當(dāng)電子設(shè)備電不夠需要自己補(bǔ)充電源時(shí)，它有兩種基本選擇：找個(gè)電池和充電機(jī)。電池在內(nèi)部存儲(chǔ)能量，但是它們很重并且供應(yīng)有限。太陽(yáng)能電池板等外部充電設(shè)備則往往是從其周?chē)h(huán)境收集能量，它繞過(guò)了電池的一些缺點(diǎn)，但引入了新的缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冎荒茉谔囟l件下運(yùn)行，并且不能很快將能量轉(zhuǎn)化為有用的電能。
 

 

　　賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的最新研究首次以“metal-air scavenger”的形式，彌補(bǔ)了這兩種基本技術(shù)之間的空白，該技術(shù)獲得了電池和充電器兩全其美的優(yōu)勢(shì)。

 

　　這種金屬空氣清除劑的工作原理類(lèi)似于電池，因?yàn)樗ㄟ^(guò)反復(fù)破壞并形成一系列化學(xué)分子來(lái)提供動(dòng)力。但是它也像收割機(jī)一樣工作，因?yàn)殡娏κ怯善渲車(chē)h(huán)境中的能量提供的：特別是金屬和空氣清除劑周?chē)諝庵械幕瘜W(xué)分子。

 

　　結(jié)果是其電源的功率密度是目前最好的能量收集器的10倍，能量密度是鋰離子電池的 13倍。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種能源可能會(huì)成為機(jī)器人技術(shù)新范式的基礎(chǔ)，在機(jī)器人技術(shù)中，機(jī)器通過(guò)尋找和“吃掉”金屬來(lái)保持自身動(dòng)力，像人類(lèi)對(duì)食物的作用一樣，破壞其原有化學(xué)分子以獲得能量。

 

　　在短期內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)為兩家公司提供了動(dòng)力。賓夕法尼亞大學(xué)年度Y-Prize競(jìng)賽的獲勝者計(jì)劃使用金屬空氣清除劑為發(fā)展中國(guó)家離網(wǎng)房屋的低成本照明燈供電，并可能為運(yùn)輸集裝箱提供長(zhǎng)效傳感器，以防盜竊，損壞甚至偷渡。

 

　　研究人員，機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)系的助理教授James Pikul與其實(shí)驗(yàn)室成員Min Min和Unnati Joshi一起在ACS Energy Letters期刊上發(fā)表了這項(xiàng)研究，證明了其清除劑的能力。
 

 

　　開(kāi)發(fā)其金屬空氣清除劑（MAS）的動(dòng)機(jī)源于以下事實(shí)：組成微型機(jī)器人的技術(shù)和為機(jī)器人提供動(dòng)力的既有技術(shù)在體積方面根本不匹配。

 

　　隨著各個(gè)晶體管尺寸的縮小，芯片在更小更輕的封裝中提供了更多的計(jì)算能力。但是，當(dāng)電池變小時(shí)，電池并不能以同樣的方式受益。材料中化學(xué)鍵的密度是固定的，因此較小的電池必然意味著較少的鍵斷裂。

 

　　皮庫(kù)爾說(shuō)：“計(jì)算性能和能量存儲(chǔ)之間的這種倒置關(guān)系使小型設(shè)備和機(jī)器人很難長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。” “有像昆蟲(chóng)一樣大小的機(jī)器人，但是它們只能在電池電量耗盡之前運(yùn)行一分鐘。”

 

　　更糟糕的是，增加更大的電池并不能使機(jī)器人使用更長(zhǎng)的時(shí)間。增加的質(zhì)量將消耗更多的能量來(lái)移動(dòng)，從而抵消了較大電池提供的額外能量。打破這種令人沮喪的倒置關(guān)系的唯一方法是尋找化學(xué)鍵，而不是將它們捆綁在一起。

 

　　皮庫(kù)爾說(shuō)：“像收集太陽(yáng)能，熱能或振動(dòng)能的收集器一樣，收集器正在變得越來(lái)越高效。” “它們通常用于為離網(wǎng)的傳感器和電子設(shè)備供電，但問(wèn)題是它們的功率密度低，這意味著它們無(wú)法實(shí)現(xiàn)從環(huán)境中吸收能量電池可以提供的高速度。”

　　他說(shuō)：“我們的MAS的功率密度比最好的能量收集器高十倍，以至可以與電池競(jìng)爭(zhēng)。它使用的是電池化學(xué)物質(zhì)，但沒(méi)有相關(guān)的重量，因?yàn)樗樟诉@些化學(xué)物質(zhì)來(lái)自環(huán)境。”

 

　　就像傳統(tǒng)電池一樣，研究人員的MAS始于連接到其供電設(shè)備的陰極。陰極下面是一塊水凝膠，這是由聚合物鏈組成的海綿狀網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)其攜帶的水分子在金屬表面和陰極之間傳導(dǎo)電子。水凝膠充當(dāng)電解質(zhì)時(shí)，接觸的任何金屬表面都將充當(dāng)電池的陽(yáng)極，從而使電子流到陰極并為連接的設(shè)備供電。

 

　　為了他們的研究目的，研究人員將一輛小型電動(dòng)汽車(chē)連接到了MAS。將水凝膠拖到其后，MAS車(chē)輛會(huì)氧化它經(jīng)過(guò)的金屬表面，從而在其尾跡中留下微小的銹蝕層。

 

　　為了證明這種方法的有效性，研究人員將他們的MAS車(chē)輛驅(qū)動(dòng)器在鋁表面上繞圈行駛。車(chē)輛配備有一個(gè)小型儲(chǔ)水罐，該儲(chǔ)水罐不斷將水吸入水凝膠中以防止其變干。

 

圖片來(lái)源：賓夕法尼亞大學(xué)

 

　　“能量密度是可用能量與必須承擔(dān)的重量之比，” Pikul說(shuō)。“即使考慮到多余的水的重量，MAS的能量密度也只有鋰離子電池的13倍，因?yàn)槠?chē)僅需攜帶水凝膠和陰極，而無(wú)需攜帶提供能量的金屬或氧氣。”

 

　　研究人員還對(duì)鋅和不銹鋼上的MAS車(chē)輛進(jìn)行了測(cè)試。不同的金屬賦予MAS不同的能量密度，這取決于它們的氧化潛力。這種氧化反應(yīng)僅發(fā)生在表面的100微米之內(nèi)，因此，盡管MAS可能會(huì)多次重復(fù)使用而耗盡所有容易獲得的鍵，但幾乎沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)對(duì)其清除的金屬造成重大的結(jié)構(gòu)損壞。

 

　　研究人員的MAS系統(tǒng)具有多種用途，非常適合Penn的年度Y-Prize商業(yè)競(jìng)賽，該競(jìng)賽對(duì)團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)以Penn Engineering開(kāi)發(fā)的新生技術(shù)為基礎(chǔ)的公司提出了挑戰(zhàn)。今年的第一名團(tuán)隊(duì)Metal Light贏得了10,000美元的獎(jiǎng)勵(lì)，他們的提議是將MAS技術(shù)用于發(fā)展中國(guó)家離網(wǎng)房屋的低成本照明中。排名第二的M-Squared打算在運(yùn)輸集裝箱中使用MAS供電的傳感器，獲得第二名的獎(jiǎng)金$ 4,000。

 

　　“在短期內(nèi)，我們將看到我們的MAS支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如Metal Light和M-Squared提出的技術(shù)，” Pikul說(shuō)。“但是真正令我們著迷的是，這項(xiàng)工作背后的動(dòng)機(jī)是它如何改變了我們對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)的思考方式。”

 

　　Pikul的許多其他研究涉及通過(guò)借鑒自然界的線(xiàn)索來(lái)改進(jìn)技術(shù)。例如，他的實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)度，低密度的“金屬木材”受到樹(shù)木細(xì)胞結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，他在機(jī)器人a魚(yú)上的研究涉及給它提供液體電池循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還可以氣動(dòng)地驅(qū)動(dòng)其鰭片。

 

　　研究人員認(rèn)為他們的MAS借鑒了甚至更基本的生物學(xué)概念：食物。

 

　　皮庫(kù)爾說(shuō)：“隨著機(jī)器人變得更加智能，功能越來(lái)越強(qiáng)大，我們不再需要將自己插入墻壁中。他們現(xiàn)在可以像人類(lèi)一樣為自己尋找能源。” “有一天，一個(gè)需要給電池充電的機(jī)器人只需要找到一些鋁就可以用MAS'進(jìn)食'，這將為其提供足夠的動(dòng)力使其工作直至下頓用餐。”