Pin sinh học có thể cung cấp năng lượng gấp 72 lần cho robot

Giống như dự trữ chất béo sinh học lưu trữ năng lượng ở động vật, một loại pin kẽm có thể sạc lại mới tích hợp vào cấu trúc của robot để cung cấp nhiều năng lượng hơn, một nhóm nghiên cứu do Đại học Michigan dẫn đầu đã chỉ ra.

Cách tiếp cận này để tăng dung lượng sẽ đặc biệt quan trọng khi rô bốt thu nhỏ lại ở kích thước micro và thấp hơn – quy mô mà tại đó pin độc lập hiện tại quá lớn và không hiệu quả.

Nicholas Kotov, Joseph B. và Florence V. Cejka, cho biết: “Các thiết kế robot bị hạn chế bởi nhu cầu sử dụng pin thường chiếm từ 20% trở lên không gian có sẵn bên trong robot hoặc chiếm một tỷ lệ tương tự trọng lượng của robot”. Giáo sư Kỹ thuật, người dẫn đầu cuộc nghiên cứu.

Các ứng dụng dành cho rô bốt di động đang bùng nổ, từ máy bay không người lái giao hàng và rô bốt nhận hàng trên làn đường xe đạp đến rô bốt y tá và rô bốt nhà kho. Về mặt vi mô, các nhà nghiên cứu đang khám phá các robot bầy đàn có thể tự lắp ráp thành các thiết bị lớn hơn. Pin cấu trúc đa chức năng có khả năng giải phóng không gian và giảm trọng lượng, nhưng cho đến nay chúng chỉ có thể bổ sung cho pin chính.

“Không có loại pin cấu trúc nào khác được báo cáo có thể so sánh được, về mật độ năng lượng, với pin lithium tiên tiến hiện đại nhất hiện nay. Chúng tôi đã cải tiến phiên bản pin kẽm cấu trúc trước của mình trên 10 biện pháp khác nhau, một số trong số đó tốt hơn 100 lần, Kotov nói.

Sự kết hợp của mật độ năng lượng và vật liệu rẻ tiền có nghĩa là pin có thể đã tăng gấp đôi phạm vi của robot giao hàng, ông nói.

“Tuy nhiên, đây không phải là giới hạn. Chúng tôi ước tính rằng robot có thể có công suất điện cao hơn 72 lần nếu bề ngoài của chúng được thay thế bằng pin kẽm, so với việc sử dụng một pin lithium ion duy nhất”, Mingqiang Wang, tác giả đầu tiên và gần đây là nhà nghiên cứu thăm quan cho biết đến phòng thí nghiệm của Kotov.

Loại pin mới hoạt động bằng cách cho các ion hydroxit đi qua giữa điện cực kẽm và không khí qua màng điện phân. Màng đó một phần là mạng lưới các sợi nano aramid – sợi carbon được tìm thấy trong áo khoác Kevlar – và một loại gel polyme gốc nước mới. Gel giúp đưa các ion hydroxit giữa các điện cực.

Được làm bằng vật liệu rẻ, phong phú và phần lớn không độc hại, pin thân thiện với môi trường hơn những loại pin đang được sử dụng hiện nay. Gel và sợi nano aramid sẽ không bắt lửa nếu pin bị hỏng, không giống như chất điện phân dễ cháy trong pin lithium ion. Các sợi nano aramid có thể được nâng cấp từ áo giáp đã nghỉ hưu.

Để chứng minh pin của mình, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với các robot đồ chơi thu nhỏ và có kích thước thông thường với hình dạng của một con sâu và một con bọ cạp. Nhóm nghiên cứu đã thay thế pin ban đầu của họ bằng pin không khí kẽm. Họ nối dây các tế bào vào động cơ và quấn chúng xung quanh bên ngoài của những trình thu thập thông tin đáng sợ.

Ahmet Emre, một nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật y sinh tại phòng thí nghiệm của Kotov cho biết: “Pin có thể làm nhiệm vụ kép – lưu trữ điện tích và bảo vệ ‘các cơ quan’ của robot – tái tạo tính đa chức năng của các mô mỡ dùng để dự trữ năng lượng trong các sinh vật sống”.

Nhược điểm của pin kẽm là chúng duy trì dung lượng cao trong khoảng 100 chu kỳ, thay vì 500 hoặc hơn mà chúng tôi mong đợi từ pin lithium ion trong điện thoại thông minh của chúng tôi. Điều này là do kim loại kẽm tạo thành các gai đâm xuyên qua màng giữa các điện cực. Mạng lưới sợi nano aramid bền vững giữa các điện cực là chìa khóa cho vòng đời tương đối dài của pin kẽm. Và các vật liệu rẻ tiền và có thể tái chế giúp pin dễ dàng thay thế.

Ngoài những ưu điểm về hóa học của pin, Kotov nói rằng thiết kế có thể cho phép chuyển từ một pin đơn lẻ sang lưu trữ năng lượng phân tán, sử dụng phương pháp tiếp cận lý thuyết đồ thị được phát triển tại UM.

Kotov cho biết: “Chúng ta không có một túi mỡ nào, vì nó sẽ cồng kềnh và đòi hỏi nhiều năng lượng truyền tốn kém. “Lưu trữ năng lượng phân tán, đó là cách sinh học, là cách để đi đến các thiết bị sinh học hiệu quả cao.”

Một bài báo về nghiên cứu này sẽ được xuất bản trên Science Robotics , có tựa đề, “Pin cấu trúc sinh học cho người máy.”

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Quốc phòng, Quỹ Khoa học Quốc gia và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân. Thử nghiệm pin đã diễn ra tại Viện Năng lượng UM. Kotov cũng là một giáo sư về kỹ thuật hóa học, khoa học vật liệu và kỹ thuật cũng như khoa học và kỹ thuật đại phân tử. Wang là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Học viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân ở Trung Quốc.

Đại học Michigan đã đăng ký bảo hộ bằng sáng chế và đang tìm kiếm các đối tác thương mại để đưa công nghệ ra thị trường.

Theo ScienDaily