Для электроники нужны собственные источники электроэнергии, есть два основных варианта: аккумуляторы и комбайнов. Аккумуляторы накапливают энергию внутренне, но поэтому тяжелые и имеют ограниченный запас. Комбайны, такие как солнечные батареи, сбор энергии из окружающей среды. Это обходит некоторые минусы батарей, а вводит новые, в том, что они могут работать только в определенных условиях и не сможет превратить эту энергию очень быстро в полезную мощность.
Новые исследования из Медицинской школы Университета Пенсильвании инженерной и прикладной науки является преодоление разрыва между этими двумя принципиальными технологиями впервые в виде «металл-воздух мусорщик», что получает лучшее из обоих миров.
Этот металл-воздух мусорщик работает как аккумулятор, в которые им предлагает власть, неоднократно ломая и формируя серию химических связей. Но он также работает как комбайн, в который питание подается энергия в окружающей среде: в частности, химические связи в металлических и воздух, окружающий металл-воздух мусорщика.
Результатом является источник питания, который имеет в 10 раз больше плотность энергии, чем лучшие комбайны энергии и в 13 раз больше, чем плотность энергии литий-ионных батарей.
В долгосрочной перспективе, этот тип источника энергии может стать основой для новой парадигмы в робототехнике, где машины держать себя питание и «съедает» металл, разрушая его химических связей в энергию, как это делают люди с пищевыми продуктами.
В ближайшем будущем, эта технология уже запитки пары спин-офф компаний. Победители Пенна годовой г-приз конкурса планируют использовать металл-воздух ассенизатора в силу низкой стоимости света для домов-решетки в развивающихся странах и долговечные датчики для грузовых контейнеров, которые могли бы предупредить кражи, повреждения или даже людьми.
Исследователи, Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, вместе с Мин Ванг и Unnati Джоши, члены его лаборатории, опубликовано исследование, демонстрирующее возможности их падальщика в журнале ACS энергии букв.
Мотивация для развития воздушно-металлическая мусор, или МАС, исходила из того, что технологии, которые составляют мозги роботов и технологий, которые принципиально несовпадающие, когда дело доходит до миниатюризации.
Как размер отдельных транзисторов сокращаться, чипсы увеличения вычислительной мощности в меньше и легче пакет. Но батареи не воспользоваться таким же образом, когда становится все меньше; плотность химических связей в материале фиксируются, так что меньше батареи обязательно означает меньшее количество облигаций, чтобы сломать.
«Этот перевернутый связь между производительностью вычислений и хранения энергии делает его очень трудным для небольших устройств и роботов для работы в течение длительных периодов времени», — пишет Пикуль. «Есть роботы размером насекомых, но они могут работать только за минуту до их батареи хватает энергии».
Еще хуже, добавив большим аккумулятором не позволит роботу дольше; присоединенная масса требует больше энергии, чтобы двигаться без дополнительной энергии обеспечивается большим аккумулятором. Единственный способ разорвать этот досадный факт перевернутого отношения к кормам для химических связей, а не для того чтобы упаковать их вместе.
«Комбайны, как те, которые собирают солнечную, тепловую и вибрационную энергию, становится лучше», — говорит Пикуль. «Они часто используются для питания датчиков и электроники, которые находятся за решеткой и, где возможно, у вас нет никого вокруг, чтобы поменять батареи. Проблема в том, что они имеют низкую плотность энергии, что означает, что они не могут брать энергию из окружающей среды так быстро, как батарея может доставить его».
«Наш МАС имеет плотность мощности, в десять раз лучше, чем лучшие комбайнов, до того, что мы можем конкурировать с батарей,» говорит он, «это с помощью аккумуляторов, но не связанные с весом, потому что он принимает эти вещества из окружающей среды.»
Как традиционные батареи, исследователей МАС начинается с катода, которые подключены к устройству питания. Под катод представляет собой плиты из гидрогеля, губчатый сеть полимерных цепей, что ведет электронов между поверхностью металла и катода через молекулы воды несет. С гидрогель действует как электролит, любую металлическую поверхность он трогает функции в качестве анода батареи, что позволяет электронам течь к катоду и мощности подключенного устройства.
Для целей своего исследования ученые связали небольшой транспортном средстве в МАС. Перетаскивая гидрогеля за ним, автомобиль МАН окисленных металлических поверхностей он объехал, оставляя микроскопический слой ржавчины на своей волне.
Для демонстрации эффективности такого подхода ученые имели свои МАС автомобиле в круги на поверхности алюминия. Автомобиль был снабжен небольшим резервуаром, который постоянно злая воды в гидрогель, чтобы предотвратить его от высыхания.
«Плотность энергии-это отношение энергии к массе, которая должна быть проведена,» Пикуль рассказывает. «Даже с учетом веса лишнюю воду, Мась уже в 13 раз превышает плотность энергии литиево-ионной батареи, поскольку автомобиль остается вести гидрогель и катода, а не металла или кислорода, которые обеспечивают энергию.»
Исследователи также протестировали МАС средствами на цинк и нержавеющая сталь. Различные металлы дают ВУС разных плотностей энергии, в зависимости от возможности их окисления.
Эта реакция окисления происходит только в пределах 100 мкм от поверхности, так что пока Мась может использовать все доступные облигаций при повторных поездок, есть небольшой риск, он делает значительные разрушения металла его очистки.
С таким количеством возможных применений, система исследователи’ mas был естественным, пригодный для ежегодного Пенна г-приз, конкурс бизнес планов, который бросает вызов команды для создания компаний по зарождающейся технологии, разработанные в Penn техники. В этом году первое место команды, металлический свет, заработал $10,000 за свое предложение использовать технологии Мас в Недорогое освещение для домов-решетки в развивающихся странах. М-Квадрат, которая заработала $4000 на второе место, намерен использовать МАС-питание датчиков в морских контейнерах.
«В ближайшей перспективе мы видим нашу МАС включение интернета вещей технологии, как то, что металл свет и М-квадрат предлагаю,» Пикуль рассказывает. «Но что было очень привлекательно для нас, и мотивации этой работы, как это меняет то, как мы думаем о проектировании роботов».
Много других исследований Пикуля включает в себя совершенствование технологий, принимая сигналы от природного мира. Например, высокопрочный его лаборатории, низкой плотности «металлическая древесина» был вдохновлен клеточной структуры деревьев, и его робота-крылатки, участвующих давая ему жидкостной системы кровообращения батареи, которая также пневматически сработанный плавниками.
Исследователи видят свою МАС, как на еще более фундаментальные биологические понятия: еда.
«Поскольку мы становимся роботами, которые более умные и более способные, мы больше не придется ограничивать себя, чтобы затыкать им в стену. Теперь они могут найти источники энергии для себя, просто как человек,» Пикуль рассказывает. «Один день, робота, который должен перезарядить свои батареи, просто нужно найти некоторые алюминиевые «есть» с МАС, что бы дать ему достаточно энергии для его работы до следующей еды.»
Эта работа была поддержана Управлением военно-морских исследований, Грант N00014-19-1-2353. Она проводилась в рамках Центра Сингх по нанотехнологиям, который поддерживается НФС национальной нанотехнологической скоординированной программы инфраструктуры в рамках гранта NNCI-1542153.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!