Ученые Массачусетского технологического института (MIT) разработали миниатюрную батарею, которая может обеспечить автономность роботам размером с клетку, открывая новые возможности для доставки лекарств в организм человека и решения других задач.
Батарея, длиной 0,1 миллиметра и толщиной 0,002 миллиметра (что соответствует толщине человеческого волоса), способна захватывать кислород из воздуха и использовать его для окисления цинка, создавая ток напряжением до 1 вольта. Это достаточно для питания небольшой схемы, датчика или привода.
«Мы считаем, что это будет очень полезно для робототехники. Мы встроили роботизированные функции в батарею и начали собирать эти компоненты в устройства», — сказал Майкл Страно, профессор химической инженерии Carbon P. Dubbs в MIT и старший автор исследования. Ведущими авторами статьи, опубликованной в журнале Science Robotics, являются докторант Гэ Чжан и аспирант MIT Сунгюнь Ян.
Лаборатория Страно уже несколько лет работает над крошечными роботами, которые могут реагировать на раздражители в окружающей среде. Одной из основных проблем при разработке таких крошечных роботов является обеспечение их достаточной мощностью. Другие исследователи показали, что они могут питать микромасштабные устройства с помощью солнечной энергии, но ограничение этого подхода заключается в том, что роботы должны иметь лазер или другой источник света, направленный на них в любое время. Такие устройства известны как «марионетки», потому что они управляются внешним источником питания. Размещение источника питания, такого как батарея, внутри этих крошечных устройств может освободить их для перемещения гораздо дальше.
«Системам-марионеткам на самом деле не нужна батарея, потому что они получают всю необходимую энергию извне. Но если необходимо, чтобы небольшой робот мог попасть в пространства, куда не попасть иным способом, то ему нужно иметь более высокий уровень автономности. Батарея необходима для чего-то, что не будет привязано к внешнему миру», — объяснил Страно.
Чтобы создать роботов, которые могли бы стать более автономными, лаборатория Страно решила использовать цинково-воздушную батарею. Эти батареи, которые имеют более длительный срок службы, чем многие другие типы батарей из-за их высокой плотности энергии, часто используются в слуховых аппаратах. Разработанная батарея состоит из цинкового электрода, соединенного с платиновым электродом, встроенным в полоску полимера SU-8, который обычно используется в микроэлектронике. Когда эти электроды взаимодействуют с молекулами кислорода из воздуха, цинк окисляется и высвобождает электроны, которые текут к платиновому электроду, создавая ток.
В исследовании учёные показали, что эта батарея может обеспечить достаточно энергии для питания привода — в данном случае, роботизированной руки, которую можно поднимать и опускать. Батарея также может питать мемристор, электрический компонент, который может изменять своё электрическое сопротивление, и часовую схему, которая позволяет роботизированным устройствам отслеживать время.
Аккумулятор также обеспечивает достаточно мощности для работы двух различных типов датчиков, которые изменяют электрическое сопротивление при столкновении с химическими веществами в окружающей среде. Один из датчиков изготовлен из атомарно тонкого дисульфида молибдена, а другой — из углеродных нанотрубок.
«Мы создаём основные строительные блоки для создания функций на клеточном уровне», — сказал Страно. В этом исследовании учёные использовали провод для подключения батареи к внешнему устройству, но в будущей работе они планируют создать роботов, в которых батарея будет встроена в устройство. «Это станет основой многих наших робототехнических усилий. Можно построить робота вокруг источника энергии, как электромобиль вокруг батареи», — добавил Страно.
Одной из таких попыток является разработка крошечных роботов, которых можно было бы вводить в тело человека, где они могли бы искать целевое место и затем высвобождать лекарство, например инсулин.
Для использования в организме человека исследователи предполагают, что устройства будут сделаны из биосовместимых материалов, которые будут распадаться, как только они станут не нужны. Исследователи также работают над повышением напряжения батареи, что может открыть новые возможности её применения.
