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Poder de la rodilla
Los ingenieros que diseñan dispositivos portátiles que recolectan energía humana para obtener energía se enfrentan a un dilema abrumador: ¿cómo recolectar una cantidad significativa de energía sin hacer que el usuario dedique mucho esfuerzo adicional? Los dispositivos como los generadores de manivela y las radios de cuerda requieren el trabajo manual del usuario, y los generadores montados en zapatas existentes producen menos de un vatio de potencia.
Caminando con fuerza: Esta rodillera (arriba) tiene un sistema de potencia de frenado generativo que convierte la energía gastada mientras una persona camina en electricidad.
Un equipo de ingenieros ha desarrollado una rodillera modificada que captura la energía que de otro modo se habría perdido mientras el usuario camina. El generador produce unos cinco vatios, suficiente para alimentar 10 teléfonos móviles simultáneamente.
Si quieres potencia, ve a donde están los músculos, dice Max Donelan , profesor de la Universidad Simon Fraser, en Columbia Británica, que dirigió la investigación. Pensamos que tal vez haya una forma inteligente y selectiva de recolectar energía cuando los músculos normalmente están desacelerando en el cuerpo. La investigación de Donelan aparece en la edición del 8 de febrero de la revista. Ciencias .
Donelan miró a las piernas, que tienen los músculos más grandes del cuerpo, y aprovechó una comprensión cuidadosa de cómo los humanos usan la energía para caminar. Durante una zancada promedio, una persona usa sus músculos para doblar la rodilla y balancear la pierna hacia adelante, como un péndulo. Este es un trabajo positivo. Al final del swing, realiza un trabajo negativo para desacelerar su pierna en movimiento. Coloca el pie en el suelo y, para entonces, la otra pierna ha comenzado a balancearse.
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Vea la rodillera en acción.
Donelan y su equipo se concentraron en recolectar energía desde el final de la zancada usando su rodillera biónica. Cuando el generador del aparato ortopédico está activado, acumula energía mientras ralentiza el movimiento de la pierna. Como resultado, el corsé reduce el esfuerzo humano requerido al final de la fase de balanceo.
Sin embargo, si el mecanismo se enganchara continuamente, también impediría la aceleración al comienzo del swing y requeriría más energía del usuario. Para resolver este problema, Donelan instaló un sensor en el dispositivo para monitorear el ángulo de la rodilla y encender y apagar el generador. Según su investigación, este enfoque de frenado generativo requiere solo un octavo de la potencia metabólica de un mecanismo de funcionamiento continuo.
Lo que es extremadamente inteligente de este dispositivo es que solo intenta capturar energía mecánica cuando los músculos estarían preparados para ralentizar el cuerpo, dice Lawrence Roma , profesor de biología en la Universidad de Pennsylvania. Rome, que no trabajó en la rodillera, diseñó recientemente una mochila que convierte la energía de caminar en electricidad. [La rodillera de Donelan es] un dispositivo inteligente y solo funciona cuando intentas frenar tú mismo, dice Rome. Permite que el par inverso del generador haga el trabajo del músculo.
Si el enfoque de Donelan para la recolección de energía le suena familiar, es porque usa la misma estrategia empleada por los automóviles híbridos. Cuando un conductor aplica los frenos de un híbrido, el motor eléctrico comienza a actuar como generador. El generador ralentiza el automóvil y al mismo tiempo convierte la energía cinética en electricidad, que luego se utiliza para recargar la batería. Los sistemas de frenado convencionales se basan en la fricción para reducir la velocidad y la energía cinética del automóvil se disipa en forma de calor.
Caminar es como conducir con paradas y arranques, dice Donelan. En cada paso, los músculos aceleran y luego desaceleran el cuerpo. Los coches híbridos toman energía y se la dan a la batería.
El prototipo de Donelan pesa poco más de tres libras y actualmente está desarrollando un modelo liviano que podría ser utilizado por los fabricantes de prótesis y el ejército. La demanda de recolectores de energía humana como la rodillera de Donelan y la mochila de Rome está aumentando, gracias en parte a la proliferación de pequeños dispositivos electrónicos como teléfonos celulares y unidades GPS de mano, especialmente en el ejército.
Un soldado con una misión de 24 horas [podría tener que] llevar consigo casi 30 libras de baterías, dice Donelan. Tienen que alimentar todo, desde el GPS hasta las comunicaciones y la visión nocturna.
Además, Donelan dice que su rodillera tiene potencial en los mercados médicos: podría aumentar una extremidad paralizada o impulsar una prótesis. Puede tomar una extremidad sana y usarla para alimentar la extremidad lesionada, dice.