ペンシルベニア大学工学部および応用科学部の新しい研究により、これらXNUMXつの基本技術のギャップが、両方の世界で最高の「金属空気スカベンジャー」という形で初めて埋められています。

この金属空気スカベンジャーは、一連の化学結合を繰り返し破壊および形成することによって電力を提供するという点で、バッテリーのように機能します。 しかし、環境内のエネルギーによって電力が供給されるという点で、ハーベスターのようにも機能します。具体的には、金属と空気のスカベンジャーを取り巻く空気と金属の化学結合。

その結果、最高のエネルギーハーベスターの10倍の電力密度と、リチウムイオンバッテリーの13倍のエネルギー密度を持つ電源が実現しました。

長期的には、このタイプのエネルギー源はロボットが新しいパラダイムの基礎となる可能性があり、機械は金属を探して「食べる」ことで動力を供給し続け、人間が食物と同じようにエネルギーの化学結合を分解します。

近い将来、このテクノロジーはすでにXNUMXつのスピンオフ企業を支えています。 ペンの毎年恒例のY賞コンテストの勝者は、金属空気スカベンジャーを使用して、発展途上国のオフグリッド住宅用の低コストのライトに電力を供給し、盗難、損傷、さらには人にさえ警告する可能性のあるコンテナーを輸送するための長持ちするセンサーを使用することを計画しています人身売買。

研究者である、機械工学および応用力学学科の助教授であるJames Pikulが、彼の研究室のメンバーであるMin WangおよびUnnati Joshiとともに、彼らのスカベンジャーの能力を実証する研究をジャーナルに発表しました。 ACSエネルギー手紙.

金属エアスカベンジャー、つまりMASを開発する動機は、ロボットの頭脳を構成するテクノロジーとロボットを駆動するテクノロジーが、小型化に関して根本的に不一致であるという事実から生じました。

個々のトランジスタのサイズが縮小するにつれて、チップはより小型で軽量のパッケージでより多くの計算能力を提供します。 しかし、バッテリーは小さくなっても同じようにはメリットがありません。 材料内の化学結合の密度は固定されているため、バッテリーが小さいほど、破壊する結合は少なくなります。

「コンピューティングパフォーマンスとエネルギー貯蔵のこの逆の関係により、小規模なデバイスやロボットが長期間動作することが非常に困難になっています」とピクル氏は言います。 「昆虫ほどの大きさのロボットもありますが、バッテリーの電力がなくなるまでXNUMX分間しか動作しません。」

さらに悪いことに、より大きなバッテリーを追加してもロボットは長持ちしません。 追加された質量は、移動するためにより多くのエネルギーを必要とし、より大きなバッテリーによって提供される余分なエネルギーを打ち消します。 この苛立たしい逆関係を破る唯一の方法は、化学結合をまとめるのではなく、化学結合を探すことです。

「太陽光、熱、または振動エネルギーを収集するような収穫機は改善されています」とピクル氏は言います。 「それらは、グリッドの外にあるセンサーや電子機器に電力を供給するためによく使用され、バッテリーを交換するために周りに誰もいないかもしれません。 問題は、電力密度が低いことです。つまり、バッテリーが供給できるのと同じ速さで、環境からエネルギーを取り出すことができません。」

「私たちのMASは、最高のハーベスターよりもXNUMX倍優れた電力密度を持っています。これは、バッテリーと競合できるほどです。」それは、バッテリー化学を使用していますが、それらの化学薬品を使用しているため、関連する重量はありません。環境から。」

従来のバッテリーと同様に、研究者のMASは、電力を供給しているデバイスに配線されているカソードから始まります。 カソードの下には、金属表面とカソードの間で水分子を介して電子を伝導するポリマー鎖の海綿状ネットワークであるヒドロゲルのスラブがあります。 ヒドロゲルが電解質として機能すると、接触する金属表面はバッテリーのアノードとして機能し、電子がカソードに流れ、接続されたデバイスに電力を供給できます。

研究の目的のために、研究者は小型電動車両をMASに接続しました。 その後ろのハイドロゲルを引きずって、MAS車はそれが上に移動した金属表面を酸化し、その跡に微視的な錆の層を残しました。

このアプローチの効率を実証するために、研究者たちはアルミ表面上でMAS車両を円で走行させました。 車両には小さなリザーバーが装備されており、ヒドロゲルに水分を継続的に吸い上げて、乾燥を防ぎます。

「エネルギー密度は、運搬する必要がある重量に対する利用可能なエネルギーの比率です」とピクル氏は言います。 「追加の水の重量を考慮しても、MASはリチウムイオンバッテリーの13倍のエネルギー密度を持っていました。これは、車両がヒドロゲルとカソードを運ぶだけでよく、エネルギーを供給する金属や酸素は必要ないためです。」

研究者はまた、亜鉛とステンレス鋼でMAS車をテストしました。 異なる金属は、酸化の可能性に応じて、MASに異なるエネルギー密度を与えます。

この酸化反応は表面から100ミクロン以内でのみ発生するので、MASはトリップを繰り返すとすぐに利用できるすべての結合を使い果たす可能性がありますが、清掃する金属に重大な構造的損傷を与えるリスクはほとんどありません。

研究者のMASシステムは非常に多くの用途があり、ペンエンジニアリングで開発された初期のテクノロジーを中心に企業を構築するようチームに挑戦するビジネスプランコンペティションであるペンの年間Y賞に自然に適合しました。 今年の最初のチームであるメタルライトは、開発途上国のオフグリッド住宅の低コスト照明にMASテクノロジーを使用するという提案に対して$ 10,000を獲得しました。 M-Squaredは4,000位で$ XNUMXを獲得しましたが、MAS搭載センサーを輸送用コンテナに使用する予定です。

「近い将来、Metal LightやM-Squaredが提案するもののように、MASがモノのインターネット技術を強化していることがわかります」とPikul氏は言います。 「しかし、私たちにとって本当に魅力的だったのは、この作業の背後にある動機は、それがロボットの設計に関する私たちの考え方をどのように変えるかです。」

ピクルの他の研究の多くは、自然界からの手がかりをとることによって技術を改善することを含みます。 たとえば、彼の研究室の高強度、低密度の「メタリックウッド」は木の細胞構造に触発されており、ロボットのミノカサゴへの彼の研究は、フィンを空気圧で作動させる液体電池循環システムを与えることに関係していました。

研究者たちは、MASをさらに基本的な生物学的概念である食品に基づいていると見なしています。

「よりインテリジェントでより能力のあるロボットを手に入れると、ロボットを壁に差し込むことだけに制限する必要がなくなります。 今では、人間と同じように、エネルギー源を自分で見つけることができます。」とピクルは言います。 「ある日、バッテリーを充電する必要があるロボットは、MASで「食べる」ためのアルミニウムを見つける必要があるだけで、次の食事まで機能するのに十分な電力が供給されます。」

この作品は、Office of Naval Research、グラントN00014-19-1-2353によってサポートされていました。 これは、NSCI National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Programの助成によりNNCI-1542153の支援を受けて、Singh Center for Nanotechnologyで一部実施されました。