工程师设计微型电池为细胞大小的机器人供电

Josiah02

麻省理工学院工程师设计的一种微型电池可用于部署细胞大小的自主机器人，用于人体内药物输送，以及定位天然气管道泄漏等其他应用。
这种新电池长 0.1 毫米，厚 0.002 毫米（大约相当于人类头发的粗细），可以捕获空气中的氧气，并利用氧气氧化锌，产生高达 1 伏的电流。研究人员表示，这足以为小型电路、传感器或执行器供电。
“我们认为这将对机器人技术大有裨益，”麻省理工学院 Carbon P. Dubbs 化学工程教授、这项研究的资深作者 Michael Strano 说道。“我们正在将机器人功能融入电池中，并开始将这些组件组装成设备。”
博士生张戈和麻省理工学院研究生杨松云是该论文的主要作者，该论文发表在《科学机器人》杂志上。
电池供电
多年来，斯特拉诺的实验室一直在研究能够感知周围环境刺激并做出反应的微型机器人。开发这种微型机器人的主要挑战之一是确保它们有足够的动力。
其他研究人员已经证明，他们可以利用太阳能为微型设备供电，但这种方法的局限性在于，机器人必须始终有激光或其他光源指向它们。这类设备被称为“牵线木偶”，因为它们由外部电源控制。在这些微型设备中放置电池等电源可以让它们自由地漫游得更远。
“木偶系统实际上不需要电池，因为它们所需的所有能量都来自外部，”斯特拉诺说。“但如果你想让一个小型机器人能够进入你无法进入的空间，它需要有更高程度的自主性。对于不受外界束缚的东西来说，电池是必不可少的。”
为了制造出能够更加自主的机器人，斯特拉诺的实验室决定使用一种名为锌空气电池的电池。这种电池由于能量密度高，使用寿命比许多其他类型的电池更长，通常用于助听器。
他们设计的电池由锌电极和铂电极组成，锌电极嵌入一种称为 SU-8 的聚合物条中，这种聚合物条常用于微电子器件。当这些电极与空气中的氧分子相互作用时，锌会被氧化并释放出电子，电子会流向铂电极，从而产生电流。
在这项研究中，研究人员表明，这种电池可以提供足够的能量来驱动执行器——在本例中，就是一个可以升降的机械臂。该电池还可以为忆阻器（一种可以通过改变电阻来存储事件记忆的电子元件）和时钟电路供电，时钟电路使机器人设备能够跟踪时间。
电池还能提供足够的电力来运行两种不同类型的传感器，当它们遇到环境中的化学物质时，它们的电阻会发生变化。其中一个传感器由原子级薄的二硫化钼制成，另一个由碳纳米管制成。
斯特拉诺说：“我们正在制造基本构件，以便在细胞层面上实现功能。”
机器人群
在这项研究中，研究人员使用电线将电池连接到外部设备，但在未来的工作中，他们计划制造将电池纳入设备的机器人。
“这将成为我们许多机器人研究的核心，”斯特拉诺说。“你可以围绕能源制造机器人，就像你可以围绕电池制造电动汽车一样。”
其中一项努力是设计可以注射到人体内的微型机器人，它们可以寻找目标部位，然后释放胰岛素等药物。研究人员设想，在人体中使用时，这些装置将由生物相容性材料制成，一旦不再需要，它们就会分解。
研究人员还致力于提高电池电压，这可能实现更多应用。
更多信息： Ge Zhang 等人，用于胶体机器人的高能量密度皮升级锌空气微电池，Science Robotics (2024)。DOI ：10.1126/scirobotics.ade4642
期刊信息： 科学机器人