生物形态电池可以为机器人提供72倍的能量

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  • 2020-08-21 23:38

密歇根大学领导的一个研究小组表明,就像生物脂肪储备将能量存储在动物体内一样,新型的可充电锌电池也被集成到机器人的结构中以提供更多的能量。

当机器人缩小到微米级或以下(目前的独立电池太大且效率低下)时,这种增加容量的方法将特别重要。

“机器人的设计是由需要电池,往往占据20%以上的可用空间的限制内机器人,或考虑机器人的重量的比例相近,”尼古拉斯·科托夫,约瑟夫B.和佛罗伦萨V.塞加卡说工程学教授,领导研究。

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从交付无人机和自行车车道外出机器人到机器人护士和仓库机器人,移动机器人的应用正在激增。在微观方面,研究人员正在探索可以自我组装成更大设备的群机器人。多功能结构电池可能会释放空间并减轻重量,但是到目前为止,它们只能补充主电池。

“就能量密度而言,没有其他报告的结构性电池可以与当今最先进的先进锂电池相提并论。我们通过10种不同的措施改进了先前版本的结构性锌电池,其中一些措施要好100倍,做到这一点。”科托夫说。

他说,能量密度和廉价材料的结合意味着电池可能已经使传送机器人的作用范围增加了一倍。

第一作者,最近访问研究人员王明强说:“但是,这不是极限。我们估计,如果机器人的外观被锌电池代替,那么与单节锂离子电池相比,机器人的功率容量将提高72倍。”去科托夫的实验室。

新电池的工作原理是使氢氧根离子在锌电极和空气侧之间通过电解质膜。该膜部分是由芳族聚酰胺纳米纤维(在凯夫拉尔背心中发现的碳基纤维)和新型水基聚合物凝胶组成的网络。凝胶有助于氢氧根离子在电极之间穿梭。

该电池由廉价,丰富且基本无毒的材料制成,比目前使用的电池更加环保。如果电池损坏,凝胶和芳族聚酰胺纳米纤维将不会着火,这与锂离子电池中的易燃电解质不同。芳族聚酰胺纳米纤维可以从退役的防弹衣升级。

为了演示其电池,研究人员尝试了蠕虫和蝎子形状的常规尺寸和小型玩具机器人。该团队用锌空气电池更换了原来的电池。他们将电池连接到电动机中,然后将它们包裹在令人毛骨悚然的履带的外部。

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科托夫实验室的生物医学工程学博士艾哈迈德·埃姆雷(Ahmet Emre)说:“具有双重职责的电池(用于存储电荷并保护机器人的“器官”)可以复制脂肪组织的多功能性,以将脂肪存储在生物体内。”

锌电池的缺点在于,它们可以维持约100个循环的高容量,而不是我们期望的智能手机中锂离子电池的500个或更多。这是因为锌金属形成了尖峰,最终刺穿了电极之间的膜。电极之间的强芳族聚酰胺纳米纤维网络是锌电池相对较长的循环寿命的关键。廉价且可回收的材料使电池易于更换。

Kotov表示,除了电池化学作用的优势外,该设计还可以使用UM开发的图论方法实现从单个电池到分布式能量存储的转变。

科托夫说:“我们没有一个单一的脂肪囊,它的体积很大,需要大量的能量转移。” 分布式能量存储是一种生物方法,是高效生物形态设备的一种方法。”

这项研究的论文将发表在《科学机器人》杂志上,标题为“机器人的生物形态结构电池”。

来源:AIUST.COM

作者:原创编译

编辑:leilei

图片来源: Wang等

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