IT-байки: заряжай мобильник силой… коленки. И мысли / Аналитика

Изобретение, которому посвящена сегодняшняя публикация, вряд ли заслуживает статуса Открытия Века, Технологического Прорыва Человечества или Решения Глобальной Проблемы, которым мы частенько отдавали должное внимание в последних выпусках «IT-баек». Ничего, порой гораздо полезнее поговорить о сиюминутных делах - о наболевшем, касающемся почти каждого и требующем простого, недорогого и немедленного решения. Выбирая себе в попутчики очередного «цифрового компаньона» - будь то MP3-плеер, мобильный телефон, коммуникатор или ноутбук, и прячась таким образом за стены индивидуальной «цифровой свободы», мы часто наталкиваемся на ряд досадных технических ограничений. Это может быть недостаточная производительность, скромный арсенал беспроводных интерфейсов с малым радиусом действия или слишком медленной скоростью, неудобные средства ввода или отображения данных, и многое другое. Случаев, когда в понравившемся устройстве «всё есть, но чего-то не хватает», предостаточно, и почти всегда для полного счастья не хватает действительной автономности. Какими бы мощными и «долгоиграющим» ни был ресурс устройства, от зарядки аккумуляторов или замены батареек никуда не деться. Если на время дистанцироваться от продления работоспособности портативной электроники методом улучшения энергосбережения, на поверхности остаются два ключевых способа «отвязаться от розетки» - увеличение ёмкости батарей при сохранении или даже уменьшении их размеров, и получение необходимой дополнительной энергии в дороге подручными средствами. Не вдаваясь в дальнейшую, более мелкую детализацию классификации, разделим подручные средства зарядки на мускульные и на «все остальные». В последнюю категорию войдут одноразовые зарядки подсевшей батареи – непременный атрибут современных киосков и магазинов мобильной связи, солнечные батареи на рюкзаке и прочая экзотика. Способы зарядки с помощью собственной мускулатуры, которая «всегда с тобой» по определению, и станут объектом нашего сегодняшнего разговора.

Классический пример использования собственной мускульной энергии для добычи электричества в автономных условиях – знакомый многим с детства фонарик типа «жучок». Хрестоматийный «советский» вариант такого фонарика оснащён механическим генератором, преобразующим сжатие рукоятки в электрической ток. В настоящее время промышленность выпускает множество обновлённых вариантов, где от древнего «жучка» осталась только идея: низковольтная лампочка накаливания давно заменена на светодиоды, а вместо сжатия рукоятки может применяться любой другой способ раскрутки генератора.

Так, например, «вечный» карманный фонарик производства JJ-CONNECT достаточно как следует потрясти полминуты, чтобы затем получить порядка пяти минут яркого света. А устройство JJ-Connect Dynalight и вовсе оснащено рукояткой – как заправская динамо-машина; к тому же эта модель может работать не только в качестве фонарика, но также исполнять функции аккумулятора, проблескового маячка, сирены, компаса и зарядного устройства для портативной электроники.

В целом, нет ничего сложного или нового в любой идее добычи электричества с помощью мускульной силы. Совсем другое дело – использовать мускулы таким образом, чтобы сделать процесс добычи электричества практически незаметным и не напрягающим делом. Занятно, конечно, когда у одного из прототипов «стодолларового» ноутбука для развивающихся стран (проект OLPC) появляется забавная ручка динамо-машины, но, согласитесь, неплохо бы сделать подпитку плеера, телефона или ноутбука менее хлопотливым и не отвлекающим процессом. Другой пример отнюдь не рачительного использования мускульной энергии – современные войсковые мускульные генераторы. Бесспорно, захочешь жить – как миленький будешь крутить ручку генератора. Другое дело, что в среднем на «производство» таким способом каждого ватта электричества затрачивается более 6 ватт мускульной энергии, и, опять же, вряд ли в это время воин-генератор способен выполнять любые другие задачи.

Среди великого множества способов преобразования кинетической энергии движущегося человека в электрическую «в фоновом режиме» запатентованы весьма и весьма причудливые варианты. Чего стоят хотя бы часы, «добывающие» милливатты из энергии сгибания руки! Примерно по той же «дорожке» последовали изобретатели биомеханического генератора, который стал поводом сегодняшней публикации. Однако устройство под названием Biomechanical Energy Harvester (что-то вроде «Сборщик биомеханической энергии»), которое крепится в районе коленки, вряд ли можно отнести к разряду причуд – хотя бы по той причине, что оно способно генерировать в тысячу раз больше энергии, нежели выше упомянутые часы.

Принцип работы «Сборщика энергии» достаточно прост. Шагая, каждый из нас задействует в области колена две различные группы мышц. Схематично, первая группа мышц отвечает за разгибание и «выталкивание» ноги вперёд, в то время как вторая группа, включающаяся в дело после установки ноги на землю после полного растяжения мышц первой группы, начинает работать в качестве своеобразного «тормоза» - этакий природный биомеханический «тяни-толкай». Впрочем, как бы гармонично и законченно не выглядел принцип «природного равновесия», процесс «торможения» с точки зрения энергозатрат показался исследователям вопроса в некоторой степени расточительным. В частности, группа учёных из лаборатории движения (Locomotion Laboratory) при Фрейзеровском университете (Simon Fraser University, SFU), в Барнаби, Канада, возглавляемая Максом Донеланом (Max Donelan), после длительных экспериментов пришла к следующему выводу: эту механическую энергию можно и нужно преобразовывать в электричество. Учёные сравнивают генератор «сборщика биомеханической энергии» с принципом, используемым в гибридных автомобилях, когда электричество вырабатывается при нажатии на тормоз; таким образом, технология получила название «генерирующее торможение».

Устройство представляет собой электрический генератор на алюминиевом шасси и включает в себя все необходимые узлы, в том числе трансмиссию, захваты, сенсор, следящий за углом сгиба ноги, и цифровой контроллер. Электроника включает генератор только в момент, когда нога касается земли. Для испытания «сборщиков энергии» были привлечены шестеро добровольцев из числа исследователей, при этом испытания с соответствующими замерами и контролем состояния проводились на оборудованных специальным образом тренажёрах типа «беговая дорожка». Благодаря сенсорам учёные смогли с достаточной степенью точности определить скорость и угол сгиба ноги в колене, чтобы впоследствии отрегулировать устройство для «снятия энергии» исключительно в «фазе торможения». Результат превзошёл ожидания: как гласит публикация в журнале Science, устройство способно генерировать до 5 Вт энергии – это более чем достаточно для питания 10 телефонов!

Отдельно стоит отметить, что, несмотря на 1,6 кг вес прототипа Biomechanical Energy Harvester, а также дополнительную нагрузку при креплении устройства на ногу, добровольцы не испытывали какого-либо существенно заметного дискомфорта при его ношении. Что интересно, расход кислорода, чётко отражающий изменение обмена веществ и нагрузки организма, в процессе экспериментов практически не увеличивался. Более того, по словам Макса Донелана, генератор в какой-то степени даже помогает движению, перекладывая на себя часть типичной мышечной нагрузки. Казалось бы, несколько курьёзная ситуация – серьёзный научный коллектив занимается разработкой совершенно тривиальной вещи для совсем уж повседневного применения. Неужели им больше нечем заняться кроме изобретения генераторов для коммуникаторов да ноутбуков? На самом деле, научный подход к разработке устройств класса Biomechanical Energy Harvester подразумевает их широкое последующее внедрение для использования в медицинских нуждах. Достаточно представить себе больных сахарным диабетом, нуждающихся в интенсивной инсулиновой терапии, с автономными инсулиновыми помпами. Или кардиостимулятор с теоретически неограниченным сроком службы аккумулятора. Что интересно, специалисты из Стэнфордского Университета (Stanford University) уже заявили о разработках генератора электрической подпитки для кардиостимулятора, который в качестве мускульной энергии использует… биение самого сердца. А Дуглас Вебер (Douglas Weber) из Питтсбургского медицинского Университета (University of Pittsburgh School of Medicine), Пенсильвания, руководящий лабораторией со схожими задачами, полагает, что подобные генераторы в перспективе могут быть встроены в новейшие нейропротезы (искусственные конечности, напрямую управляемые мозгом пациента), а также в стимуляторы, вживляемые пациентам с болезнью Паркинсона. Автономное неиссякаемое питание наверняка будет востребовано работниками экстремальных профессий - военными, нефтяниками, геологами, спасателями. Наконец, чем хуже мы, обычные смертные? Возможно, для массового распространения аппарату Biomechanical Energy Harvester было бы весьма полезным принять более эстетичный вид, да и вес убавить – хотя бы вполовину, не помешало бы. Однако я уверен, что даже в таком виде 5 Вт генератор вполне способен заинтересовать многих любителей автономных путешествий (в первую очередь автостопщиков), которым жизнь в палатке милее многозвёздочных отелей, и всю прелесть отдыха под открытым небом портит лишь вопрос зарядки мобильника, GPS-приёмника или портативного ПК. Да что там говорить, нашей журналистской братии вряд ли помешал бы Biomechanical Energy Harvester – ходишь, фотографируешь, берёшь интервью, а в это время твой фотоаппарат, ноутбук, мобильник и диктофон по очереди (или вместе) подзаряжаются в «теневом режиме». А штуковина на коленке… в конце концов, все уже привыкли даже к такой экзотике, как каска и фликер с надписью «Пресса» на спине фотокорреспондентов, можно привыкнуть и к такой штуковине. Судя по простоте конструкции, устройство класса Biomechanical Energy Harvester вряд ли будет дорогим удовольствием даже на старте его продаж - по сути, это тривиальный мускульный генератор, разве что тщательно просчитанный и экспериментально проверенный на предмет минимальных дополнительных нагрузок на организм.

Столько много слов – и такой простой вывод. Возникает законный вопрос: стоило ли городить статью ради описания одного единственного – пусть даже супер-оптимизированного, способа превращения мускульной энергии в электрическую? И да, и нет. Не скрою, изначально меня удивил сам факт пристального внимания отечественной и зарубежной прессы к столь, казалось бы, простой новости. Затем, изрядно «покопавшись» в деталях, возникло желание привлечь внимание наших читателей не столько к этому конкретному факту, сколько к вопросу дальнейшей судьбы этого и других подобных – простых, но полезных и ежедневно востребованных технологий. Это я к чему. Всё чаще и чаще в новостях и научно-популярных публикациях затрагиваются всевозможные нанотехнологии, биомолекулярная химия, умопомрачительно прецизионные технологические процессы. И другие исследования и производственные вопросы с «ценой вхождения» в бизнес, оцениваемый в миллиарды долларов. То есть, неподъёмный для современных начинающих техногениев. И будь ты хоть трижды Стив Джобс, Билл Хьюлетт и Дэвид Паккард; будь у тебя хоть три гаража и бесконечные амбиции, всё равно, мол, не пробиться, Золотой Век технологий уже позади, без миллиарда в заднем кармане соваться не стоит. Категорически с этим не соглашусь. Да, не под силу нынче организовать кустарное производство компьютеров в собственном сарае, в одиночку или силами малочисленной компании любителей добиться успеха в нанотехнологиях. В то же время - оглянитесь вокруг, многие простые и востребованные вещи до сих пор находятся в стадии разработки и ещё не доведены до массового производства! Возьмём сегодняшний пример с Biomechanical Energy Harvester, судьба его весьма предсказуема: сначала патентная заявка, затем начало производства, и где-нибудь в третьем поколении – доведение до идеального устройства из лёгкого поликарбоната, не торчащего из-под штанины, весящего 200 граммов и совершенно незаметно генерирующего 10 Вт и более в час!

Дальше – больше, в массовое производство могут пойти машинки вроде Lightning Packs, изобретённые в стенах того же Университета в Пенсильвании для добычи электричества или прогулках. Опять - ничего сложного, опять – идея на поверхности, лишь доработать и довести до массового производства, а уж спрос – разумеется, при трезвой цене, может идти на миллионы парт таких ботинок. В конце концов, торговля практичными, зарегистрированными вовремя патентами – тоже неплохой бизнес.

Так что, может быть, пора стряхнуть пыль с инструментов, и, наконец, с собственных мозгов? Сдаётся мне, что при недостаче идей в старых подшивках журналов «Юный Техник», «Техника-Молодёжи», «Радио», «Моделист-Конструктор» найдётся столько не доведённых до ума технологий (мало ли - материалы были тогда не те, электроника, потребности…), что в буквальном смысле смогут озолотить не одну тысячу желающих. Ну а нанотехнологии и прочие квантовые компьютеры - так и быть, оставим их космическим кораблям, которые бороздят Большой Театр в телевизоре. В конце концов, аппетит приходит во время еды, придёт время – и до них дойдут руки.

Вот, собственно говоря, всё, что хотелось сегодня сказать. Совсем не обязательно считать это вызовом на «слабо?», но как знать, может у кого-то из наших читателей после прочтения появятся какие-нибудь необычные идеи на будущее? Пишите. Ссылки по теме:

- Обсудить материал в конференции