Când electronica are nevoie de propriile surse de alimentare, există două opțiuni de bază: baterii și recoltatoare. Bateriile stochează energie intern, dar sunt, prin urmare, grele și au o sursă limitată. Recoltatorii, cum ar fi panourile solare, colectează energie din mediul lor. Acest lucru evită unele dintre dezavantajele bateriilor, dar introduce altele noi, deoarece acestea pot funcționa numai în anumite condiții și nu pot transforma acea energie în putere utilă foarte repede.

scavenger

Noile cercetări de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate a Universității din Pennsylvania acoperă pentru prima dată decalajul dintre aceste două tehnologii fundamentale sub forma unui „scavenger metal-aer” care obține cele mai bune din ambele lumi.

Acest scavenger metal-aer funcționează ca o baterie, prin faptul că furnizează energie prin ruperea și formarea repetate a unei serii de legături chimice. Dar funcționează și ca un secerător, deoarece puterea este furnizată de energie în mediul său: în mod specific, legăturile chimice din metal și aer care înconjoară scavengerul metal-aer.

Rezultatul este o sursă de energie care are o densitate de putere de 10 ori mai mare decât cele mai bune recoltatoare de energie și o densitate de energie de 13 ori mai mare decât bateriile litiu-ion.

Pe termen lung, acest tip de sursă de energie ar putea sta la baza unei noi paradigme în robotică, în care mașinile se mențin alimentate prin căutarea și „consumarea” metalului, rupând legăturile sale chimice pentru energie, așa cum o fac oamenii cu alimentele.

Pe termen scurt, această tehnologie alimentează deja o pereche de companii derivate. Câștigătorii concursului anual al Premiului Y al Pennului intenționează să folosească scavagere metal-aer pentru a alimenta lumini ieftine pentru casele din afara lumii din rețea în lumea în curs de dezvoltare și senzori de lungă durată pentru transportul containerelor care ar putea alerta la furt, daune sau chiar persoane trafic.

Cercetătorii, James Pikul, profesor asistent în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică și Mecanică Aplicată, împreună cu Min Wang și Unnati Joshi, membri ai laboratorului său, au publicat un studiu care demonstrează capacitățile lor de cercetare în revista ACS Energy Letters.

Motivația pentru dezvoltarea lor metal-air scavenger, sau MAS, a rezultat din faptul că tehnologiile care alcătuiesc creierul roboților și tehnologiile care le alimentează sunt fundamental necorespunzătoare atunci când vine vorba de miniaturizare.

Pe măsură ce dimensiunea tranzistorilor individuali se micșorează, cipurile oferă mai multă putere de calcul în pachete mai mici și mai ușoare. Dar bateriile nu beneficiază în același mod atunci când devin mai mici; densitatea legăturilor chimice dintr-un material este fixă, astfel încât bateriile mai mici înseamnă în mod necesar mai puține legături de rupt.

"Această relație inversată între performanța de calcul și stocarea energiei face foarte dificilă funcționarea dispozitivelor la scară mică și a roboților pentru perioade lungi de timp", spune Pikul. "Există roboți de mărimea insectelor, dar pot funcționa doar un minut înainte ca bateria să se epuizeze".

Mai rău, adăugarea unei baterii mai mari nu va permite unui robot să dureze mai mult; masa adăugată necesită mai multă energie pentru a se deplasa, negând energia suplimentară furnizată de bateria mai mare. Singura modalitate de a rupe această relație inversată frustrantă este de a căuta legături chimice, mai degrabă decât de a le împacheta.

„Recoltatorii, precum cei care colectează energia solară, termică sau vibrațională, sunt din ce în ce mai buni”, spune Pikul. „Sunt adesea obișnuiți să alimenteze senzorii și dispozitivele electronice care sunt scoase din rețea și unde s-ar putea să nu aveți pe nimeni în apropiere pentru a schimba bateriile. Problema este că au o densitate redusă a puterii, ceea ce înseamnă că nu pot scoate energie din mediul înconjurător. cât de repede o poate livra o baterie. "

„MAS-ul nostru are o densitate de putere care este de zece ori mai bună decât cele mai bune recoltatoare, până la punctul în care putem concura împotriva bateriilor”, spune el, „folosește chimia bateriilor, dar nu are greutatea asociată, deoarece ia substanțele chimice respective din mediu. "

La fel ca o baterie tradițională, MAS-ul cercetătorilor începe cu un catod conectat la dispozitivul pe care îl alimentează. Sub catod se află un hidrogel slab, o rețea spongioasă de lanțuri polimerice care conduce electroni între suprafața metalică și catod prin intermediul moleculelor de apă pe care le transportă. Cu hidrogelul acționând ca un electrolit, orice suprafață metalică pe care o atinge funcționează ca anodul unei baterii, permițând electronilor să curgă către catod și să alimenteze dispozitivul conectat.

În scopul studiului lor, cercetătorii au conectat un vehicul mic cu motor la MAS. Tragând hidrogelul în spatele său, vehiculul MAS a oxidat suprafețele metalice pe care le-a călătorit, lăsând în urma sa un strat microscopic de rugină.

Pentru a demonstra eficiența acestei abordări, cercetătorii au condus vehiculul MAS în cercuri pe o suprafață de aluminiu. Vehiculul a fost echipat cu un mic rezervor care a pătruns continuu apă în hidrogel pentru a preveni uscarea acestuia.

„Densitatea energiei este raportul dintre energia disponibilă și greutatea care trebuie transportată”, spune Pikul. "Chiar și luând în considerare greutatea apei în plus, MAS avea de 13 ori densitatea energetică a unei baterii litiu-ion, deoarece vehiculul trebuie să transporte doar hidrogelul și catodul, și nu metalul sau oxigenul care furnizează energia."

Cercetătorii au testat și vehiculele MAS pe zinc și oțel inoxidabil. Diferite metale conferă MAS densități de energie diferite, în funcție de potențialul lor de oxidare.

Această reacție de oxidare are loc numai la 100 de microni de suprafață, așa că, deși MAS poate consuma toate legăturile ușor disponibile cu declanșări repetate, există un risc redus ca aceasta să provoace daune structurale semnificative metalului pe care îl elimină.

Cu atât de multe utilizări posibile, sistemul MAS al cercetătorilor a fost o potrivire firească pentru Premiul Y anual al Penn, o competiție de plan de afaceri care provoacă echipele să construiască companii în jurul tehnologiilor nașterii dezvoltate la Penn Engineering. Echipa de pe locul întâi din acest an, Metal Light, a câștigat 10.000 de dolari pentru propunerea lor de a utiliza tehnologia MAS în iluminatul low-cost pentru casele off-grid din lumea în curs de dezvoltare. M-Squared, care a câștigat 4.000 de dolari pe locul doi, intenționează să utilizeze senzori alimentați cu MAS în containerele de transport maritim.

"Pe termen scurt, vedem tehnologiile noastre MAS care alimentează internetul obiectelor, cum ar fi ceea ce propun Metal Light și M-Squared", spune Pikul. „Dar ceea ce a fost cu adevărat convingător pentru noi și motivația din spatele acestei lucrări este modul în care schimbă modul în care gândim despre proiectarea roboților.”

O mare parte din celelalte cercetări ale lui Pikul implică îmbunătățirea tehnologiei prin luarea de repere din lumea naturală. De exemplu, „lemnul metalic” de înaltă rezistență și densitate redusă al laboratorului său a fost inspirat de structura celulară a copacilor, iar munca sa pe un pește-robot robotizat a implicat oferirea acestuia unui sistem circulator cu baterie lichidă, care și-a acționat pneumatic înotătoarele.

Cercetătorii văd MAS-ul lor ca pe un concept biologic și mai fundamental: alimentele.

"Pe măsură ce obținem roboți mai inteligenți și mai capabili, nu mai trebuie să ne limităm la conectarea lor la un perete. Acum pot găsi surse de energie pentru ei înșiși, la fel ca oamenii", spune Pikul. "Într-o zi, un robot care trebuie să-și reîncarce bateriile va trebui doar să găsească niște aluminiu pe care să-l„ mănânce ”cu un MAS, ceea ce i-ar oferi suficientă putere pentru al lucra până la următoarea masă.”

Această lucrare a fost susținută de Oficiul de Cercetări Navale, subvenție N00014-19-1-2353. Acesta a fost realizat parțial la Centrul Singh pentru Nanotehnologie, care este susținut de Programul Național de Infrastructură Coordonată a Nanotehnologiei NSF sub grantul NNCI-1542153.