當電子產品需要電源時，有兩個基本的選擇：電池和采集器。電池在內部儲存能量，但因此很重，供應有限。太陽能板等采集器從周圍環(huán)境中收集能量。這解決了電池的一些缺點，但引入了新的電池，因為它們只能在特定的條件下工作，不能很快地把能量轉化為有用的能量。
賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的一項新研究以“金屬-空氣清除器”的形式，首次填補了這兩種基本技術之間的鴻溝，同時滿足了這兩種需求。
這種金屬-空氣清除器的工作原理類似于電池，它通過反復破壞和形成一系列化學鍵來提供能量。但它的工作原理也和采集器一樣，因為它的能量是由周圍環(huán)境中的能量提供的：具體來說，金屬和空氣中的化學鍵圍繞著金屬-空氣清除器。
其結果是，這種能量源的能量密度是最好的能量采集器的10倍，是鋰離子電池的13倍。
從長遠來看，這種類型的能源可能成為機器人技術新范式的基礎。在機器人技術中，機器通過尋找和“吃掉”金屬來維持自身的能量供應，就像人類吃掉食物那樣，分解金屬的化學鍵來獲取能量。
短期內，這項技術已經為兩家附屬公司提供了動力。賓夕法尼亞大學年度Y大獎的獲勝者計劃使用金屬-空氣清除器為發(fā)展中國家沒有電的家庭提供低成本照明，并為集裝箱安裝持久耐用的傳感器，以對盜竊、損壞甚至人口販賣發(fā)出警報。
機械工程和應用力學系的助理教授James Pikul，與實驗室成員Min Wang和Unnati Joshi一起，在ACS Energy Letters雜志上發(fā)表了一項研究，展示了這一新能源。
開發(fā)金屬空氣清除器(MAS)的動機源于這樣一個事實，即構成機器人大腦的技術和驅動它們的技術在微型化方面根本不匹配。
隨著單個晶體管尺寸的縮小，芯片在更小、更輕的封裝中提供了更強的計算能力。但是電池在變小的時候卻不能以同樣的方式受益；材料中化學鍵的密度是固定的，所以較小的電池必然意味著較少的化學鍵會斷裂。
“計算性能和能量存儲之間的這種反向關系使得小型設備和機器人很難長時間運行。”Pikul說。“有昆蟲那么大的機器人，但它們只能工作一分鐘，然后電池就沒電了。”
更糟糕的是，增加更大的電池并不能使機器人持續(xù)更長的時間；增加的質量需要更多的能量來移動，抵消了更大的電池提供的額外能量。打破這種令人沮喪的反向關系的唯一方法是尋找化學鍵，而不是把它們打包在一起。
“收集器，像那些收集太陽能、熱能或振動能的收集器，正在變得越來越好。”Pikul說。“它們通常被用來給沒有聯(lián)網的傳感器和電子設備供電，在那里你可能沒法換電池。”問題是它們的功率密度很低，這意味著它們無法像電池那樣快速地從環(huán)境中吸收能量。”
“我們的MAS的功率密度是最好的收集器的十倍，以至于我們可以和電池競爭。”他說，“它使用電池化學物質，但沒有相應的重量，因為它從環(huán)境中提取化學物質。”
Pikul說:“在不久的將來，我們會看到我們的MAS將推動物聯(lián)網技術的發(fā)展，就像Metal Light和M-Squared提出的那樣。”“但真正吸引我們的，以及這項工作背后的動機，是它如何改變了我們設計機器人的方式。”
Pikul的其他研究大多涉及通過從自然界獲取線索來改進技術。例如，他的實驗室的高強度、低密度的“金屬木材”的靈感來自于樹木的細胞結構，他對一只機器獅子魚的研究包括給它一個液體電池循環(huán)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也通過氣動驅動它的鰭。
研究人員認為他們的MAS利用了一個更基本的生物學概念:食物。
“隨著機器人變得更智能、更有能力，我們不再局限于把它們插到墻上。他們現(xiàn)在可以自己尋找能源，就像人類一樣。”Pikul說。“有一天，一個需要給電池充電的機器人將只需要找到一些鋁，用MAS‘吃’，這將給它足夠的能量工作到它的下一頓飯。”
