Table of Contents
إن التهريبات الدقيقة هي مجال سريع التقدم ينطوي على إنشاء روبوتات صغيرة قادرة على أداء مهام معقدة على نطاقات دون ميليتر أو ميليتر، ومن أكثر الاختناقات استمرارا في هذا المجال تقليل إمدادات الطاقة إلى الحد الأدنى في حدود أحجام صغيرة للغاية، مع توفير إنتاج الطاقة الكافية للعمليات المجدية، ومع تقلص حجم الجراثيم من نطاق المقياس المركزي إلى مستوى المقياس الميكروبي، فإن القيود المفروضة على مصادر الطاقة الجديدة تصبح أكثر تعقيدا.
أهمية تقلّص إمدادات الطاقة
فالإمدادات من الطاقة ضرورية لكل مصمم من العناصر الآلية، والمجسات، والمجهزات، ووحدات الاتصال - إلى العمل، وفي الروبوتات الكلية، كثيرا ما تهيمن البطاريات على الكتلة والحجم عموما، ولكن لدى المصممين مرونة في استخدام مجموعات كبيرة من الطاقة الثقيلة، وفي حالة المركبات الصغيرة، يقاس الحجم المتاح في المطاحن الضئيلة، وفي كل عدد من أجهزة القياس الميكروبات.
فالتطبيقات التي تدفع هذه الحاجة ملحة، ففي الطب، يمكن للأوعية المتناهية الصغر أن تبحر في مجرى الدم لتوليد المخدرات على وجه التحديد إلى الأورام، أو قطع الشريان الواضح، أو القيام بعمليات جراحية صغيرة، وفي مجال الرصد البيئي، يمكن أن تكون أحواض الألي الصغيرة ملوثات في التربة أو المياه، أو تفتش السلامة الهيكلية للجسور، وفي الصناعة التحويلية، يمكن أن تكون جميع الأجهزة الآلية قادرة على تجميع نظم الميكانيكية الدقيقة.
Size and Form Factor Constraints
فالحيز المحدود داخل الأزرار المجهرية لا يقيد الأبعاد المادية للبطاريات فحسب بل أيضا شكلها، ومعظم البطاريات التجارية هي بطارية أو مناظرة مصممة لأجهزة مثل الهواتف الذكية والحواسيب المحمولة، بل يُستعصي تكييف هذه العوامل الشكلية مع روبوتات، مثل المكعب المكون من عيار 1 ملم، بل يجب على المهندسين أن يعتمدوا على البطاريات المصنوعة المزودة بالأجهزة.
مصنع البطارية
(أ) البطاريات ذات النطاق الصلب، مثل البطاريات التي تنتجها [(FLT:0] Cymbet Corporation، تعرض السماكة دون 100 ميكروغرام ويمكن إيداعها في مواسير السيليكون أو في مواضع فرعية مرنة، وتوفر كثافة طاقة موثوقة لكل منطقة من مناطق الوحدة ولكن قدرة محدودة على الصنع، ولزيادة القدرة، يبث الباحثون ثلاث طبقاتات
التخزين البديل: المكثفات الخارقة وخلية الوقود
فالكثافة التي توفرها المكثفات توفر كثافة عالية في الطاقة وحياة طويلة، ولكن كثافة الطاقة فيها عادة ما تكون أقل حجما من البطاريات، وبالنسبة للزوارق الصغرى التي تحتاج إلى طلقات من الطاقة (مثلاً، للقفز أو الإمساك)، فإن المكثفات الخارقة يمكنها أن تكمل البطاريات.
الطاقة الكثيفة والقدرة
إن كثافة الطاقة - كمية الطاقة المخزنة لكل حجم الوحدة أو الكتلة - هي أهم قياس لإمدادات الطاقة من الجراثيم - الزنزانات التي تحتوي على كثافة طاقة تبلغ نحو 250 وغم على مستوى الخلايا، ولكن عندما تكون مجهزة بأجهزة حماية، وموصلات، ومسكن، فإن هذا الرقم يهبط بدرجة كبيرة بالنسبة لآلة ذات كتلة من الغرامات التقليدية.
الابتكارات المادية
وللتغاضي عن هذه القيود، يستكشف الباحثون مواد الكهروود الجديدة، إذ يمكن للمواد ذات الهيكل النانوي، مثل النسيج النانووي، والغرافيني، والديكالوجينات المعدنية الانتقالية، أن تخزن المزيد من الليثيوم لكل وحدة من رقائق الشظايا الغرافيتية التقليدية، مثلا، يمكن أن يحقق الميكانيكيون عشر مرات من التداعم، ولكنه يخفف بشكل كبير من التصاميم.
وفيما عدا الليثيوم، يجري التحقيق في كيميائيات أخرى، وتقدم بطاريات سلفر الليثيوم كثافة نظرية عالية في الطاقة ولكنها تعاني من فسخ البوليسيدات، ويمكن أن تكون البطاريات ذات الصبغة الصلبة، باستخدام الكروترات السماوية أو البوليمر، رقيقة جداً وأن تزيل الكهروليتات السائلة القابلة للاشتعال، وأن تحسن السلامة وتسمح بالضرب في أحجام ضيقة.
مقايضة مع ناتج الطاقة
وكثافة الطاقة ليست الاعتبار الوحيد؛ فكثافة الطاقة (كمية إيصال الطاقة) متساوية في الأهمية، وقد يتطلب وجود جهاز صغير يحتاج إلى تهوية طرف بسرعة ارتفاعاً في البطارية العالية الطاقة لا يمكن أن يزودها دون أن يُستخدم فيها النسيج، وكثيراً ما تكون البطاريات ذات الحجم الكبير من المقاومة الداخلية، مما يحد من ذروة التصاميم.
الإدارة الحرارية
فجميع مصادر الطاقة تولد حرارة أثناء التصريف والشحن، وفي نظام شامل، يمكن للمعجبين أو مصاريف الحرارة أن يزيلوا هذه الحرارة، ولكن في حوض مجهري لا يوجد مجال كاف للتبريد النشط بل أقل لتدفق الهواء المكسور، فالزمن الحراري للهيكل المجهري قصير جدا، مما يعني أن البقع الساخنة يمكن أن تشكل بسرعة وتضر بأجهزة إلكترونية حساسة أو أنسجة بيولوجية (إن كان الروبوتا).
توليد الحرارة في البطاريات الدقيقة
وتتسبب المقاومة الداخلية في تسخين جوول، كما أن ردود الفعل الجانبية في البطارية يمكن أن تنتج حرارة، فبالنسبة لبطارية تبلغ ١ ملم٣ ميغاواط، تبلغ كثافة الطاقة ١٠٦ دبليو/متر٣ - قابلة للمقارنة مع التدفق الحراري في رقاقة حاسوبية، وبدون إدارة حرارية كافية، فإن درجة حرارة البطاريات يمكن أن تزيد من عشرات درجات مئوية فوق المحيط، وتتسارع التدهور، وربما تتسبب في حدوث سباق حراري.
استراتيجيات التبريد
فالتبريد السلبي عن طريق التصريف هو أكثر النهج قابلية للاستمرار: استخدام الإطار الهيكلي للروبوت كمنشور حراري، والمواد ذات القدرة على التصرف الحراري العالي، مثل معاطف الكربون المشابهة للماس أو الميكروفونات النحاسية، يمكن أن توجه الحرارة إلى مناطق سطحية أكبر، وقد أظهر الباحثون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، التبريد بالميكانيكيات الدقيقة للمواد ذات القدرة العالية على التكتل، ولكن زيادة في خيارات السائل الميكروبية.
إدارة ومراقبة الطاقة
وحتى مع وجود مصدر للطاقة مصمم تصميما جيدا، فإن الاستخدام الفعال أمر حاسم، وكثيرا ما تعمل الطائرات الصغيرة ذات الميزانيات المحدودة للطاقة - أحيانا فقط عدد قليل من المليوات، ويجب حساب كل مجهري، وتحوّل دوائر إدارة الطاقة الفولط المتغير للبطارية إلى خطوط إمداد مستقرة للمنطق والمجسّسات والمشغلات، وتستهلك هذه الدوائر نفسها طاقة عالية الكفاءة، وبالتالي يجب أن تكون واسعة النطاق.
تنظيم التذبذب
وأجهزة تنظيم ذات قدرة منخفضة على التحلل، غير فعالة، عندما يكون حجم البطاريات أعلى بكثير من التطاير المنطقي، ولا يمكن للمنظمين التحويليين (محوليي شركة الحفريات) أن يحققوا نسبة 90 في المائة من الكفاءة، ولكنهم يحتاجون إلى أجهزة تحويل ذات قدرة عالية أكبر من الآلية نفسها، كما أن التقدم المحرز مؤخرا في تحويلات محركات متحولة ذات قدرة متطورة، مبنية على جهاز تحويل مضخم مضخم
حواسيب ومحاضرات الطاقة
وفيما يتجاوز المعدات، يمكن أن تؤدي برامج المراقبة إلى الاستخدام الأمثل للطاقة، حيث يمكن أن تتحول العناصر ذات الدوافع عند عدم الاستخدام - بحيث تمتد ضربات البطارية بشكل جذري، وبالنسبة لأطنان صغيرة تزحف لمدة ثانية واحدة ثم ترتاح لمدة تسع ثوان، فإن متوسط قطرات الطاقة حسب الحجم، ويمكن أيضا ربط وحدات خفض أسعار الطاقة بوحدة إدارة الطاقة بحجم البطاريات (أي بصمتها خلال فترات الإدارة)(10).
الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة
ونظرا للقيود الشديدة التي يفرضها الحجم والطاقة، يعتقد العديد من الباحثين أنه لن يكون هناك مصدر طاقة واحد يكفي لجميع البعثات ذات الزرق الصغير، بل إن النظم الهجينة التي تجمع بين عنصر التخزين الأولي (البطانة أو المشرف) مع جمع الطاقة ستصبح هي القاعدة، وتبقى ثلاث تكنولوجيات ناشئة واعدة بشكل خاص.
نقل الطاقة اللاسلكية
ويمكن لنقل الطاقة اللاسلكية المتطورة أو المتردية أن يمد الطاقة إلى أجهزة متناهية الصغر دون وجود بطاريات على متنها كبيرة بما يكفي للمهمة الكاملة، وفي التطبيقات الطبية، يمكن أن يخلق الفحم الخارجي حقل مغناطيسي يُستخدم فيه الأزواج إلى كتلة صغيرة من داخل الآلية، كما ثبت أن أجهزة التحكم الضوئي تستخدم الليزر القريبة من الحمراء: خلية فولتيكية مُتَصِلة للكهرباء.
Energy Harvesting from the Environment
وأجهزة توليد الطاقة الكهربائية ذات الصبغة الحرارية، وأجهزة التكتل الحرارية، والكهرباء، توفر إمدادات غير محدودة تقريبا لبعض البيئات، أما مصانع الطاقة الآلية التي تحوّل اليقظة الميكانيكية إلى الكهرباء، فتتمثل في مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس
النظم الهجينة والتكامل
ومن المرجح أن يدمج الحل النهائي بين عدة نهج: بطارية صغيرة ودقيقة الحجم لتوليد الطاقة، وكبيرة الكفاءات في التفجيرات، ومستقبل لاسلكي لإعادة الشحن، ومجمع للشحنات المخادعة، ويمكن لتكنولوجيا النظام الموحّدة أن تدمج إدارة الطاقة، والتفاعل بين جمع الطاقة، ومنطق التحكم في نظام غذائي واحد.
الاستنتاج: الطريق إلى الأمام
ويظل تدنية إمدادات الطاقة التحدي الرئيسي للزئبق المجهرية، إذ إن القيود التي يفرضها الحجم والكثافة في الطاقة وكثافة الطاقة والإدارة الحرارية والتحكم فيها مترابطة وتدفع نحو الحدود الأساسية للمواد والتصنيع، ومع ذلك، فإن التقدم السريع في البطاريات ذات القدرات الصلبة، والكهرباء المهيكلة، وعلى الأجهزة الالكترونية للطاقة الكثيفة، وتقنيات جمع الطاقة، توفر مساراً واضحاً للأمام.