为细胞级机器人提供动力 超微电池研发成功

Daphane

來源:大紀元



皮升级锌-空气电池示意3D立体图。（美国麻省理工学院MIT）

【大纪元2024年09月06日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）随着感测器、机器人的尺寸不断缩小，其动力来源成为一个重要课题。尽管它们采用磁力、电场等方式作为动力来源，但也容易限制其自主性。这次，美国著名大学为细胞大小的自主机器人研发出一种超微型电池。这种机器人的用途包括体内药物投放、天然气管道泄漏探测等。

传统的电池材料，大多使用湿化学制备无法大幅缩小，而一些锂电池、陶瓷材料制成的电池也受到体积和效率限制。这些导致多数的微电池尺寸被限制在毫米级、亚平方毫米级上，无法直接给皮升级（pL，万亿分之一公升）或细胞级的机器人使用。

这次，美国麻省理工学院的科学家们透过光刻技术，做出一种高能量密度的超微型电池，让它可以安置在细胞大小的自主机器人上，使它们有足够的电力可以在管道、地下、体内和船上等有限环境中自主运行。这篇论文于8月中旬发表在《科学机器人》杂志上。

研究人员为了创造更自主的微型机器人，他们选用锌-空气电池。主要在于这种类型的电池，拥有非常高的能量和能量密度，比许多类型的电池拥有更长的使用寿命。

他们在无尘室，以标准微影技术，在一个2吋（直径5.08公分）硅晶圆上，一次性大规模制造约10,000个（100×100阵列）相同设计的皮升级“锌-空气电池”。

该种电池最上层是锌（Zn）阳极（厚度1.5μm）和白金（Pt）阴极组成，嵌入到SU-8（一种抗腐蚀的聚合物）绝缘层上，长宽只有100μm，厚度只有0.002mm（相当于人类头发厚度），整体打印在硅晶圆基板上。

当这些电极与空气中的氧分子相互作用时，锌会被氧化并释放流向白金电极的电子，从而产生电流。锌阳极在反应过程中，电极表面会产生一层磷酸锌沉淀物（不影响其运作），白金阴极会将水催化成氢氧根离子和氧气。

实验人员将100μm大小的锌-氧电池，放到浓度0.15M的磷酸盐缓冲盐水（PBS）等中性水溶液中，以观察其能产生多少电流、电压及放电时长。结果显示，该电池的平均电压是0.3～0.5V，若放电率从0.1 mA/cm增加到0.4mA/cm，其平均输出功率会随之增加1～3nW。

另外，该电池的放电时长保持在2,000～3,000秒之间，若放电率增加到0.4mA/cm时，放电时长会缩短至1,000～2,000秒。

另外，实验人员也制作出50μm、20μm，甚至更小的锌-氧电池，以观察该种电池缩小后，是否能够保持其性能和运用于更小的机器人上。结果显示，更小的电池也能维持一定性能。

研究人员在确认电池效能后，将其装到微型机器人上以观察其整体表现。结果显示，皮升级锌-空气电池足以为微型机器人的电路、感测器、时钟电路（允许机器人设备追踪时间）等执行器提供稳定的电力，让其获得良好的自主性。

研究人员表示，这款皮升级锌-空气电池，比迄今为止所报导的其它微型电池，拥有更高的能量密度，不过电池的功率密度仍有很大的提升空间。未来会朝着这方面发展，让该种电池能为细胞大小机器人提供更多功能，以便应用到更多领域上。

麻省理工学院化学工程系迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）教授对该校的新闻室表示，“我们认为这项结果，对机器人技术来说非常有益。我们开始在电池上合成一些零件设备，它们将建立机器人的功能。”

斯特拉诺说，“人为操纵的微型机器人，可以透过外部获取所需的能量。不过，你想要让一个小型机器人能够进入人们无法掌控的空间时，它就需要有一定的自主权，电池就成了必须的了。现在我们正在制造机器人的基本构件，以便机器人能在细胞层面上工作。”

该研究由美国陆军研究办公室、美国能源部、美国国家科学基金会、数学工厂（MathWorks）工程奖学金资助。