这个背包原型减轻了自身的重量和内部物品的晃动

Haotian Ju and Jian Qi

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/）.

背包客们都非常熟悉沉重背包带来的不适，但科学家们正在探索减轻这种负担的方法。在最近的一项研究中，中国的一个研究小组展示了一种背包原型，该原型几乎消除了内部负载的垂直惯性力。实验表明，这种背包的设计显著减少了用户携带它所需的能量。

如果你把一个物体放在包里，你无法改变那个物体的重量——但还有另一个因素在起作用，使得这个重量更难携带。当一个人迈出一步时，他们背包里的负载经常会上下移动，用额外的力推挤背包内部，这会让背包感觉比实际更重。

Yanhe Zhu是中国哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室的副主任，他对寻找抵消负载垂直运动的方法很感兴趣。

Yanhe Zhu表示：“能够抵消垂直力的背包解决了许多在通勤、徒步或跑步时背负重物的人的一个真正痛点。一种能够减轻这种负担同时提高舒适度和灵活性的产品可能会非常有吸引力。”

设计一种新型的悬浮背包

目前已经开发出了几种不同的悬浮背包，它们能够抵消内部负载的垂直移动，但这些背包配备的电机需要能量输入。Zhu和他的同事们开发出了一种几乎不需要能量输入的背包，他们将其称为准零刚度且阻尼可控的背包。

在背包内部，负载由两组对称的恒力机构来平衡，这些机构主要由弹簧和旋转杆组成。为防止负载与背包外缘发生碰撞（从而给佩戴者增加额外的惯性力），电机根据需要调节一个电磁阻尼器。

当负载靠近背包内壁时，阻尼器将进行恰到好处的调节以抵消重量的偏移，防止负载与背包外壳发生碰撞。然后，来自阻尼装置的能量会反馈到电机中。

Zhu说：“因此，只需要给微控制器供电来控制（设备的晶体管），而电机不需要额外的电能。”他指出，这种方法比其他需要动力来主动驱动电机的设计要节能得多。

一种机器学习算法有助于引导该系统，帮助它在使用者背着背包行走时学会如何抵消负载的惯性力（https://spectrum.ieee.org/the-algorithms-that-make-instacart-roll）。

在实验中，研究人员让志愿者在跑步机上分别背普通背包和他们的新原型背包，比较志愿者在背着不同背包并以不同速度行走时的能量消耗。

11月14日发表在《IEEE机器人与自动化快报》上的研究结果表明，与普通背包相比，这种新设计能够为使用者减少超过11%的能量消耗（https://ieeexplore.ieee.org/document/10753097）。

测试还表明，在原型背包内部，负载相对于地面几乎保持静止。例如，在快速行走速度下，与普通背包相比，这种背包可使垂直加速度平均降低超过85%。

Zhu说：“此外，当使用者弯腰时，该系统会动态调整负载的运动，以防止其与滑轨末端发生碰撞。”

他表示，他相信这项技术具有巨大的商业潜力，并对探索将其推向市场的方法感兴趣。

Zhu说：“我们的下一步将涉及集成智能算法，使悬挂式背包能够适应更广泛的运动模式，例如跳跃。”他还补充说，他和他的同事们还希望在使用电机发电模式时探索能量回收，以调节负载的运动。