Исследователи из китайского Университета Фудань разработали необычный способ питания микророботов: вместо тяжелой аккумуляторной батареи машина может получать энергию непосредственно от поверхности под ногами. Для этого на ступни робота наносят сверхтонкую полимерную мембрану, которая при контакте с определенными материалами превращает каждый шаг в небольшой электрохимический генератор.
Для миниатюрных роботов проблема энергоснабжения особенно остра. Чем меньше машина, тем труднее разместить в ней достаточно емкий аккумулятор, не превратив батарею в значительную часть всей конструкции. Например, робот массой 1,7 г без существенной доли аккумулятора способен работать всего около двух минут, тогда как батарея должна занимать до 94% его массы. Китайские ученые предложили вообще отказаться от значительного запаса энергии на борту.
Как работает энергетическая «кожа» робота
Ключевой элемент системы — полимерная гелевая мембрана толщиной всего 135 микрометров, то есть примерно с человеческий волос. Ее непосредственно формируют на поверхности роботизированных ступней.
Когда такая ступня касается подходящей металлической поверхности, запускается электрохимическая реакция. Металл — например, алюминий или цинк — отдает электроны, а мембрана извлекает из окружающего воздуха кислород и влагу, необходимые для завершения электрохимического процесса. В результате электрический ток возникает практически сразу после контакта.
Стоит роботу поднять ногу — и генерация прекращается. Таким образом, энергия производится не непрерывно и хранится в массивном аккумуляторе, а возникает непосредственно в процессе движения.
По сути, ученые превратили поверхность, по которой перемещается робот, в часть его энергетической системы. Каждый шаг становится своеобразным мгновенным разрядом микроскопической батареи.
Тысячи шагов без обычного аккумулятора
Экспериментальный робот размером 6,7 × 5,7 см напечатали на 3D-принтере. Во время испытаний он смог в течение 150 дней работать в прерывистом режиме и совершить более 10 000 шагов без заметного падения напряжения. В другом испытании робот преодолел отметку в миллион шагов, израсходовав всего около 2 г алюминия.
Мембрана оказалась достаточно липкой, чтобы робот мог передвигаться даже по наклонным металлическим поверхностям. Система сохраняла работоспособность при температурах от −20 до +80 °C. Получаемой энергии хватало не только для самого процесса движения: исследователи смогли запитать светодиод и Bluetooth-передатчик.
Последнее особенно важно. Если такая технология будет масштабирована, роботизированная машина сможет одновременно двигаться, собирать данные и передавать их наружу, практически не имея тяжелого источника питания на борту.
Есть важное ограничение
У технологии, однако, есть принципиальный недостаток. Электрохимическая мембрана работает далеко не на любой поверхности.
Пластик, стекло, почва и органические материалы химически недостаточно активны для такого способа получения энергии. Если робот покидает металлический или кремниевый участок и оказывается на подобной поверхности, его «энергетические ступни» перестают вырабатывать электричество.
Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили небольшой суперконденсатор. Он способен временно накапливать энергию и отдавать ее роботу на участках, где непосредственная генерация невозможна.
Есть и другая проблема — долговечность. Воздействие атмосферного углекислого газа и постоянные процессы коррозии постепенно ухудшают состояние электролита внутри системы. Пока ученым приходится вручную восполнять запас гидроксида калия, чтобы мембрана продолжала работать. Автоматическое обслуживание электролита станет одним из ключевых условий практического применения технологии.
Зачем нужны роботы без тяжелых батарей
Главное преимущество новой системы проявляется там, где обычный аккумулятор становится слишком большим и тяжелым. Речь идет о микророботах, которым предстоит проникать в узкие и труднодоступные пространства.
Такие машины потенциально можно использовать для поиска людей под завалами после землетрясений, обследования вентиляционных каналов, промышленных установок и других мест, куда крупному роботу попасть сложно. Особенно интересны области вроде ядерных объектов, где миниатюрная автономная машина могла бы собирать диагностические данные непосредственно внутри труднодоступных конструкций.
В этом смысле разработка Фуданьского университета вписывается в более широкую тенденцию: ученые постепенно превращают внешнюю поверхность роботов из пассивного покрытия в многофункциональный элемент.
Современная искусственная кожа уже умеет чувствовать давление, температуру и приближение объектов. Некоторые экспериментальные покрытия способны восстанавливаться после повреждений или реагировать на прикосновения. Теперь к этому списку добавилась еще одна функция — получение энергии.
Если исследователям удастся автоматизировать обслуживание электролита и расширить перечень подходящих поверхностей, подобные роботы смогут значительно дольше работать автономно. Вместо того чтобы таскать с собой большую батарею, они будут получать часть необходимой энергии непосредственно из окружающей среды — буквально с каждым шагом.
