Niewielka bateria zaprojektowana przez inżynierów MIT może umożliwić wdrożenie autonomicznych robotów wielkości komórki do dostarczania leków do ludzkiego ciała, a także innych zastosowań, takich jak lokalizowanie nieszczelności w gazociągach.
Nowa bateria, która ma 0,1 milimetra długości i 0,002 milimetra grubości — mniej więcej grubość ludzkiego włosa — może wychwytywać tlen z powietrza i wykorzystywać go do utleniania cynku, tworząc prąd o napięciu do 1 wolta. To wystarczy, aby zasilić mały obwód, czujnik lub siłownik, wykazali badacze.
„Uważamy, że będzie to bardzo pomocne dla robotyki” — mówi Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej Carbon P. Dubbs na MIT i starszy autor badania. „Budujemy funkcje robotyczne na baterii i zaczynamy łączyć te komponenty w urządzenia”.
Ge Zhang (dr '22) i Sungyun Yang, student studiów podyplomowych na MIT, są głównymi autorami artykułu, który ukazał się w czasopiśmie Science Robotics.
Zasilany bateriami
Od kilku lat laboratorium Strano pracuje nad maleńkimi robotami, które potrafią wyczuwać i reagować na bodźce w swoim otoczeniu. Jednym z głównych wyzwań w rozwijaniu takich maleńkich robotów jest zapewnienie im wystarczającej mocy.
Inni badacze wykazali, że mogą zasilać urządzenia mikroskalowe za pomocą energii słonecznej, ale ograniczeniem tego podejścia jest to, że roboty muszą mieć laser lub inne źródło światła skierowane na siebie przez cały czas. Takie urządzenia są znane jako „marionetki”, ponieważ są sterowane przez zewnętrzne źródło zasilania. Umieszczenie źródła zasilania, takiego jak bateria, wewnątrz tych maleńkich urządzeń mogłoby pozwolić im na znacznie większe odległości.
„Systemy marionetkowe tak naprawdę nie potrzebują baterii, ponieważ całą potrzebną energię pobierają z zewnątrz” — mówi Strano. „Ale jeśli chcesz, aby mały robot mógł dostać się do przestrzeni, do których nie miałbyś dostępu w inny sposób, musi mieć większy poziom autonomii. Bateria jest niezbędna dla czegoś, co nie będzie przywiązane do świata zewnętrznego”.
Aby stworzyć roboty, które mogłyby stać się bardziej autonomiczne, laboratorium Strano zdecydowało się na użycie typu baterii znanego jako bateria cynkowo-powietrzna. Te baterie, które mają dłuższą żywotność niż wiele innych typów baterii ze względu na wysoką gęstość energii, są często używane w aparatach słuchowych.
Zaprojektowana przez nich bateria składa się z elektrody cynkowej połączonej z elektrodą platynową, zatopionej w pasku polimeru o nazwie SU-8, powszechnie stosowanego w mikroelektronice. Kiedy te elektrody wchodzą w interakcję z cząsteczkami tlenu z powietrza, cynk ulega utlenieniu i uwalnia elektrony, które płyną do elektrody platynowej, tworząc prąd.
W tym badaniu naukowcy wykazali, że ta bateria może dostarczyć wystarczająco dużo energii, aby zasilić siłownik — w tym przypadku ramię robota, które można podnosić i opuszczać. Bateria może również zasilać memrystor, element elektryczny, który może przechowywać wspomnienia zdarzeń poprzez zmianę swojego oporu elektrycznego, oraz obwód zegara, który umożliwia urządzeniom robotycznym śledzenie czasu.
Bateria zapewnia również wystarczającą moc do zasilania dwóch różnych typów czujników, które zmieniają swój opór elektryczny, gdy napotykają substancje chemiczne w środowisku. Jeden z czujników jest wykonany z atomowo cienkiego disiarczku molibdenu, a drugi z nanorurek węglowych.
„Tworzymy podstawowe elementy budulcowe w celu zbudowania funkcji na poziomie komórkowym” – mówi Strano.
Roje robotów
W tym badaniu naukowcy użyli przewodu, aby podłączyć baterię do urządzenia zewnętrznego, ale w przyszłych pracach planują zbudować roboty, w których bateria będzie wbudowana w urządzenie.
„To będzie stanowić rdzeń wielu naszych wysiłków robotycznych” — mówi Strano. „Można zbudować robota wokół źródła energii, podobnie jak można zbudować samochód elektryczny wokół akumulatora”.
Jedno z tych przedsięwzięć koncentruje się na projektowaniu maleńkich robotów, które można by wstrzyknąć do ludzkiego ciała, gdzie mogłyby one szukać miejsca docelowego, a następnie uwalniać lek, taki jak insulina. Naukowcy przewidują, że do użytku w ludzkim ciele urządzenia będą wykonane z biokompatybilnych materiałów, które rozpadną się, gdy nie będą już potrzebne.
Naukowcy pracują również nad zwiększeniem napięcia akumulatora, co może umożliwić dodatkowe zastosowania.
Badania finansowane były przez Biuro Badań Armii USA, Departament Energii USA, Narodową Fundację Naukową i stypendium inżynierskie MathWorks.