新的清除剂技术使机器人可以“消耗”金属以获取能量

当电子设备需要自己的电源时,有两种基本选择:电池和收割机。电池在内部存储能量,但是它们很重并且供应有限。太阳能电池板等收割机从其周围环境收集能量。它绕过了电池的一些缺点,但引入了新的缺点,因为它们只能在特定条件下运行,并且不能很快将能量转化为有用的电能。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的最新研究首次以“金属空气清除剂”的形式缩小了这两种基本技术之间的差距,该技术获得了两全其美的优势。

这种金属空气清除剂的工作原理类似于电池,因为它通过反复破坏并形成一系列化学键来提供动力。但是它也像收割机一样工作,因为电力是由其周围环境中的能量提供的:特别是金属和空气清除剂周围空气中的化学键。

结果是电源的功率密度是最好的能量收集器的10倍,能量密度是锂离子电池的13倍。

从长远来看,这种能源可能会成为机器人技术新范式的基础,在机器人技术中,机器通过寻找和“吃掉”金属来保持自身动力,像人类对食物的作用一样,破坏其化学键以获得能量。

在短期内,这项技术已经为两家分拆公司提供了动力。宾夕法尼亚大学年度Y-Prize竞赛的获胜者计划使用金属空气清除剂为发展中国家离网房屋的低成本照明灯供电,并为运输集装箱提供长效传感器,以防盗窃,损坏甚至人身伤害贩运

研究人员,机械工程和应用力学系的助理教授James Pikul与其实验室成员Min Min和Unnati Joshi一起发表了一项研究,在ACS Energy Letters杂志上证明了其清除剂的能力。

开发其金属空气清除剂(MAS)的动机源于以下事实:组成微型机器人的技术和为机器人提供动力的技术在小型化方面根本不匹配。

随着单个晶体管尺寸的缩小,芯片在更小更轻的封装中提供了更多的计算能力。但是,当电池变小时,电池并不会以同样的方式受益。材料中化学键的密度是固定的,因此较小的电池必然意味着较少的键断裂。

皮库尔说:“计算性能和能量存储之间的这种倒置关系使小型设备和机器人很难长时间运行。”“有一些像昆虫一样大小的机器人,但是它们只能运行一分钟,然后电池电量耗尽。”

更糟糕的是,增加更大的电池并不能使机器人寿命更长。增加的质量将消耗更多的能量来移动,从而抵消了较大电池提供的额外能量。打破这种令人沮丧的倒置关系的唯一方法是寻找化学键,而不是将它们捆绑在一起。

皮库尔说:“像收集太阳能,热能或振动能的收割机一样,收割机正在变得越来越好。”“它们通常用于为离网的传感器和电子设备供电,并且您可能没有人在外面交换电池。问题是它们的功率密度低,这意味着它们无法从环境中吸收能量电池可以提供的速度。”

他说:“我们的MAS的功率密度比最好的收割机高十倍,以至于我们可以与电池竞争。它使用的是电池化学物质,但没有相关的重量,因为它吸收了这些化学物质来自环境。”

就像传统电池一样,研究人员的MAS从连接到其供电设备的阴极开始。阴极下面是一块水凝胶,一块海绵状的聚合物链网络通过其携带的水分子在金属表面和阴极之间传导电子。当水凝胶充当电解质时,它接触的任何金属表面都将充当电池的阳极,从而使电子流到阴极并为连接的设备供电。

为了他们的研究目的,研究人员将一辆小型机动车辆连接到了MAS。将水凝胶拖到其后,MAS车辆会氧化它经过的金属表面,从而在其尾迹中留下微小的锈蚀层。

为了证明这种方法的有效性,研究人员将其MAS车辆驱动器在铝表面上绕圈行驶。该车辆配备了一个小型储水罐,该储水罐不断将水吸入水凝胶中以防止其变干。

“能量密度是可用能量与必须承受的重量之比,” Pikul说。“即使考虑到多余的水的重量,MAS的能量密度也只有锂离子电池的13倍,因为汽车仅需携带水凝胶和阴极,而无需携带提供能量的金属或氧气。”

研究人员还对锌和不锈钢上的MAS车辆进行了测试。不同的金属根据其氧化潜力赋予MAS不同的能量密度。

这种氧化反应仅发生在表面的100微米之内,因此,尽管MAS可能会多次重复使用,从而耗尽所有容易获得的键,但几乎没有风险对其清除的金属造成重大的结构损坏。

由于用途广泛,研究人员的MAS系统非常适合Penn的年度Y-Prize竞赛,该竞赛是一项商业计划竞赛,该竞赛挑战团队以Penn Engineering开发的新生技术为基础来建立公司。今年的第一名团队Metal Light赢得了10,000美元的奖励,他们的提议是将MAS技术用于发展中国家离网房屋的低成本照明中。排名第二的M-Squared打算在运输集装箱中使用MAS驱动的传感器。

“在短期内,我们将看到我们的MAS支持物联网技术,例如Metal Light和M-Squared提出的技术,” Pikul说。“但是真正令我们着迷的是,这项工作背后的动机是它如何改变我们对机器人设计的思考方式。”

Pikul的许多其他研究涉及通过借鉴自然界的线索来改进技术。例如,他的实验室的高强度,低密度的“金属木材”受到树木细胞结构的启发,他在机器人his鱼上的工作涉及给它提供液体电池循环系统,该系统还可以气动地驱动其鳍片。

研究人员认为他们的MAS借鉴了甚至更基本的生物学概念:食物。

皮库尔说:“随着机器人变得更加智能,功能更加强大,我们不再需要将自己插入墙壁中。他们现在可以像人类一样为自己寻找能源。”“有一天,一个需要给电池充电的机器人只需要找到一些铝就可以用MAS'进食',这将为其提供足够的动力使其工作直至下顿用餐。”

这项工作得到了海军研究办公室(N00014-19-1-2353)的支持。它部分在辛格纳米技术中心进行,该中心得到了NSF国家纳米技术协调基础设施计划的支持,赠款为NNCI-1542153。