，中间留有空隙。两个圆盘分别固定在两个受动轮的轮轴上，当同轴的两个驱动轮旋转时，两根交叉的皮带分别带动两个受动轮反向旋转，从而使两个圆盘也反向转动。
在圆盘转轴上前后固定有两个金属电刷，其与旋转的圆盘动态接触时，就会起到传导电荷的作用。这种起电机摩擦起电的效率很高，并且可以根据需要随时随地产生静电电压，制造电弧。
在19世纪和20世纪初，物理学家和工程师们使用Wimshurst感应起电机和类似的设备来为X射线机甚至粒子加速器提供电力。但在今天，这些机器已经非常罕见，只有在科学博物馆和教室里才有可能一睹其“芳容”。
如今，美国加州大学圣芭芭拉分校的Maria Napoli及其同事重新对Wimshurst感应起电机进行了改造。研究人员创造了一个微流体版本，这种新型机器可以从环境中收集能量并将其转化为可用的电力。
革新版本
在这个全新装置中，油中的水银滴流经一个聚二甲基硅氧烷（PDMS）做成的塑料通道。该通道使水银滴沿着相反的方向传递，这就好像传统的Wimshurst感应起电机上的反向旋转圆盘。
微流体通道内嵌入的电极随着电量积聚带走电荷。但是这种电荷不会产生火花，而是可以作为电力使用。Napoli及其同事计算得出，一个直径仅为300微米的厘米级电路，如果水银滴以每秒10毫米的速度流动，就能产生大约12微瓦的功率。
目前，该团队已经建立了一个原理验证装置来测试这个想法。微流体的Wimshurst感应起电机由一个只有5厘米长，并携带几立方毫米水银的主通道组成。它只产生了理论上最大功率的一小部分——4毫微瓦。
虽然功率极小，但这并没有让实验团队感到沮丧。因为微流体技术可以在固态设备上进行一系列改进，比如改变通道的宽度和间隔，更好地控制液滴的大小和分布。“计算结果表明，对几何结构的直接改进应该能够将单通道设备的输出功率提高多达3个数量级。”团队表示。
更重要的是，多个通道可以很容易地串联或并联运行，从而产生更大的功率。而且与其他能量收集器相比，这种微流体装置的一大优点是它不需要以共振频率运行。
为此，Napoli及其同事研究了通过鞋子后跟里嵌入的隔膜泵驱动而产生的潜在输出。据Napoli介绍，假设一个人能以每秒1步的速度行走，一个直径为2厘米的泵可以为250个平行的微流体通道提供足够的流量，这些通道将会产生大约10毫瓦的输出功率，这足以为DVD光驱中的激光器提供动力。
边走边发电
实际上，“边走路边发电”的想法并非Napoli及其团队的首创。
早在2006年，美国芝加哥的自由设计师Elizabeth Redmond就设计出了发电地板。在美国密歇根州Ann Arbor闹市区的人行道上，她用4块2英尺×4英尺的压电板进行了试验。
随后，她又将这一设计应用于其负责的一项名为“能源飞跃”的工程中。在这项工程中，地板砖是用可发电的材料制成的。“我的设计是使用由锆酸铅制成的2英寸×1英寸压电陶瓷板，上面装有黄铜覆盖的镍电极，这样电流渗漏就会很低。”Redmond介绍说，每1英尺×1英尺的地面上有这么一块板，当有人踩过一块板，就可以产生5.5瓦的电能。
2011年，美国威斯康星大学机械工程学院教授Tom Krupenkin提出了一种更为新颖的发电方式，即借助鞋子走路发电。“理论测算每只鞋子可产生10瓦电能，但能量纯粹浪费在发热上了。考虑到现在很多移动设备的能源需求，一双鞋产生的20瓦电能并不算少。”Krupenkin坦言。
一直以来，Krupenkin带领团队致力于开发将机械能转换成电能的技术，他们提出了被称作“逆电润湿”的利用人体步行发电的新方法。这种方法使用了导电液体和能够产生电力的纳米薄膜涂层表面，只不过这种发电方式需要人们走得比平时快很多。
而Napoli及其同事则与他们的研究路径不同，他们从19世纪发明的摩擦感应起电机中获得灵感，并借助于微流体技术从而实现能量收集。
尽管10毫瓦的输出功率看上去微不足道，但对于目前正在开发的各种低能量通信设备和传感器而言，这是一个很有前景的数字。“因此，我们有充分的理由期待，对于各种能量收集用途而言，我们的原型设备便携、实用且功能强大。” Napoli信心十足。
当然，在研发的道路上挑战不可避免。其中一个重要的问题便是，这种设备的耐用性取决于靴子在其寿命期间所经受的磨损。不过，这是该实验团队可以解决的问题。
也许不久之后，给手机充电的最好方法就是穿上一双高跟鞋，然后去跑步。这一有趣而又独特的充电方式一定会让Wimshurst大吃一惊。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年5月刊 能源)
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