Ny scavenger-teknologi gør det muligt for robotter at spise metal til energi

Når elektronik har brug for deres egne strømkilder, der er to grundlæggende muligheder:batterier og mejetærskere. Batterier lagrer energi internt, men er derfor tunge og har et begrænset udbud. Høstmaskiner, såsom solpaneler, indsamle energi fra deres omgivelser. Dette omgår nogle af ulemperne ved batterier, men introducerer nye, i, at de kun kan fungere under visse forhold og ikke kan omdanne den energi til nyttig kraft meget hurtigt.

Ny forskning fra University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science bygger bro mellem disse to grundlæggende teknologier for første gang i form af en "metal-luft-scavenger", der får det bedste fra begge verdener.

Denne metal-luftfjerner fungerer som et batteri, i, at det giver strøm ved gentagne gange at bryde og danne en række kemiske bindinger. Men den fungerer også som en mejetærsker, i, at strøm leveres af energi i dets omgivelser:specifikt, de kemiske bindinger i metal og luft, der omgiver metal-luftfjerneren.

Resultatet er en strømkilde, der har 10 gange større effekttæthed end de bedste energihøstere og 13 gange større energitæthed end lithium-ion-batterier.

På lang sigt, denne type energikilde kunne være grundlaget for et nyt paradigme inden for robotteknologi, hvor maskiner holder sig selv drevet ved at opsøge og "spise" metal, nedbryder dets kemiske bindinger til energi som mennesker gør med mad.

På kort sigt, denne teknologi driver allerede et par spin-off-virksomheder. Vinderne af Penn's årlige Y-Prize-konkurrence planlægger at bruge metal-luft-scavengers til at drive billige lys til off-grid hjem i udviklingslandene og langtidsholdbare sensorer til forsendelsescontainere, der kan advare mod tyveri, skader eller endda menneskehandel.

Forskerne, James Pikul, adjunkt ved Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik, sammen med Min Wang og Unnati Joshi, medlemmer af hans laboratorium, publicerede en undersøgelse, der demonstrerer deres skurvogns evner i tidsskriftet ACS Energibreve .

Motivationen for at udvikle deres metal-luft-renser, eller MAS, udsprunget af det faktum, at de teknologier, der udgør robotternes hjerner, og de teknologier, der driver dem, er fundamentalt mismatchede, når det kommer til miniaturisering.

Når størrelsen af ​​individuelle transistorer krymper, chips giver mere computerkraft i mindre og lettere pakker. Men batterier gavner ikke på samme måde, når de bliver mindre; tætheden af ​​kemiske bindinger i et materiale er faste, så mindre batterier betyder nødvendigvis færre bindinger at bryde.

"Dette omvendte forhold mellem computerydelse og energilagring gør det meget vanskeligt for små enheder og robotter at fungere i lange perioder, " siger Pikul. "Der er robotter på størrelse med insekter, men de kan kun fungere i et minut, før deres batteri løber tør for energi."

Stadig værre, tilføjelse af et større batteri vil ikke tillade en robot at holde længere; den tilføjede masse tager mere energi at bevæge sig, ophæver den ekstra energi fra det større batteri. Den eneste måde at bryde dette frustrerende omvendte forhold på er at søge efter kemiske bindinger, i stedet for at pakke dem sammen.

"Mestre, som dem, der samler sol, termisk eller vibrationsenergi, bliver bedre, " siger Pikul. "De er ofte vant til at forsyne sensorer og elektronik, der er væk fra nettet, og hvor du måske ikke har nogen i nærheden til at skifte batterier. Problemet er, at de har lav effekttæthed, hvilket betyder, at de ikke kan tage energi ud af miljøet så hurtigt, som et batteri kan levere det."

"Vores MAS har en effekttæthed, der er ti gange bedre end de bedste mejetærskere, til det punkt, at vi kan konkurrere mod batterier, " han siger, "Det bruger batterikemi, men har ikke den tilhørende vægt, fordi det tager de kemikalier fra miljøet."

Som et traditionelt batteri, forskernes MAS starter med en katode, der er koblet til den enhed, den forsyner med. Under katoden er en plade af hydrogel, et svampet netværk af polymerkæder, der leder elektroner mellem metaloverfladen og katoden via de vandmolekyler, den bærer. Med hydrogelen, der fungerer som en elektrolyt, enhver metaloverflade den berører fungerer som anode på et batteri, tillader elektroner at strømme til katoden og forsyne den tilsluttede enhed.

Med henblik på deres undersøgelse, forskerne koblede et lille motoriseret køretøj til MAS. Trækker hydrogelen bag sig, MAS-køretøjet oxiderede metaloverflader, det kørte over, efterlader et mikroskopisk lag af rust i kølvandet.

For at demonstrere effektiviteten af ​​denne tilgang, forskerne fik deres MAS-køretøj til at køre i cirkler på en aluminiumsoverflade. Køretøjet var udstyret med et lille reservoir, der kontinuerligt ledte vand ind i hydrogelen for at forhindre det i at tørre ud.

"Energitæthed er forholdet mellem tilgængelig energi og den vægt, der skal bæres, " siger Pikul. "Selv når man tager vægten af ​​det ekstra vand med, MAS havde 13 gange energitætheden af ​​et lithium-ion-batteri, fordi køretøjet kun skal bære hydrogelen og katoden, og ikke det metal eller ilt, der giver energien."

Forskerne testede også MAS-køretøjerne på zink og rustfrit stål. Forskellige metaller giver MAS forskellige energitætheder, afhængig af deres potentiale for oxidation.

Denne oxidationsreaktion finder kun sted inden for 100 mikrometer fra overfladen, så mens MAS kan bruge alle de let tilgængelige obligationer med gentagne ture, der er lille risiko for, at den gør betydelig strukturel skade på det metal, den er ved at rense.

Med så mange mulige anvendelser, forskernes MAS-system passede naturligt til Penns årlige Y-pris, en forretningsplankonkurrence, der udfordrer teams til at bygge virksomheder op omkring spirende teknologier udviklet hos Penn Engineering. Årets førstepladshold, Metal lys, tjente $10, 000 for deres forslag om at bruge MAS-teknologi i lavprisbelysning til boliger uden for nettet i udviklingslandene. M-Squared, som tjente $4, 000 på andenpladsen, har til hensigt at bruge MAS-drevne sensorer i forsendelsescontainere.

"På kort sigt, vi ser, at vores MAS driver internet-of-things-teknologier, som hvad Metal Light og M-Squared foreslår, " siger Pikul. "Men hvad var virkelig overbevisende for os, og motivationen bag dette arbejde, er, hvordan det ændrer den måde, vi tænker på at designe robotter."

Meget af Pikuls anden forskning involverer forbedring af teknologi ved at tage stikord fra den naturlige verden. For eksempel, hans laboratoriums høje styrke, "metallisk træ" med lav tæthed var inspireret af træernes cellulære struktur, og hans arbejde med en robotløvefisk involverede at give den et flydende batterikredsløbssystem, der også pneumatisk aktiverede dens finner.

Forskerne ser deres MAS som at trække på et endnu mere grundlæggende biologisk koncept:mad.

"Efterhånden som vi får robotter, der er mere intelligente og mere dygtige, vi behøver ikke længere at begrænse os til at tilslutte dem til en væg. De kan nu selv finde energikilder, ligesom mennesker gør, " siger Pikul. "En dag, en robot, der skal genoplade sine batterier, skal bare finde noget aluminium at 'spise' med en MAS, hvilket ville give den kraft nok til at den virker indtil næste måltid."