Все новые технологические достижения позволяют постоянно уменьшать размеры электронных устройств, но обычно это не происходит в отношении их источников энергии, из-за чего конечные размеры гаджетов и электронной аппаратуры меняются не так, как того хотелось бы. И это обусловлено во многом тем, что для создания микроскопических аккумуляторов требуются технологии изготовления и материалы, отличные от тех, которые используются для проектирования обычных накопителей энергии.
Некоторые исследователи ранее указывали, что они могут питать миниатюрные устройства, используя солнечную энергию, но ограничение этого подхода заключается в том, что роботы должны постоянно находиться под прицелом лазера или другого источника света. Поэтому использование альтернативных источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра, в микроробототехнике ограничено.
Чтобы решить эти проблемы, ученые Массачусетского технологического института (MIT), как сообщается в пресс-релизе, разработали воздушно-цинковый аккумулятор длиной 100 микрометров (0,1 мм) и толщиной 2 микрометра (0,002 мм).
Результаты своих исследований они опубликовали в журнале Science Robotics статью, в которой подробно описывается свое достижение.
Эти цинково-воздушные аккумуляторы, размером меньше песчинки, могут помочь миниатюрным роботам чувствовать окружающую среду и реагировать на нее. Такого типа аккумуляторы, которые из-за высокой плотности энергии имеют более длительный срок службы, чем многие другие типы батарей, часто используются в слуховых аппаратах.
Разработанная в MIT батарея состоит из цинкового электрода, соединенного с платиновым электродом, встроенным в полоску полимера под названием SU-8, который обычно используется в микроэлектронике. Когда эти электроды взаимодействуют с молекулами кислорода из воздуха, цинк окисляется и высвобождает электроны, которые направляются к платиновому электроду, создавая ток.
В своем исследовании ученые показали, что эта батарея может обеспечивать достаточное количество энергии для питания исполнительного механизма — в частности, роботизированной руки, которую можно поднимать и опускать. Батарея также может питать мемристор, электрический компонент, который может сохранять воспоминания о событиях, изменяя свое электрическое сопротивление, и схему синхронизации, которая позволяет роботизированным устройствам отслеживать время. Учитывая микроскопические размеры, предполагается, что этот революционный аккумулятор будет использоваться в основном для питания современных микро-роботов.
Такие крошечные роботы могут выполнять сложные задачи в области медицины. Они также могут использоваться, например, для обнаружения утечек в газопроводах.
Несмотря на свои микроскопические размеры, батарея может вырабатывать напряжение около 1 вольт при общей энергии от 5,5 до 7,7 микроджоулей, а также максимальную мощность почти 2,7 нановатт. Конечно, эти цифры могут показаться незначительными, но команда утверждает, что этих характеристик достаточно для питания датчика или небольшой цепи.
В своих тестированиях исследователи использовали провод для подключения своей батареи к внешнему устройству, но в будущей работе ученые Массачусетского технологического института поставили перед собой цель - создать вариант, в котором источник питания будет полностью встроен в роботизированное устройство. Одним из таких вариантов может стать разработка крошечных роботов, которые могли бы вводиться в организм человека, где они могли бы находить нужное место и затем вводить лекарственное средство, такое как инсулин. Исследователи предполагают, что для использования в организме человека устройства будут изготовлены из биосовместимых материалов, которые распадутся, как только в них отпадет необходимость.
«Это ляжет в основу большей части наших усилий в области робототехники. Вы можете построить робота вокруг источника энергии, подобно тому, как вы можете построить электромобиль вокруг батареи», - сказал профессор MIT Майкл Страно. В течение нескольких лет лаборатория профессора Страно работала над созданием крошечных роботов, способных воспринимать внешние раздражители и реагировать на них. Одной из основных задач при разработке таких крошечных роботов является обеспечение их достаточно мощной энергией.
Как сообщается, исследование финансировалось Исследовательским управлением армии США, Министерством энергетики США, Национальным научным фондом и инженерной стипендией MathWorks.