Крошечная батарея, разработанная инженерами Массачусетского технологического института, может позволить использовать автономных роботов размером с ячейку для доставки лекарств в организм человека, а также для других приложений, таких как обнаружение утечек в газопроводах.
Новая батарея длиной 0,1 миллиметра и толщиной 0,002 миллиметра (около толщины человеческого волоса) способна захватывать кислород из воздуха и использовать его для окисления цинка, создавая ток до 1 вольта. Исследователи показали, что этого достаточно для питания небольшой схемы, датчика или исполнительного механизма.
«Мы думаем, что это будет очень полезно для робототехники», — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Карбона П. Даббса в Массачусетском технологическом институте и ведущий автор исследования. «Мы создаем роботизированные функции на аккумуляторе и начинаем собирать эти компоненты в устройства. »
Гэ Чжан, доктор философии '22, и Сунгюн Ян, аспирант Массачусетского технологического института, являются ведущими авторами статьи. бумагакоторый появляется в Научная робототехника.
Питание от батарей
В течение нескольких лет лаборатория Страно работала над крошечными роботами, способными обнаруживать раздражители в окружающей среде и реагировать на них. Одной из основных проблем при разработке этих маленьких роботов является обеспечение достаточной мощности.
Другие исследователи показали, что они могут питать небольшие устройства солнечной энергией, но этот подход ограничен тем фактом, что роботов необходимо постоянно направлять на них лазером или другим источником света. Эти устройства называются «марионетками», поскольку ими управляет внешний источник энергии. Установка источника питания, такого как батарея, внутри этих крошечных устройств может позволить им путешествовать гораздо дальше.
«Марионеточным системам на самом деле не нужна батарея, потому что они получают всю необходимую энергию извне», — объясняет Страно. «Но если вы хотите, чтобы маленький робот мог получить доступ к местам, к которым вы иначе не могли бы получить доступ, он должен иметь более высокий уровень автономии. Батарея необходима для чего-то, что не будет привязано к внешнему миру. »
Чтобы создать более автономных роботов, лаборатория Страно решила использовать тип батареи, называемый воздушно-цинковой батареей. Эти батареи, срок службы которых превышает срок службы батарей многих других типов 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 СУ-8, обычно используемого в микроэлектронике. Когда эти электроды взаимодействуют с молекулами кислорода в воздухе, цинк окисляется и высвобождает электроны, которые перетекают к платиновому электроду, создавая ток.
В этом исследовании исследователи 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, способный хранить воспоминания о событиях путем изменения его электрического сопротивления, и схему часов, которая позволяет роботизированным устройствам отслеживать время.
Батарея также обеспечивает достаточную мощность для работы двух разных типов датчиков, которые меняют свое электрическое сопротивление при контакте с химическими веществами в окружающей среде. Один из сенсоров изготовлен из атомарно тонкого дисульфида молибдена, а другой — из углеродных нанотрубок.
«Мы создаем строительные блоки для развития функций на клеточном уровне», — объясняет Страно.
Стаи роботов
В этом исследовании исследователи использовали провод для подключения своей батареи к внешнему устройству, но в своей будущей работе они планируют создать роботов, в которых батарея будет интегрирована в устройство.
«Это станет основой многих наших усилий в области робототехники», — говорит Страно. «Мы можем построить робота на основе источника энергии, примерно так же, как мы можем построить электромобиль на основе аккумулятора. »
Одна из таких попыток включает в себя разработку крошечных роботов, которых можно было бы вводить в организм человека, где они могли бы искать целевой участок, а затем высвобождать лекарство, такое как инсулин. Исследователи предполагают, что устройства, предназначенные для использования в организме человека, будут изготовлены из биосовместимых материалов, которые сломаются, когда в них больше не будет необходимости.
Исследователи также работают над увеличением напряжения батареи, что может позволить использовать дополнительные приложения.
Исследование финансировалось Исследовательским управлением армии США, Министерством энергетики США, Национальным научным фондом и инженерным грантом MathWorks.
