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随着社会老龄化加剧，可穿戴设备在守护老人方面作用重大，但电池容量有限阻碍其发展。研究人员开展 “可穿戴下肢重力势能收集器（LLGPEH）” 研究，LLGPEH 功率密度达 0.837W/kg ，身份和活动识别准确率高，为老人可持续守护带来希望。
在全球老龄化浪潮的席卷下，老年群体的健康与安全成为社会关注的焦点。可穿戴设备，作为老年人健康监测的 “贴身卫士”，能实时捕捉身体信号，及时发现潜在风险。然而，其发展却遭遇了 “电池瓶颈”。有限的电池容量使得可穿戴设备频繁充电，使用不便，极大地限制了其在老年人健康守护领域的广泛应用。与此同时，人体蕴含着丰富的可利用能量，其中，下肢重力势能在日常活动中大量浪费却未得到有效开发。设想一下，每一次行走、抬腿，都伴随着能量的流失，如果能将这些浪费的能量回收利用，不就可以为可穿戴设备持续 “续航”，让其更好地守护老年人的健康吗？基于这样的思考，研究人员踏上了探索之路，致力于开发一种能回收下肢重力势能的可穿戴设备，为老年人的可持续健康守护寻找新的解决方案。
来自未知研究机构的研究人员开展了关于可穿戴下肢重力势能收集器（Lower Limb Gravitational Potential Energy Harvester，LLGPEH）的研究。研究结果显示，LLGPEH 在 7km/h 的速度下，功率密度达到 0.837W/kg，具备为可穿戴设备供电的能力。并且，其搭载的圆柱形滚柱轴承摩擦纳米发电机（Cylindrical Roller - Bearing Triboelectric Nanogenerator，CRB - TENG）对用户身份识别和人类活动识别的准确率分别达到了 98.33% 和 95.83%。这一研究成果意义重大，它证实了回收利用人体下肢重力势能在可持续保障老年人健康方面具有巨大潜力，为可穿戴设备的能源供应开辟了新途径，有望推动老年人健康监测技术的革新。该研究成果发表在《Applied Materials Today》。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在设备设计上，采用了基于绳索的二合一机制、加速齿轮组和半波整流器机制实现运动转换和频率上转换。通过特殊设计的三转子电磁发电机（Three - Rotor Electromagnetic Generator，TR - EMG），利用同轴反向旋转提升功率密度；精心设计的 CRB - TENG，以线接触的方式平衡摩擦和电荷转移。同时，借助深度学习处理 CRB - TENG 产生的摩擦电信号，实现身份和活动识别。
下肢分析
研究人员对人体行走时下肢进行分析，发现行走过程中下肢的抬起和放下会使下肢重力势能发生变化。在整个步态周期中，膝盖高度持续改变，当大腿下降时，髋关节会做负功来抵消下肢重力势能以调节运动，而这部分重力势能通常被浪费。这一现象为后续研究回收下肢重力势能提供了依据。
磁体和线圈阵列的模拟分析
磁体和线圈是影响 TR - EMG 发电的关键因素。研究表明，当圆柱形磁体按圆周模式均匀排列，且相邻磁体以相反磁极排列时，能产生更大的磁通密度。以往研究中，电磁发电机的线圈常布置在磁体阵列一侧，导致另一侧磁通量浪费。本研究通过特殊设计，使线圈转子布置在磁体转子两侧并同轴反向旋转，有效提高了 TR - EMG 的功率密度。
研究结论
本研究首次提出下肢重力势能回收的概念，并成功设计出可穿戴下肢重力势能收集器 LLGPEH。通过大量实验和模拟验证了回收下肢重力势能用于可持续保障老年人健康的可行性。LLGPEH 由两个相同的 TR - EMG 和一个 CRB - TENG 组成，在发电性能、身份识别和活动识别方面都展现出良好的效果。
研究讨论
这项研究成果为解决可穿戴设备能源问题和老年人健康守护提供了新的思路和方法。LLGPEH 的设计理念和技术创新为后续相关研究奠定了基础。不过，在实际应用中可能还面临一些挑战，比如设备的舒适性、长期稳定性等。未来的研究可以朝着优化设备结构、提高用户体验的方向展开。总的来说，该研究成果在生命科学和健康医学领域具有重要意义，有望为老年人健康监测和可穿戴设备的发展带来新的突破，推动相关技术在实际场景中的广泛应用，切实改善老年人的生活质量，为老龄化社会的健康保障提供有力支持。
