為細胞級機器人提供動力 超微電池研發成功

2024年09月06日科技
【新唐人北京時間2024年09月06日訊】隨著感測器、機器人的尺寸不斷縮小,其動力來源成為一個重要課題。儘管它們採用磁力、電場等方式作為動力來源,但也容易限制其自主性。這次,美國著名大學為細胞大小的自主機器人研發出一種超微型電池。這種機器人的用途包括體內藥物投放、天然氣管道洩漏探測等。
傳統的電池材料,大多使用濕化學製備無法大幅縮小,而一些鋰電池、陶瓷材料製成的電池也受到體積和效率限制。這些導致多數的微電池尺寸被限制在毫米級、亞平方毫米級上,無法直接給皮升級(pL,萬億分之一公升)或細胞級的機器人使用。
這次,美國麻省理工學院的科學家們透過光刻技術,做出一種高能量密度的超微型電池,讓它可以安置在細胞大小的自主機器人上,使它們有足夠的電力可以在管道、地下、體內和船上等有限環境中自主運行。這篇論文於8月中旬發表在《科學機器人》雜誌上。
研究人員為了創造更自主的微型機器人,他們選用鋅-空氣電池。主要在於這種類型的電池,擁有非常高的能量和能量密度,比許多類型的電池擁有更長的使用壽命。
他們在無塵室,以標準微影技術,在一個2吋(直徑5.08公分)矽晶圓上,一次性大規模製造約10,000個(100×100陣列)相同設計的皮升級「鋅-空氣電池」。
該種電池最上層是鋅(Zn)陽極(厚度1.5μm)和白金(Pt)陰極組成,嵌入到SU-8(一種抗腐蝕的聚合物)絕緣層上,長寬只有100μm,厚度只有0.002mm(相當於人類頭髮厚度),整體打印在矽晶圓基板上。
當這些電極與空氣中的氧分子相互作用時,鋅會被氧化並釋放流向白金電極的電子,從而產生電流。鋅陽極在反應過程中,電極表面會產生一層磷酸鋅沉澱物(不影響其運作),白金陰極會將水催化成氫氧根離子和氧氣。
實驗人員將100μm大小的鋅-氧電池,放到濃度0.15M的磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)等中性水溶液中,以觀察其能產生多少電流、電壓及放電時長。結果顯示,該電池的平均電壓是0.3~0.5V,若放電率從0.1 mA/cm增加到0.4mA/cm,其平均輸出功率會隨之增加1~3nW。
另外,該電池的放電時長保持在2,000~3,000秒之間,若放電率增加到0.4mA/cm時,放電時長會縮短至1,000~2,000秒。
另外,實驗人員也製作出50μm、20μm,甚至更小的鋅-氧電池,以觀察該種電池縮小後,是否能夠保持其性能和運用於更小的機器人上。結果顯示,更小的電池也能維持一定性能。
研究人員在確認電池效能後,將其裝到微型機器人上以觀察其整體表現。結果顯示,皮升級鋅-空氣電池足以為微型機器人的電路、感測器、時鐘電路(允許機器人設備追蹤時間)等執行器提供穩定的電力,讓其獲得良好的自主性。
研究人員表示,這款皮升級鋅-空氣電池,比迄今為止所報導的其它微型電池,擁有更高的能量密度,不過電池的功率密度仍有很大的提升空間。未來會朝著這方面發展,讓該種電池能為細胞大小機器人提供更多功能,以便應用到更多領域上。
麻省理工學院化學工程系邁克爾·斯特拉諾(Michael Strano)教授對該校的新聞室表示,「我們認為這項結果,對機器人技術來說非常有益。我們開始在電池上合成一些零件設備,它們將建立機器人的功能。」
斯特拉諾說,「人為操縱的微型機器人,可以透過外部獲取所需的能量。不過,你想要讓一個小型機器人能夠進入人們無法掌控的空間時,它就需要有一定的自主權,電池就成了必須的了。現在我們正在製造機器人的基本構件,以便機器人能在細胞層面上工作。」
該研究由美國陸軍研究辦公室、美國能源部、美國國家科學基金會、數學工廠(MathWorks)工程獎學金資助。
(轉自大紀元/責任編輯:葉萍)