eng
Просмотры: 1940
20.08.2020
Новая технология подразумевает распределенное хранение энергии, как это организовано в жировой ткани человеческого организма
Перезаряжаемые цинковые батареи, интегрируемые в робота, увеличивают его энергоемкость и защищают составные части машины – сообщают исследователи из Мичиганского университета, которые планомерно улучшают качество нового портативного источника энергии.
Размышляя о решении этой проблемы, группа Котова разработала новые перезаряжаемые цинковые батареи, которые монтируются в тело робота с целью освободить внутреннее пространство и уменьшить вес, которые обычно занимают литий-ионные аккумуляторы. В человеческом организме нет ни единой громоздкой жировой клетки, которая требовала бы траты значительных ресурсов для хранения и передачи энергии. Распределенное хранение энергии, как это реализовано природой в живых организмах, это ключ к понимаю способа хранения энергии в высокоэффективных биоморфных устройствах.
Биоморфная технология основывается на мимикрии живых организмов и биологических систем. Она идеальна для гуманоидных роботов, разрабатываемых для работы в окружающей среде, предназначенной для человека.
Задач для мобильных роботов становится всё больше. Здесь актуально будет упомянуть дронов, роботов-курьеров, роботов-нянь и складских роботов. Если взглянуть на микророботов, то в этой сфере происходит активное развитие групповой роботехники, когда малые роботы могут самостоятельно собираться в более крупные устройства. Роботехника шагнёт далеко вперед с применением разработки лаборатории Котова. Мультифункциональные структурные батареи потенциально могут освободить место и сократить вес робота, но до сегодняшнего дня они могли лишь быть дополнением к основной батарее. Структурные батареи можно применять в конструировании разной техники: от дронов до роботов-курьеров. Профессор Котов убежден, что новые цинковые батареи могут удвоить количество таких роботов и, в частности, роботов-курьеров, в ближайшее время.
Двукратный рост числа роботов-курьеров, по мнению профессора Котова, достижим за счет комбинации из плотности хранения энергии и недорогих материалов.
Принцип работы новых цинковых батарей
Новая цинковая батарея работает посредством пропускания гидроксид-ионов между цинковым анодом и воздушным катодом через электролитическую мембрану. Эта мембрана состоит из арамидных нановолокон (углеродных нановолокон, которые используются в кевларовых бронежилетах) и нового полимерного геля на основе воды. Гель помогает доставлять гидроксильные ионы между электродами. Таким образом батарея накапливает и хранит энергию.
Новые батареи, изготавливаемые из недорогих, распространенных и в основном нетоксичных материалов, приносят гораздо меньше вреда окружающей среде, чем литий-ионные. Гель и арамидные нановолокна не воспламеняются в случае повреждения батареи, как это бывает с литиевыми батареями. Кроме того, арамидные нановолокна со списанных бронежилетов можно использовать повторно.
Тестирование цинковых батарей
Исследователи экспериментировали с роботами обычного размера и миниатюрными игрушечными роботами в форм-факторе червя и скорпиона. Команда ученых заменила их оригинальные батареи новыми структурными цинковыми батареями. Они присоединили батареи к движкам и обернули ими членистоногих роботов снаружи.
Недостатки цинковых батарей
Однако, у цинковых батарей есть недостаток. Они сохраняют высокие показатели накопления энергии на протяжении примерно 100 циклов, в то время, как литиевые аккумуляторы в наших смартфонах демонстрируют высокую эффективность в течение примерно 500 циклов. Это происходит из-за того, что цинк образует шипы, которые в конечном итоге пронзают мембрану между электродами. Только усиленная сеть арамидных нановолокон между электродами послужит относительно долгому жизненному циклу цинковой батареи. Этот недостаток компенсируется тем, что новые батареи изготавливаются из недорогих и перерабатываемых материалов, а значит, их нетрудно заменять.
Теория графов
Помимо преимуществ химического состава батареи, её дизайн позволит совершить переход от единственной батареи к распределенному хранилищу энергии с использованием теории графов по методу, разработанному в Мичиганском университете, подчеркнул профессор Котов.
Видео, раскрывающее основные достижения проведенного исследования, а также демонстрация работы роботов на структурных цинковых батареях © Wang et al., Sci. Robot. 5, eaba1912 (2020)
Официальный отчёт по итогам этого исследования опубликован 19.08.2020 в журнале Science Robotics под заголовком "Biomorphic structural batteries for robotics".
Экспертное мнение
Глава фонда Alpha Robotics, один из разработчиков робота «Фёдор» Владимир Белый в своём комментарии по теме заявленной в исследовании разработки одному из сетевых изданий подчеркнул, что по-настоящему оценить эксплуатацию подобных батарей можно будет только после широких практических испытаний, поскольку успешное применение энергетических элементов в ходе эксперимента на микророботах ещё не доказывает их успешное функционирование на более габаритных образцах роботехники.
Если вам интересна тема использования аккумуляторных батарей, обратите внимание на книгу «Промышленное применение аккумуляторных батарей. От автомобилей до авиакосмической промышленности и накопителей энергии» из серии «Мир физики и техники».
«Проектирование роботов сильно ограничено громоздкими размерами батарей, которые обычно занимают не менее 20% всего доступного места внутри робота. Та же пропорция применима к соотношению веса робота и его батареи», – рассказал глава группы исследователей Николас Котов (Nicholas Kotov).
Размышляя о решении этой проблемы, группа Котова разработала новые перезаряжаемые цинковые батареи, которые монтируются в тело робота с целью освободить внутреннее пространство и уменьшить вес, которые обычно занимают литий-ионные аккумуляторы. В человеческом организме нет ни единой громоздкой жировой клетки, которая требовала бы траты значительных ресурсов для хранения и передачи энергии. Распределенное хранение энергии, как это реализовано природой в живых организмах, это ключ к понимаю способа хранения энергии в высокоэффективных биоморфных устройствах.
Биоморфная технология основывается на мимикрии живых организмов и биологических систем. Она идеальна для гуманоидных роботов, разрабатываемых для работы в окружающей среде, предназначенной для человека.
Задач для мобильных роботов становится всё больше. Здесь актуально будет упомянуть дронов, роботов-курьеров, роботов-нянь и складских роботов. Если взглянуть на микророботов, то в этой сфере происходит активное развитие групповой роботехники, когда малые роботы могут самостоятельно собираться в более крупные устройства. Роботехника шагнёт далеко вперед с применением разработки лаборатории Котова. Мультифункциональные структурные батареи потенциально могут освободить место и сократить вес робота, но до сегодняшнего дня они могли лишь быть дополнением к основной батарее. Структурные батареи можно применять в конструировании разной техники: от дронов до роботов-курьеров. Профессор Котов убежден, что новые цинковые батареи могут удвоить количество таких роботов и, в частности, роботов-курьеров, в ближайшее время.
«Ни одна из структурных батарей, отчеты по которым ранее опубликованы в научном сообществе, сравнима по плотности хранения энергии с современными и продвинутыми литиевыми батареями. Мы улучшили нашу предыдущую версию структурных цинковых батарей по 10 различным показателям. Некоторые из них стали демонстрировать до 100 раз более эффективные результаты», – сказал Котов.
Двукратный рост числа роботов-курьеров, по мнению профессора Котова, достижим за счет комбинации из плотности хранения энергии и недорогих материалов.
Его видение поддерживает Минцян Ванг (Mingqiang Wang), гостевой исследователь в лаборатории Котова и автор отчета по итогу их совместного исследования: «И это не предел. Мы подсчитали, что роботов можно обеспечить до 72 раз большим количеством энергии, чем от единичной литий-ионной батареи, если заменить их экстерьерные решения на структурные цинковые батареи».
Принцип работы новых цинковых батарей
Новая цинковая батарея работает посредством пропускания гидроксид-ионов между цинковым анодом и воздушным катодом через электролитическую мембрану. Эта мембрана состоит из арамидных нановолокон (углеродных нановолокон, которые используются в кевларовых бронежилетах) и нового полимерного геля на основе воды. Гель помогает доставлять гидроксильные ионы между электродами. Таким образом батарея накапливает и хранит энергию.
Схематичное изображение воздушно-цинковой батареи и пример ее интеграции в робота © Alice Kitterman / Science Robotics
Новые батареи, изготавливаемые из недорогих, распространенных и в основном нетоксичных материалов, приносят гораздо меньше вреда окружающей среде, чем литий-ионные. Гель и арамидные нановолокна не воспламеняются в случае повреждения батареи, как это бывает с литиевыми батареями. Кроме того, арамидные нановолокна со списанных бронежилетов можно использовать повторно.
Тестирование цинковых батарей
Исследователи экспериментировали с роботами обычного размера и миниатюрными игрушечными роботами в форм-факторе червя и скорпиона. Команда ученых заменила их оригинальные батареи новыми структурными цинковыми батареями. Они присоединили батареи к движкам и обернули ими членистоногих роботов снаружи.
«Батареи могут выполнять двойную работу – не только хранить и восстанавливать энергию, но и защищать «органы» робота, воспроизводя мультифункциональность жировой ткани, которая служит для хранения энергии в живых существах», – сказал Ахмет Эмре (Ahmet Emre), аспирант биомедицинской инженерии в лаборатории Котова.
Недостатки цинковых батарей
Однако, у цинковых батарей есть недостаток. Они сохраняют высокие показатели накопления энергии на протяжении примерно 100 циклов, в то время, как литиевые аккумуляторы в наших смартфонах демонстрируют высокую эффективность в течение примерно 500 циклов. Это происходит из-за того, что цинк образует шипы, которые в конечном итоге пронзают мембрану между электродами. Только усиленная сеть арамидных нановолокон между электродами послужит относительно долгому жизненному циклу цинковой батареи. Этот недостаток компенсируется тем, что новые батареи изготавливаются из недорогих и перерабатываемых материалов, а значит, их нетрудно заменять.
Изображения поверхности цинкового электрода после заданного количества циклов работы со сканирующего электронного микроскопа © Wang et al., Sci. Robot. 5, eaba1912 (2020)
Теория графов
Помимо преимуществ химического состава батареи, её дизайн позволит совершить переход от единственной батареи к распределенному хранилищу энергии с использованием теории графов по методу, разработанному в Мичиганском университете, подчеркнул профессор Котов.
Видео, раскрывающее основные достижения проведенного исследования, а также демонстрация работы роботов на структурных цинковых батареях © Wang et al., Sci. Robot. 5, eaba1912 (2020)
Официальный отчёт по итогам этого исследования опубликован 19.08.2020 в журнале Science Robotics под заголовком "Biomorphic structural batteries for robotics".
Экспертное мнение
Глава фонда Alpha Robotics, один из разработчиков робота «Фёдор» Владимир Белый в своём комментарии по теме заявленной в исследовании разработки одному из сетевых изданий подчеркнул, что по-настоящему оценить эксплуатацию подобных батарей можно будет только после широких практических испытаний, поскольку успешное применение энергетических элементов в ходе эксперимента на микророботах ещё не доказывает их успешное функционирование на более габаритных образцах роботехники.
Если вам интересна тема использования аккумуляторных батарей, обратите внимание на книгу «Промышленное применение аккумуляторных батарей. От автомобилей до авиакосмической промышленности и накопителей энергии» из серии «Мир физики и техники».
©РИЦ ТЕХНОСФЕРА При копировании материала обязательно указывайте ссылку на источник
Комментарии читателей
