La nueva tecnología scavenger permite a los robots ‘comer’ metal para obtener energía

Cuando la electrónica necesita sus propias fuentes de energía, hay dos opciones básicas: baterías y cosechadoras. Las baterías almacenan energía internamente, pero por lo tanto son pesadas y tienen un suministro limitado. Los cosechadores, como los paneles solares, recolectan energía de sus entornos. Esto resuelve algunas de las desventajas de las baterías, pero introduce otras nuevas, ya que solo pueden funcionar en ciertas condiciones y no pueden convertir esa energía en energía útil muy rápidamente.

Una nueva investigación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania está cerrando la brecha entre estas dos tecnologías fundamentales por primera vez en la forma de un “eliminador de metales y aire” que obtiene lo mejor de ambos mundos.

Este carroñero de metal y aire funciona como una batería, ya que proporciona energía al romper y formar una serie de enlaces químicos repetidamente. Pero también funciona como una cosechadora, en el sentido de que la energía es suministrada por la energía en su entorno: específicamente, los enlaces químicos en el metal y el aire que rodean al eliminador de metales y aire.

El resultado es una fuente de energía que tiene 10 veces más densidad de energía que los mejores recolectores de energía y 13 veces más densidad de energía que las baterías de iones de litio.

A largo plazo, este tipo de fuente de energía podría ser la base de un nuevo paradigma en robótica, donde las máquinas se mantienen alimentadas buscando y “comiendo” metal, rompiendo sus enlaces químicos para obtener energía como lo hacen los humanos con los alimentos.

En el corto plazo, esta tecnología ya está impulsando a un par de empresas spin-off. Los ganadores de la competencia anual del Premio Y de Penn están planeando usar carroñeros de metal y aire para alimentar luces de bajo costo para hogares fuera de la red en el mundo en desarrollo y sensores de larga duración para enviar contenedores que podrían alertar sobre robos, daños o incluso humanos. tráfico

Los investigadores, James Pikul, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, junto con Min Wang y Unnati Joshi, miembros de su laboratorio, publicaron un estudio que demuestra las capacidades de su carroñero en la revista. Cartas Energéticas ACS.

La motivación para desarrollar su carroñero de metal-aire, o MAS, surgió del hecho de que las tecnologías que componen los cerebros de los robots y las tecnologías que los impulsan son fundamentalmente incompatibles cuando se trata de miniaturización.

A medida que se reduce el tamaño de los transistores individuales, los chips proporcionan más potencia informática en paquetes más pequeños y livianos. Pero las baterías no se benefician de la misma manera cuando se hacen más pequeñas; la densidad de los enlaces químicos en un material es fija, por lo que las baterías más pequeñas necesariamente significan menos enlaces para romper.

“Esta relación invertida entre el rendimiento informático y el almacenamiento de energía hace que sea muy difícil para los dispositivos y robots a pequeña escala operar durante largos períodos de tiempo”, dice Pikul. “Hay robots del tamaño de insectos, pero solo pueden operar durante un minuto antes de que su batería se quede sin energía”.

Peor aún, agregar una batería más grande no permitirá que un robot dure más; la masa añadida requiere más energía para moverse, lo que niega la energía adicional que proporciona la batería más grande. La única forma de romper esta relación invertida frustrante es buscar enlaces químicos, en lugar de empacarlos.

“Los cosechadores, como los que recolectan energía solar, térmica o vibratoria, están mejorando”, dice Pikul. “A menudo se usan para alimentar sensores y dispositivos electrónicos que están fuera de la red y donde es posible que no haya nadie cerca para cambiar las baterías. El problema es que tienen una baja densidad de energía, lo que significa que no pueden extraer energía del medio ambiente tan rápido como una batería puede entregarlo “.

“Nuestro MAS tiene una densidad de potencia que es diez veces mejor que los mejores cosechadores, hasta el punto de que podemos competir contra las baterías”, dice, “está usando la química de la batería, pero no tiene el peso asociado, porque está tomando esos químicos del medio ambiente “.

Al igual que una batería tradicional, el MAS de los investigadores comienza con un cátodo que está conectado al dispositivo que está alimentando. Debajo del cátodo hay una losa de hidrogel, una red esponjosa de cadenas de polímeros que conduce electrones entre la superficie del metal y el cátodo a través de las moléculas de agua que transporta. Con el hidrogel actuando como un electrolito, cualquier superficie metálica que toque funciona como el ánodo de una batería, permitiendo que los electrones fluyan hacia el cátodo y alimenten el dispositivo conectado.

A los fines de su estudio, los investigadores conectaron un pequeño vehículo motorizado al MAS. Arrastrando el hidrogel detrás de él, el vehículo MAS oxidó las superficies metálicas sobre las que viajó, dejando una capa microscópica de óxido a su paso.

Para demostrar la eficacia de este enfoque, los investigadores hicieron que su vehículo MAS condujera en círculos sobre una superficie de aluminio. El vehículo estaba equipado con un pequeño depósito que continuamente absorbía agua en el hidrogel para evitar que se secara.

“La densidad de energía es la relación entre la energía disponible y el peso que se debe transportar”, dice Pikul. “Incluso teniendo en cuenta el peso del agua extra, el MAS tenía 13 veces la densidad de energía de una batería de iones de litio porque el vehículo solo tiene que transportar el hidrogel y el cátodo, y no el metal u oxígeno que proporcionan la energía”.

Los investigadores también probaron los vehículos MAS en zinc y acero inoxidable. Los diferentes metales le dan al MAS diferentes densidades de energía, dependiendo de su potencial de oxidación.

Esta reacción de oxidación tiene lugar solo dentro de los 100 micrones de la superficie, por lo que si bien el MAS puede usar todos los enlaces fácilmente disponibles con disparos repetidos, hay poco riesgo de que cause un daño estructural significativo al metal que está eliminando.

Con tantos usos posibles, el sistema MAS de los investigadores fue una adaptación natural para el Premio Y anual de Penn, una competencia de planes de negocios que desafía a los equipos a construir empresas en torno a las tecnologías emergentes desarrolladas en Penn Engineering. El primer equipo de este año, Metal Light, ganó $ 10,000 por su propuesta de usar tecnología MAS en iluminación de bajo costo para hogares fuera de la red en el mundo en desarrollo. M-Squared, que ganó $ 4,000 en segundo lugar, tiene la intención de usar sensores alimentados por MAS en contenedores de envío.

“A corto plazo, vemos que nuestro MAS impulsa las tecnologías de Internet de las cosas, como lo que propone Metal Light y M-Squared”, dice Pikul. “Pero lo que realmente nos atrajo, y la motivación detrás de este trabajo, es cómo cambia la forma en que pensamos en el diseño de robots”.

Gran parte de la otra investigación de Pikul implica mejorar la tecnología tomando señales del mundo natural. Por ejemplo, la “madera metálica” de alta densidad y baja densidad de su laboratorio se inspiró en la estructura celular de los árboles, y su trabajo en un pez león robótico implicó darle un sistema circulatorio de batería líquida que también accionaba neumáticamente sus aletas.

Los investigadores consideran que su MAS se basa en un concepto biológico aún más fundamental: la alimentación.

“A medida que obtenemos robots que son más inteligentes y más capaces, ya no tenemos que limitarnos a enchufarlos a una pared. Ahora pueden encontrar fuentes de energía para sí mismos, al igual que los humanos”, dice Pikul. “Un día, un robot que necesita recargar sus baterías solo necesitará encontrar algo de aluminio para ‘comer’ con un MAS, lo que le daría suficiente energía para que funcione hasta su próxima comida”.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, concesión N00014-19-1-2353. Se llevó a cabo en parte en el Centro Singh de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo del Programa Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología de la NSF bajo la subvención NNCI-1542153.

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