Method Article

Optimierung der menschengemachten Energieerzeugung mittels Gaußscher Prozessregression

DOI:

10.3791/69810

⸱

January 16th, 2026

 ,  ,  , 
1Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, School of Engineering, Westlake University, 2Zhejiang Engineering Research Center of Micro/Nano-Photonic/Electronic System Integration, 3Hangzhou Navigation Instrument Co., Ltd, 4Department of Electronic and Information Engineering, School of Engineering, Westlake University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Protokoll optimiert menschenbetriebene Stromerzeugungssysteme mittels Gaußscher Prozessregression, um eine Effizienz von 80–90 % zu erreichen, während die physiologische Sicherheit gewahrt bleibt, und bietet reproduzierbare Methoden zur Umwandlung von Bewegung in nachhaltige Energieproduktion, wobei sowohl Arbeitslosigkeit als auch Herausforderungen erneuerbarer Energien adressiert werden.

Abstract

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Dieses Protokoll präsentiert einen Gaussian Process Regression (GPR)-Optimierungsrahmen für menschenbetriebene Stromerzeugungssysteme, um gleichzeitig technologische Arbeitslosigkeit und den Bedarf an erneuerbaren Energien zu decken. Sieben Teilnehmer führten 112 Versuche in 16 Konfigurationen durch, bei denen vier Batteriespannungen (12 V, 24 V, 36 V, 48 V) mit vier elektrischen Lasten (10 W, 30 W, 50 W, 70 W) mit einem modifizierten stationären Fahrradgenerator kombiniert wurden. Das GPR-Modell integrierte automatische Relevanzbestimmung (ARD) quadratierte exponentielle Kernel, um Pedalgeschwindigkeit, Druck, Spannung und Lastparameter auf die Erzeugungseffizienz abzubilden und gleichzeitig die Vorhersageunsicherheit zu quantifizieren. Die Echtzeit-Datenerfassung bei 2 Hz erfasste mechanische und elektrische Parameter über Hall-Effekt-Sensoren, Dehnungsmesser und Leistungsanalysatoren mit Modbus-Kommunikationsprotokollen. Das optimierte System erreichte eine theoretische maximale Effizienz von 80–90 % mit einem Variationskoeffizienten (CoV) unter 15 %, verglichen mit 60–70 % Effizienz und 25–35 % Variabilität in kommerziellen Systemen. GPR-Vorhersagen zeigten R² = 0,713 mit einer Latenz von unter 10 ms durch sparsame Approximationstechniken, was eine Echtzeitsteuerung ermöglichte. Optimale Betriebsparameter variierten systematisch: Niedrige Lasten benötigten 150–180 Umdrehungen pro Minute (RPM) bei 50–70 N-Druck, während höhere Lasten bei 100–120 U/min bei 100–150 N-Druck erreichten. Die 48-V-Konfiguration verbesserte die Effizienz um 68 % gegenüber dem 12-V-Basiswert (gemessen als relativer Effizienzindex, REI, normalisiert auf Basis = 100 %). Phasenspezifische Überwachung stellte den Beginn der Ermüdung nach 35–40 Minuten fest, was risikobewusste Kontrollanpassungen basierend auf posteriorer Unsicherheit auslöste. Das Protokoll etabliert quantitative Methoden zur Balance der Energieerzeugung mit physiologischen Einschränkungen und bietet einen reproduzierbaren Rahmen für den Einsatz von menschenbetriebenen Systemen in Fitnesseinrichtungen, in denen Break-even bei 0,18 $ pro kWh Strompreis erfolgt.

Introduction

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Die Konvergenz von künstlicher Intelligenz getriebener Automatisierung und Klimawandel stellt beispiellose Herausforderungen dar, die innovative Lösungen erfordern, die sowohl technologische Arbeitslosigkeit als auch nachhaltige Energieumstellungen adressieren. Empirische Analysen prognostizieren bis 2025 85 Millionen Arbeitsplatzverluste, wobei Computer- und mathematische Berufe einen Anstieg der Arbeitslosigkeit um 2,8 Prozentpunkte verzeichnen1. Gleichzeitig erreichten die atmosphärischen CO₂-Konzentrationen im Februar 2025 426,9 ppm, was eine dringende Erweiterung der Kapazität für e....

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Protocol

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Diese Studie beinhaltete nicht-invasive Belastungstests mit einem Heimtrainer und stellte für die Teilnehmer nicht mehr als ein minimales Risiko dar. Alle Teilnehmer waren gesunde erwachsene Freiwillige, die nach Erhalt detaillierter Informationen zu experimentellen Verfahren, ihrem Recht auf jederzeitigen Rücktritt und der Datenvertraulichkeit mündliche Einwilligung gaben. Die Verfahren folgten den ethischen Grundsätzen der Helsinkier Erklärung für Forschung mit menschlichen Probanden.

1. Zusammenstellung des HPEG

  1. Mechanische Strukturmontage
    HINWEIS: Alle mechanischen Modifikationen sollten ....

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Results

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Effizienz bezieht sich auf die thermodynamische Umwandlungseffizienz (0–100 %). REI bezeichnet den relativen Effizienzindex, berechnet als (beobachtet/Baseline) x 100 %, der 100 % überschreiten kann. Um heterogene Umgebungen zu vergleichen, wird ein Relative Efficiency Index verwendet, der berechnet wird, indem die beobachtete Effizienz durch eine feste Basiskonfiguration (12 V-70 W) geteilt wird, die unter derselben Pipeline gemessen wird. Daher bezeichnet REI = 110 % einen Gewinn von 1.......

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Discussion

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Die erfolgreiche Implementierung der GPR-basierten Optimierung für HPEG-Systeme hängt entscheidend von der mechanischen Kopplungspräzision und der Recheneffizienz28 ab. Die reine Felgen-Konfiguration erwies sich als unerlässlich, da komplette Radbaugruppen die Spurenwirkung durch Rotationskinertieum 35 % bis 45 % verschlechterten. Die Kalibrierung der Riemenspannung auf 350 ± 50N zeigte sich, da besonders kritische Abweichungen entweder zu .......

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Disclosures

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Die Autoren erklären, dass sie keinerlei Zugehörigkeit zu oder Beteiligung an einer Organisation oder Einrichtung mit finanziellem Interesse an den in diesem Manuskript behandelten Themen oder Materialien haben.

Acknowledgements

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Diese Forschung wurde durch das Scientific Research Funding Project der Westlake University mit der Fördernummer WU2024A001 finanziert. Die Autoren danken den experimentellen Teilnehmern: Yuqi Jiang, Lili Zeng, Luoqian Emu, Bin Yang, Zihan Chen, Yuhang Li und Sukron Amin für ihre wertvollen Beiträge zur Datenerhebung.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AC-Steckmodul (China GB/T, Paneltyp)10/16 A, eingebettete Kassette, KinderschutzfensterFünfloch-Desktop-AC-Steckdose (schwarz) Wanyu
Verstellbarer Polyurethan-V-RiemenABCZM-Typ, gelenkter PU-RiemenABCZM Universalgelenk-Polyurethan-V-Riemen (mit/ohne Bolzen) / —
Verstellbarer Schraubenschlüssel6 Zoll, LasermaßstabVerstellbarer Schraubenschlüssel 6 Zoll mit offenem Kiefer, polierter Griff 250006 Ruineng
Lichtmaschine, Dreiphasen-Permanentmagnet300 W, 24 V (wie angegeben)300 & Dash; 400 W Dreiphasen-Wechselstrom-Permanentmagnet-Generator, 300 W 24 V&nlsp;Jiunian
Batteriepack, tragbare Kraftstation2400 W tragbare Einheit mit großer Kapazität2400 W tragbares Notstromkraftwerk, multifunktionale Solarenergiespeicherung / —
Fahrradkette1/2" &-mal; 1/8", 920 kgf Zugfestigkeit, 0,5 % VerlängerungsgrenzeKMC X101
Fahrradcomputer (drahtlos)Wasserdicht, Nachtbeleuchtung, Geschwindigkeit/KilometerzählerKabelloser Großbild-Fahrradcomputer, wasserdicht, Hintergrundbeleuchtung / & Dash;
Fahrradtrainer (magnetische Rolle, Falten)Magnetwiderstand, belüftetes Schwungrad, Dual-Lock-KnöpfeMagnetwiderstandsrolltrainer, faltbarer / —
Fahrrad, Straße (700C)700C-Räder, übertrieben700C Aero-Rennrad, Mehrgang-Rennrad;Für immer, Yongjiu
Laderegler, MPPT (12/24 V)Automatik 12/24 V, 20 A (wie angegeben)MPPT Solarladeregler 12/24 V 20 A Lansheng
Stromsensor, Hall-Effekt&Plusmn; 100A, 20mV/A&Plusmn; 0,5 %, BW=120 kHzACS758LCB-100B
Diode (Blockierung) & Dash; Überprüfen Sie das genaue GerätListing mischt Schottky-Diode / bidirektionale TRIAC / IXFN132N50P3IXFN132N50P3 (Listing behauptet Schottky-Diode & bidirektionales TRIAC) / & Mdash;
Diode, ultraschnelle Wiederherstellung200V V_RRM, 30A I_F(AV), < 35ns t_rrRHRG30120
Isolierband (PVC)9 m RollIsolierband ET6 9 m Bull
Elektronische Last, programmierbar200W kontinuierlich, 0--500V, 0--120ABK Precision 8500
Mikrocontroller, 32-BitARM Cortex-M4, 72 MHz, 12-Bit-ADC@5MSPSSTM32F334C8T6
MOSFET, P-KanalRDS(on)< 10mΩ, 200V, -12AIRFP9240
Multimeter, digitalHintergrundbeleuchtet, überlastgeschütztDigitales Multimeter DEM23, hinterleuchtet, Anti-Burn Delixi
Multimeter, Präzision6,5-stellige Genauigkeit, 0,0035 % DCV-GenauigkeitFluke 8845AFluke
Operationsverstärker, QuadBahn-zu-Bahn, Vos< 2 mV, 1 MHz GBWMCP6004
Permanentmagnetgenerator24V/300W, 12-polige, NdFeB N42-MagneteYC-FD300
Zurücksetzbarer Leistungsschalter (Push-to-Reset)3 & Strich; 50 A-Serie (wie angegeben)Thermo-Reset-Leistungsschalter 88/98 Serie/AR 3 & Dash; 50 A Kuoyuh
Schraubendreher-Set (Kreuzschlitz/flach)6& Times; 100 mm, magnetische Spitzen, zweiteiligMagnetischer flacher Schraubendreher 6 x 100 mm (2 Stück) & nbsp;Phillips
Software, ProgrammierspracheVersion 3.8, mit GUI-FrameworkPython
Klemmenblock, Ein-Position (DIN/Panel)IN-100BK, 130 A-Klasse (wie angegeben)DIN-Bahn-Terminalblock IN-100BK, einstellig  WeilianDun
Klemmenblock, Ein-Position (DIN/Panel)IN-411S, 60 A-Klasse (wie angegeben)DIN-Schienen-Terminalblock IN-411S, Einzelposition  WeilianDun
Reifenhebel (Paar)30 cm (12 Zoll), 2 StückReifenhebel 12-Zoll (Paar) Chengzhou
TVS-Diode135V Klemmen, 1500W Peak, < 1ps-Antwort1.5KE100A
Drahtverbinder, Crimp-Schnellverbindung (Bullet)1.5 & Strich; 2,5 mm², Nylon, Blau, 100 SätzeBullet-Schnellverbindungsdrahtverbinder, blau (100 Sätze) Gotoele
Drahtabzieher/Crimper7-Zoll, Multifunktional7-Zoll-Multifunktions-Drahtabzieher DL902200 Deli
Draht, Silikon (12 AWG & Asymp; 3,4 mm²)Hochtemperatur-Silikonisolierung, 1 mSilikondraht 12 AWG (≈ 3,4 mm²) 1 m Lanjiang

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nartey, J. AI job displacement analysis (2025-2030). 5316265, SSRN. (2025).
  2. Kozhagulov, S., et al. Trends in atmospheric emissions in central asian countries since 1990 in the context of regional development. Climate. 13 (9), 176(2025).

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