Новая технология сбора мусора позволяет роботам есть металл для получения энергии

Когда электронике нужны собственные источники питания, есть два основных варианта: аккумуляторы и комбайны. Батареи накапливают энергию внутри, но поэтому они тяжелые и имеют ограниченный запас. Харвестеры, оснащенные солнечными панелями, собирают энергию из окружающей среды. Это позволяет обойти некоторые недостатки батарей, но вводит новые, в которых они могут работать только в определенных условиях и не могут очень быстро превратить эту энергию в полезную.

Новое исследование Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании впервые ликвидирует разрыв между этими двумя фундаментальными технологиями в форме поглотителя воздуха из металла, который получает лучшее из обоих сфер.

Этот металлический воздухоочиститель работает как батарея, так как он обеспечивает питание путем многократного разрыва и образования ряда химических связей. Но он также работает как харвестер, потому что энергия обеспечивается энергией окружающей среды: в частности, химическими связями в металле и воздухе, окружающими металл-воздушный поглотитель.

В результате у источника энергии плотность мощности в 10 раз выше, чем у лучших сборщиков энергии, и плотность энергии в 13 раз выше, чем у ионно-литиевых батарей .

В долгосрочной перспективе, этот тип источника энергии может стать основой для нового направления в робототехнике, где машины сами приводят себя в действие, разыскивая и съедая металл, разрушая его химические связи для энергии, как люди делают с едой.

В ближайшей перспективе эта технология уже работает на пару дочерних компаний. Победители ежегодного конкурса Y-Prize планируют использовать металлические воздухоочистители для питания недорогих светильников для автономных домов в развивающихся странах и долговечные датчики для транспортных контейнеров, которые могут предупредить о краже, повреждении или даже порче имущества.

Исследователи, Джеймс Пикул, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, вместе с сотрудниками его лаборатории, опубликовали исследование, демонстрирующее возможности их мусорщика в журнале ACS Energy Letters.

Мотивация для разработки их металлического воздухоочистителя, или MAS, проистекает из того факта, что технологии, из которых состоит мозг робота, и технологии, приводящие их в действие, в корне не соответствуют, когда речь идет о миниатюризации.

По мере уменьшения размеров отдельных транзисторов микросхемы обеспечивают большую вычислительную мощность в небольших и легких упаковках. Но батареи становятся не такими, когда они становятся меньше, плотность химических связей в материале фиксирована, поэтому батареи меньшего размера обязательно означают, что разрывается меньше связей.

“Эта перевернутая взаимосвязь между производительностью вычислений и накоплением энергии очень затрудняет работу небольших устройств и роботов в течение длительных периодов времени”, – говорит Пикуль. – “Есть роботы размером с насекомых, но они могут работать только в течение минуты, пока их батарея не разрядится”.

Что еще хуже, добавление большей батареи не позволит роботу работать дольше, добавленная масса требует больше энергии для перемещения, сводя на нет дополнительную энергию, обеспечиваемую большей батареей. Единственный способ разорвать эти связи – добывать химические связи, а не собирать их вместе.

“Харвестеры, такие как те, которые собирают солнечную, тепловую или ветряную энергию, становятся лучше”, – говорит Пикуль. “Они часто используются для питания датчиков и электроники, которые находятся вне сети и где у вас может не быть кого-то рядом, чтобы заменить батареи. Проблема в том, что они имеют низкую плотность мощности, то есть они не могут брать энергию из окружающей среды так быстро, как батарея может доставить его”.

“Наша MAS имеет удельную мощность, которая в десять раз лучше, чем у лучших харвестеров, и мы можем конкурировать с батареями”, – говорит он. – “Он использует химию батарей, но не имеет соответствующего веса, потому что он принимает эти химикаты из окружающей среды.”

Как и традиционная батарея, MAS начинается с катода, который подключен к устройству, на котором он работает. Под катодом находится кусок гидрогеля, губчатая сеть полимерных цепей, которая проводит электроны между поверхностью металла и катодом через молекулы воды, которые он несет. С гидрогелем, действующим как электролит, любая металлическая поверхность, к которой он прикасается, функционирует как анод батареи, позволяя электронам течь к катоду и питать подключенное устройство.

В целях своего исследования ученые подключили к MAS небольшой моторизованный автомобиль. Перетаскивая за собой гидрогель, автомобиль MAS окислял металлические поверхности, по которым он проезжал, оставляя после себя микроскопический слой ржавчины.

Чтобы продемонстрировать эффективность этого подхода, исследователи использовали свой автомобиль MAS в виде кругов на алюминиевой поверхности. Транспортное средство было оснащено небольшим резервуаром, который непрерывно впитывал воду в гидрогель, чтобы предотвратить его высыхание.

“Плотность энергии – это отношение доступной энергии к весу, который необходимо нести”, – говорит Пикуль. – “Даже учитывая вес дополнительной воды, MAS имел в 13 раз больше плотности энергии литий-ионной батареи, потому что транспортное средство должно нести только гидрогель и катод, а не металл или кислород, которые обеспечивают энергию”.

Исследователи также проверили автомобили MAS на цинке и нержавеющей стали. Различные металлы дают MAS различные плотности энергии, в зависимости от их потенциала окисления.

Эта реакция окисления происходит только в пределах 100 микрон от поверхности, поэтому, несмотря на то, что MAS может использовать все легкодоступные связи при повторных отключениях, существует небольшой риск того, что он нанесет существенный структурный ущерб металлу, который он удаляет.

С таким множеством возможных применений система MAS была номинирована на ежегодной премии Penn Y-Prize, конкурса бизнес-планов, который бросает вызов командам для создания компаний на основе зарождающихся технологий, разработанных в Penn Engineering. Команда Metal Light, занявшая первое место в этом году, заработала 10 000 долларов за предложение использовать технологию MAS в недорогом освещении для автономных домов в развивающихся странах. M-Squared, получившая 4 000 долларов США на втором месте, намерена использовать датчики на базе MAS в транспортных контейнерах.

“В ближайшем будущем мы увидим, как наши технологии MAS используют технологии Интернета вещей, например, как предлагают Metal Light и M-Squared”, – говорит Пикуль. – “Но что нас действительно убедило, и мотивация этой работы заключается в том, как она меняет наше представление о разработке роботов”.

Большая часть других исследований Пикуля связана с совершенствованием технологий, принимая подсказки из мира природы. Например, высокопрочное, металлическое дерево его лаборатории было вдохновлено клеточной структурой деревьев, а его работа над роботизированной крылаткой заключалась в том, чтобы дать ей систему кровообращения с жидким аккумулятором, которая также приводила в действие плавники.

Исследователи видят, что их MAS основаны на еще более фундаментальной биологической концепции: пище.

“Поскольку мы получаем роботов, которые являются более интеллектуальными и более способными, нам больше не нужно ограничивать себя подключением их к розетке. Теперь они могут сами находить источники энергии, как это делают люди”, – говорит Пикуль. – “Однажды роботу, которому нужно перезарядить батареи, нужно будет найти немного алюминия, чтобы съесть его с помощью MAS, что даст ему достаточно энергии для работы до следующего приема пищи”.