La micro-robotics es un campo que avanza rápidamente y que implica crear pequeños robots capaces de realizar tareas complejas a escalas de sub-millímetro o milímetro. Uno de los cuellos de botella más persistentes de este dominio es minimizar los suministros de energía para adaptarse a volúmenes extremadamente pequeños mientras proporciona una producción de energía suficiente para una operación significativa.

La importancia de la minimización de la fuente de alimentación

Los suministros de energía son esenciales para cada componente robot —actuadores, sensores, procesadores y módulos de comunicación— para funcionar. En robots a gran escala, las baterías suelen dominar la masa y el volumen generales, pero los diseñadores tienen flexibilidad para utilizar grandes paquetes de energía pesada. Para micro-robots, el volumen disponible se mide en milímetros cúbicos, y cada micrometro cúbico cuenta.

Las aplicaciones que impulsan esta necesidad son convincentes. En la medicina, los micro-robots podrían navegar por el torrente sanguíneo para entregar medicamentos precisamente a tumores, bloqueos arteriales claros o realizar microcirugía. En el monitoreo ambiental, los enjambres de pequeños robots pueden sentir contaminantes en suelo o agua, o inspeccionar la integridad estructural de los puentes.

Limitaciones de tamaño y de forma de factor

El espacio limitado dentro de micro-robots restringe no sólo las dimensiones físicas de las baterías sino también su forma. La mayoría de las baterías comerciales son cilíndricas o prismáticas, diseñadas para dispositivos como teléfonos inteligentes y portátiles. Adaptar estos factores de forma a un robot que es, por ejemplo, un cubo de 1 mm es imposible. Los ingenieros deben confiar en las baterías de carga fina, microbaterías fabricadas directamente en los subs de los rodillos o formas novedosas.

Factores de forma de batería

Las baterías de estado sólido de Thin‐film, como las producidas por Cymbet Corporation, ofrecen espesores inferiores a 100 μm y pueden depositarse en ondas de silicio o substratos flexibles. Proporcionan una densidad de energía confiable por área unidad pero capacidad total limitada.

Almacenamiento alternativo: Supercapacitadores y Células de Combustible

Los supercapacitadores ofrecen una alta densidad de energía y una larga vida en ciclo, pero su densidad energética es típicamente un orden de magnitud inferior a las baterías. Para micro-robots que necesitan ráfagas de energía (por ejemplo, para saltar o captar), los supercapacitadores pueden complementar las baterías. Las células micro-fuel, que convierten combustibles químicos como hidrógeno o metanol en electricidad, prometen una alta densidad de energía independiente de las condiciones ambientales.

Densidad y Capacidad de Energía

La densidad energética —la cantidad de energía almacenada por volumen o masa de unidad— es la métrica más crítica para los suministros de energía micro-robot. Las baterías de iones de litio tienen una densidad de energía de aproximadamente 250 Wh/kg a nivel celular, pero cuando se envasan con circuitos de protección, conectores y carcasa, esa figura disminuye significativamente. Para un robot con una masa total de unos pocos gramos, una batería puede ser necesario para entregar varias células de linaje de línea recta 2 horas.

Innovaciones materiales

Para evitar estas limitaciones, los investigadores están explorando nuevos materiales de electrodo. Los materiales nanosierros de silicio, grafino y metal de transición dichoslcogenidos pueden almacenar más iones de litio por volumen de unidad que los ánodos de grafito convencionales. Por ejemplo, un ánodo de silicio puede alcanzar teóricamente diez veces la capacidad de grafito, pero se hincha dramáticamente durante el ciclo sólido, causando falla mecánica.

Más allá del iones de litio, se están investigando otras farmacias. Las baterías de litio-sulfur ofrecen una alta densidad de energía teórica pero sufren de disolución de polisulfido. Las baterías de estado sólido, utilizando electrolitos de cerámica o polímero, pueden ser hechas muy delgadas y eliminar electrolitos líquidos inflamables, mejorando la seguridad y permitiendo el apilamiento en volúmenes apretados.

Comercios con salida de energía

La densidad energética no es la única consideración; la densidad de energía (el nivel de suministro de energía) es igualmente importante. Un micro-robot que necesita actuar rápidamente un miembro puede requerir un pico actual que una batería de alta energía-densidad no puede suministrar sin sag de tensión. Las baterías de relleno gruesos a menudo tienen una alta resistencia interna, limitando la corriente máxima. Integrar supercapacitadores o usar arquitecturas híbridas puede cerrar la brecha, pero esto añade cuidadosamente el volumen de balance de energía.

Gestión térmica

Todas las fuentes de energía generan calor durante la descarga y la carga. En un sistema macroscópico, los ventiladores o los lavabos pueden disipar este calor, pero en un micro-robot hay poco espacio para el enfriamiento activo y menos aún para el flujo de aire convectivo. La constante de tiempo térmico de una estructura microescala es muy corta, lo que significa que los puntos calientes pueden formar rápidamente y dañar los tejidos electrónicos sensibles o biológicos (si el robot está dentro de un cuerpo).

Generación de calor en microbaterías

La resistencia interna causa la calefacción Joule, y las reacciones laterales en la batería también pueden producir calor. Para una batería de 1 mm3 que entrega 1 mW, la densidad de potencia es 106 W/m3, compatible con el flujo de calor en un chip de computadora. Sin una adecuada gestión térmica, la temperatura de la batería puede aumentar decenas de grados Celsius sobre el ambiente, aceleración de la degradación y potencialmente causante de fuga térmica.

Estrategias de enfriamiento

El enfriamiento pasivo mediante la conducción es el enfoque más viable: el uso del marco estructural del robot como un difundido de calor. Materiales con alta conductividad térmica, como recubrimientos de carbono tipo diamante o micro-vias de cobre, pueden canalizar el calor a áreas de superficie más grandes. Investigadores en la Universidad de California, Berkeley han demostrado el enfriamiento de microcanal para micro-dispositivos de alta potencia, pero integrando bombas y micro-

Gestión y control de energía

Incluso con una fuente de alimentación bien diseñada, la utilización eficiente es crítica. Los micro-robots a menudo funcionan con presupuestos energéticos muy limitados, a veces sólo unos pocos milímetros totales. Cada microjoule debe ser contado. Los circuitos de gestión de energía convierten el voltaje variable de la batería a carriles de suministro estables para lógica, sensores y actuadores. Estos circuitos mismos consumen energía, por lo que deben ser altamente eficientes sobre una amplia gama de carga

Regulación de tensión

Los reguladores de baja emisión (LDO) son simples pero ineficientes cuando el voltaje de la batería es significativamente mayor que el voltaje lógico. Los reguladores de conmutación (convertidores DC) pueden lograr una eficiencia de 90%+ pero requieren inductores y condensadores que son a menudo más grandes que el propio robot.

Energía-Aware Computación y Actuación

Más allá del hardware, el software de control puede optimizar el uso de energía. El ciclo de trabajo, desactivando componentes cuando no está en uso, puede extender drásticamente la vida de la batería. Para un micro-robot que se arrastra por un segundo y luego descansa durante nueve segundos, la potencia promedio cae por un orden de magnitud. Los módulos de carga de energía también pueden ser interconectados con la unidad de gestión de potencia para arribar la batería durante períodos de vacíos.

Future Directions and Emerging Technologies

Dada las graves limitaciones de tamaño y energía, muchos investigadores creen que ninguna fuente de energía única será suficiente para todas las misiones de micro-robot. En cambio, los sistemas híbridos que combinan un elemento de almacenamiento primario (batería o supercapacitador) con la cosecha de energía se convertirán en la norma. Tres tecnologías emergentes son particularmente prometedoras.

Transferencia de energía inalámbrica

La transferencia de energía inalámbrica inductiva o resonante puede suministrar energía a micro-robots sin baterías a bordo lo suficientemente grande para la misión completa. En aplicaciones médicas, una bobina externa puede crear un campo magnético que se une a una pequeña bobina receptora dentro del robot. La viga de energía óptica con láseres infrarrojos cercanos también se ha demostrado: una célula fotovoltaica en el robot convierte luz láser a la electricidad.

Energy Harvesting from the Environment

El sistema de medición de la energía puede ser de un sistema de microcréditos de alta calidad, y es un sistema de medición de la energía.

Sistemas híbridos e integración

La solución definitiva combinará probablemente varios de estos enfoques: una pequeña batería de carga fina para potencia máxima, un supercapacitador para ráfagas, un receptor inalámbrico para recargar, y una cosechadora para carga de engaños. La tecnología System‐on-chip (SoC) podría integrar la gestión de energía, la interfaz de cosecha de energía y la lógica de control de control en una sola fuente de rotura.

Conclusión: El camino hacia adelante

La miniaturización de la fuente de energía sigue siendo el reto central de la micro-robotica. Las limitaciones de tamaño, densidad de energía, densidad de energía, gestión térmica y control están interrelacionadas y empujan contra los límites fundamentales de materiales y fabricación. Sin embargo, el rápido progreso en las baterías de estado sólido, electrodos nanoestructurados, electrónica de potencia en chip y técnicas de recolección de energía ofrece un camino claro hacia adelante.