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出行黑科技!东京大学研发充气折叠电动自行车,可以放进背包

作者: 学术头条

时间: 2020-05-17 17:56

【导读】上班高峰期面对最后一公里,找不到共享单车?自己的电动自行车没有合适的停放空间?也许这种可以放进背包的充气电动自行车,可以解决你的烦恼。

共享式移动出行工具,已经进入了电动 2.0 时代。人们已经不能满足于普通自行车出行。在很多体量较大的城市,电动自行车可以更好的解决中等距离的通行需要。

但是,由于电动自行车造价较高,且后续充电和维护成本较大,因此在推广过程中存在很大的困难。而对于选择自行购买电动自行车的人群来说,电动自行车的停放问题同样令人十分苦恼。

如果有一种新型的个人出行方式可以轻松随需携带和使用,并且能保证一定的速度,那么人们通勤方式就可以得到彻底改变。

例如,东京大学的研究团队正在研究的 Poimo,一种可以充气折叠的电动自行车,包括充气式车身主体和电动轮两部分。目前该产品并未投放市场,处在原型阶段。

当他们使用公共交通工具时,可以从背包中自取,快速方便的到达他们想去的地方。除此之外,为旅游业也可以带来极大的好处。人们将更加灵活地到达不同的景点,减少过长的步行距离带来的疲劳。

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图1:Poimo(POrtable and Inflatable MObility)-软移动原型(图片来源:东京大学)

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充气电动车的设计

材质和重量

充气主体的材料,使用了内部带有滴针的热塑性聚氨酯(TPU)织物,如图 2 所示。与典型的膨胀成球形的气动结构相比,内部的滴针可以连接相对的表面,因此,滴针作为内结构的织物可以保证一个平坦的表面,方便创造更适合人们使用的形状。

此外,内部的滴针织物是轻质的,因此 POIMO 的总重量主要来自表面上的 TPU 片。自行车原型的主体重量为 2.3kg,总重量为 7.8kg(图 1 底部的轮子)。

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图2 滴针结构(图片来源:东京大学)

运动系统

Poimo 的运动是由充气式车身主体底部的小型轮毂电机控制,并带有遥控器。轮毂电机是将车子的“动力系统、传动系统、刹车系统集成到一起而设计出来的电机。它的优点就是省略大量传动部件,让车辆结构更简单,同时可实现多种复杂的驱动方式。这种充气式车身和轮毂电机的这种结合有助于充气变形的方式和轻量化结构。

车身和功能部件的集成制造

在传统的机动性刚体生产中,需要对金属零件(例如:表面零件和悬架)进行预处理,焊接和组装。而软体材料的制造过程相对简单,其主体是通过剪裁织物并将它们缝合或粘合在一起而制成的。

此外该研究机构的研究人员还注意到,在软机器人领域,有一些关于通过利用充气结构的特性代替刚性机械零件的研究。在 Poimo 中,通过缝制气室来创建铰链,并以此作为可以转向的车把结构(如图 4)。

另外,气动体的粘度具有悬浮功能。由于 Poimo 的整个结构通过一个气室连接,因此可以同时实现具有转向和悬架功能的车身。

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图4 缝合部分(图片来源:东京大学)

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图5 充气展开过程(图片来源:东京大学)

上路测试实验

实验过程

为了评估一个人骑在 Poimo 上时车体的物理特性,该团队进行了一项实验。

假设人的体重为 80kg,研究人员施加 80kg 的载荷来研究车体的变形,如图 6a 所示。对于 24.1kPa,41.4kPa 和 58.6kPa 的几种不同内压条件,重复测试五次。测量系统由测力计(FGP-100,Nidec Inc.)、电动测力台(FGS-250VC,Nidec-SHIMPO Inc.)和向样品施加压力的肌腱组成(结果示于图 6b)。

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图6 实验装置及结果(图片来源:东京大学)

在所有这些条件下,样品均保持其形状而不会弯曲或破裂。但是,在 24.1kPa 的压力下,当重量大于 60kg 时,会在最高水平观察到皱纹。因此,研究人员得出结论,内部压力需要大于 41.4kPa,才能确保行驶平稳。这些结果对于交互性和安全性是必不可少的:最高级别的压力与使用者骑行时座椅下沉的舒适度有关;如果底部水平应变过大,车身可能会撞击车轮或路面。

此外研究人员还检查了将样品从平坦状态充气到 41.4kPa 状态所需的时间。使用手持式 20 PSI 充气机(THE SHARK,Outdoor Master Inc.)时,大约需要 71 秒。

展示和反馈

Poimo 在 2019 年 8 月 21 日至 23 日举办的“东京机器人收藏”活动上进行了一次对外展示。在展示中,收到了体验 Poimo 自行车(大约 300 人)的游客的反馈,以此了解他们对 Poimo 的使用感受。

尽管大多数人对自行车的舒适性和便携性印象深刻,得到了它比预期的坚固,骑起来也很有趣的一些积极评价。但也收到了一些改进的建议,例如一位访客评论说:“我想自定义形状,使我可以骑车而不必担心衣服(如裙子)或骑行姿势。” 另一位访客提到“车轮的尺寸应足够大,可以在城市中不平的公共道路上行驶。”基于这些反馈,总结出了图 7 中的问题和建议。

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图7 展示现场和将来研究中要考虑的问题(图片来源:东京大学)

相关研究人员认为,一旦超过原型阶段,即使保持模块化且易于定制的特性,Poimo 的成本效益也将比现有车辆高得多。所以他们计划继续优化系统,以提高便携性,减轻重量,舒适性和安全性,并通过其他用户研究来确定社会可行性和价格。

此外该研究也收到一些质疑的声音,例如为了保证轻便型需要减少电池的重量,那么现在原型中的电池可以支持它行驶多长时间。底部的电动轮部分也可以便捷的放入背包吗?另外,如果具有内置空气压缩机,则需要多长时间进行设置和充气?使用后放回背包需要多长时间,这是否是一个足够实用的过程,值得使用者带上这东西来摆脱短暂的步行路程?

总的来看,东京大学团队研究的 Poimo 具有很强的灵活性、便携性和本质安全性,可以提高个人出行的灵活性,甚至可能改变个人习惯的出行方式,带来共享时代的大变革。

但是,就目前的情况来看,Poimo 依旧面临很多的问题,除了上述的一些质疑外,还有充电时长及充电安全性、总重量 7.8kg 对于女士和少儿群体并不友好等问题。所以,对于真实的投产运营,依旧有很长的一段路要走。

参考资料:

https://dl.acm.org/doi/fullHtml/10.1145/3334480.3383147

https://spectrum.ieee.org/energywise/transportation/alternative-transportation/inflatable-ebike-fits-in-a-backpack

https://newatlas.com/bicycles/poimo-inflatable-ebike-backpack/

https://www.youtube.com/watch?v=OQawHw9phj0&feature=emb_err_woyt

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