皮升级锌-空气电池示意3D立体图。(美国麻省理工学院MIT)
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。