Инженеры Массачусетского технологического института разрабатывают крошечные батареи для питания роботов размером с клетку

Миниатюрная батарея, разработанная инженерами Массачусетского технологического института,  позволит создавать автономные роботы размером с клетку для доставки лекарств в организм человека, а также для других целей, таких, например, как обнаружение утечек в газопроводах.

Новая батарея длиной 0,1 миллиметра и толщиной 0,002 миллиметра — примерно толщина человеческого волоса — может захватывать кислород из воздуха и использовать его для окисления цинка, создавая ток до 1 вольта. Этого достаточно для питания небольшой схемы, датчика или привода, показали исследователи.

Результаты работы описаны в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

«Мы считаем, что это будет очень полезно для робототехники», — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования. «Мы встраиваем роботизированные функции в батарею и начинаем собирать эти компоненты в устройства».

Питание от батареек

Лаборатория Страно уже несколько лет работает над крошечными роботами, которые могут чувствовать и реагировать на раздражители в окружающей среде. Одной из основных проблем при разработке таких крошечных роботов является обеспечение их достаточной мощностью.

Другие исследователи показали, что они могут питать микромасштабные устройства с помощью солнечной энергии, но ограничение этого подхода заключается в том, что роботы должны иметь лазер или другой источник света, направленный на них в любое время. Такие устройства известны как «марионетки», потому что они управляются внешним источником питания. Размещение источника питания, такого как батарея, внутри этих крошечных устройств может освободить их для перемещения гораздо дальше.

«Системам-марионеткам на самом деле не нужна батарея, потому что они получают всю необходимую им энергию извне», — говорит Страно. «Но если вы хотите, чтобы небольшой робот мог попасть в пространства, куда вы не смогли бы попасть иным способом, ему нужно иметь более высокий уровень автономности. Батарея необходима для чего-то, что не будет привязано к внешнему миру».

Чтобы создать роботов, которые могли бы стать более автономными, лаборатория Страно решила использовать тип батареи, известный как цинково-воздушная батарея. Эти батареи, которые имеют более длительный срок службы, чем многие другие типы батарей из-за их высокой плотности энергии, часто используются в слуховых аппаратах.

Разработанная ими батарея состоит из цинкового электрода, соединенного с платиновым электродом, встроенным в полоску полимера SU-8, который обычно используется в микроэлектронике. Когда эти электроды взаимодействуют с молекулами кислорода из воздуха, цинк окисляется и высвобождает электроны, которые текут к платиновому электроду, создавая ток.

В этом исследовании ученые показали, что эта батарея может обеспечить достаточно энергии для питания привода — в данном случае, роботизированной руки, которую можно поднимать и опускать. Батарея также может питать мемристор, электрический компонент, который может хранить воспоминания о событиях, изменяя свое электрическое сопротивление, и часовую схему, которая позволяет роботизированным устройствам отслеживать время.

Аккумулятор также обеспечивает достаточно мощности для работы двух различных типов датчиков, которые изменяют свое электрическое сопротивление при столкновении с химикатами в окружающей среде. Один из датчиков изготовлен из атомарно тонкого дисульфида молибдена, а другой — из углеродных нанотрубок.

«Мы создаем основные строительные блоки для создания функций на клеточном уровне», — говорит Страно.

Роботизированные рои

В этом исследовании ученые использовали провод для подключения батареи к внешнему устройству, но в будущей работе они планируют создать роботов, в которых батарея будет встроена в устройство.

«Это станет основой многих наших робототехнических усилий», — говорит Страно. «Вы можете построить робота вокруг источника энергии, как вы можете построить электромобиль вокруг батареи».

Одна из таких попыток вращается вокруг разработки крошечных роботов, которых можно было бы вводить в тело человека, где они могли бы искать целевое место и затем высвобождать лекарство, например инсулин. Для использования в организме человека исследователи предполагают, что устройства будут сделаны из биосовместимых материалов, которые будут распадаться, как только они станут не нужны.

Исследователи также работают над повышением напряжения батареи, что может открыть новые возможности ее применения.

Исследование финансировалось Управлением исследований армии США, Министерством энергетики США, Национальным научным фондом и программой MathWorks Engineering Fellowship.

Источник