生物电池如何为机器人提供更多电力
根据密歇根大学的一个研究小组的研究，像动物储存脂肪一样储存能量的可充电电池可以帮助机器人工作更长时间。
密歇根大学领导的一个研究小组发现，一种可充电的锌电池可以提供更多的能量，并能像动物体内的生物脂肪储备储存能量一样，融入机器人的结构中。这种增加容量的方法将特别重要，因为机器人缩小到微型或以下规模，目前的独立电池太大且效率太低。
“机器人设计受到电池需求的限制，电池通常占据机器人内部20%或更多的可用空间，或占机器人重量的类似比例，”领导这项研究的约瑟夫·b·和佛罗伦萨·v·切伊卡工程学教授尼古拉斯·科托夫说。
移动机器人的应用正在爆炸式增长，从送货无人机和自行车道外卖机器人到机器人护士和仓库机器人。在微观方面，研究人员正在探索能够自我组装成更大设备的群集机器人。多功能“结构电池”可以释放空间并减轻重量，但到目前为止，它们只能作为主电池的补充。
“就能量密度而言，没有其他报道的结构电池可以与当今最先进的先进锂电池相提并论。为了实现这一目标，我们在10个不同的措施上改进了之前版本的结构锌电池，其中一些措施提高了100倍。”
他补充说，能量密度和廉价材料的结合意味着这种电池可能已经将送货机器人的续航里程扩大了一倍。
然而，这并不是极限。我们估计，如果机器人的外部换成锌电池，与单一的锂离子电池相比，它们的电力容量可以增加72倍，”第一作者王明强说。
这种新型电池的工作原理是通过电解质膜在锌电极和“空气”侧之间传递氢氧根离子。这种薄膜部分是由芳纶纳米纤维(凯夫拉背心中发现的碳基纤维)和一种新的水基聚合物凝胶组成的网络。凝胶帮助氢氧根离子在电极之间穿梭。
这种电池由廉价、丰富且基本无毒的材料制成，比目前使用的电池更环保。与锂离子电池中的易燃电解质不同，如果电池损坏，凝胶和芳纶纳米纤维不会着火。芳纶纳米纤维可以从退役的防弹衣中升级利用。
为了演示他们的电池，研究人员实验了常规大小和小型化的蠕虫和蝎子形状的玩具机器人。研究小组用锌空气电池取代了原来的电池。他们将电池连接到马达上，并将它们包裹在令人毛骨悚然的爬行动物的外部。
科托夫实验室生物医学工程博士生艾哈迈德·埃姆雷说:“电池可以同时存储电量和保护机器人的‘器官’，它复制了脂肪组织储存能量的多功能。”
锌电池的缺点是，它能保持大约100次循环的高容量，而不是我们智能手机中锂离子电池所期望的500次或更多。这是因为锌金属形成尖刺，最终刺穿电极之间的膜。电极之间的强芳纶纳米纤维网络是锌电池长生命周期的关键。而且这种电池的材料便宜、可回收，更换起来很容易。
Kotov说，除了电池化学性质的优势之外，该设计还可以利用U-M开发的图论方法，实现从单一电池到分布式储能的转变。
科托夫说:“我们没有一个脂肪囊，这将是巨大的，需要大量昂贵的能量转移。”“分布式能源存储，这是一种生物方式，是高效生物形态设备的发展之路。”
-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com。
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