James Wimshurst是一位19世紀英國的工程師和發(fā)明家，他曾發(fā)明了一種能產生高電壓的奇妙機器——“Wimshurst感應起電機”。
這個以他名字命名的機器由兩個裝有金屬片的反向旋轉圓盤組成，中間留有空隙。兩個圓盤分別固定在兩個受動輪的輪軸上，當同軸的兩個驅動輪旋轉時，兩根交叉的皮帶分別帶動兩個受動輪反向旋轉，從而使兩個圓盤也反向轉動。
在圓盤轉軸上前后固定有兩個金屬電刷，其與旋轉的圓盤動態(tài)接觸時，就會起到傳導電荷的作用。這種起電機摩擦起電的效率很高，并且可以根據(jù)需要隨時隨地產生靜電電壓，制造電弧。
在19世紀和20世紀初，物理學家和工程師們使用Wimshurst感應起電機和類似的設備來為X射線機甚至粒子加速器提供電力。但在今天，這些機器已經非常罕見，只有在科學博物館和教室里才有可能一睹其“芳容”。
如今，美國加州大學圣芭芭拉分校的Maria Napoli及其同事重新對Wimshurst感應起電機進行了改造。研究人員創(chuàng)造了一個微流體版本，這種新型機器可以從環(huán)境中收集能量并將其轉化為可用的電力。
革新版本
在這個全新裝置中，油中的水銀滴流經一個聚二甲基硅氧烷（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感應起電機上的反向旋轉圓盤。
微流體通道內嵌入的電極隨著電量積聚帶走電荷。但是這種電荷不會產生火花，而是可以作為電力使用。Napoli及其同事計算得出，一個直徑僅為300微米的厘米級電路，如果水銀滴以每秒10毫米的速度流動，就能產生大約12微瓦的功率。
目前，該團隊已經建立了一個原理驗證裝置來測試這個想法。微流體的Wimshurst感應起電機由一個只有5厘米長，并攜帶幾立方毫米水銀的主通道組成。它只產生了理論上最大功率的一小部分——4毫微瓦。
雖然功率極小，但這并沒有讓實驗團隊感到沮喪。因為微流體技術可以在固態(tài)設備上進行一系列改進，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。“計算結果表明，對幾何結構的直接改進應該能夠將單通道設備的輸出功率提高多達3個數(shù)量級。”團隊表示。
更重要的是，多個通道可以很容易地串聯(lián)或并聯(lián)運行，從而產生更大的功率。而且與其他能量收集器相比，這種微流體裝置的一大優(yōu)點是它不需要以共振頻率運行。
為此，Napoli及其同事研究了通過鞋子后跟里嵌入的隔膜泵驅動而產生的潛在輸出。據(jù)Napoli介紹，假設一個人能以每秒1步的速度行走，一個直徑為2厘米的泵可以為250個平行的微流體通道提供足夠的流量，這些通道將會產生大約10毫瓦的輸出功率，這足以為DVD光驅中的激光器提供動力。
邊走邊發(fā)電
實際上，“邊走路邊發(fā)電”的想法并非Napoli及其團隊的首創(chuàng)。
早在2006年，美國芝加哥的自由設計師Elizabeth Redmond就設計出了發(fā)電地板。在美國密歇根州Ann Arbor鬧市區(qū)的人行道上，她用4塊2英尺×4英尺的壓電板進行了試驗。
隨后，她又將這一設計應用于其負責的一項名為“能源飛躍”的工程中。在這項工程中，地板磚是用可發(fā)電的材料制成的。“我的設計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，這樣電流滲漏就會很低。”Redmond介紹說，每1英尺×1英尺的地面上有這么一塊板，當有人踩過一塊板，就可以產生5.5瓦的電能。
2011年，美國威斯康星大學機械工程學院教授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。“理論測算每只鞋子可產生10瓦電能，但能量純粹浪費在發(fā)熱上了。考慮到現(xiàn)在很多移動設備的能源需求，一雙鞋產生的20瓦電能并不算少。”Krupenkin坦言。
一直以來，Krupenkin帶領團隊致力于開發(fā)將機械能轉換成電能的技術，他們提出了被稱作“逆電潤濕”的利用人體步行發(fā)電的新方法。這種方法使用了導電液體和能夠產生電力的納米薄膜涂層表面，只不過這種發(fā)電方式需要人們走得比平時快很多。
而Napoli及其同事則與他們的研究路徑不同，他們從19世紀發(fā)明的摩擦感應起電機中獲得靈感，并借助于微流體技術從而實現(xiàn)能量收集。
盡管10毫瓦的輸出功率看上去微不足道，但對于目前正在開發(fā)的各種低能量通信設備和傳感器而言，這是一個很有前景的數(shù)字。“因此，我們有充分的理由期待，對于各種能量收集用途而言，我們的原型設備便攜、實用且功能強大。” Napoli信心十足。
當然，在研發(fā)的道路上挑戰(zhàn)不可避免。其中一個重要的問題便是，這種設備的耐用性取決于靴子在其壽命期間所經受的磨損。不過，這是該實驗團隊可以解決的問題。
也許不久之后，給手機充電的最好方法就是穿上一雙高跟鞋，然后去跑步。這一有趣而又獨特的充電方式一定會讓Wimshurst大吃一驚。■