La micro-robotique est un domaine qui progresse rapidement et qui consiste à créer de petits robots capables d'exécuter des tâches complexes à des échelles de sous-millimètre ou de millimètre. L'un des goulets d'étranglement les plus persistants dans ce domaine est la miniaturisation des alimentations électriques pour s'adapter à des volumes extrêmement faibles tout en fournissant une production énergétique suffisante pour une exploitation significative.

L'importance de la miniaturisation de l'alimentation électrique

Les batteries sont essentielles pour fonctionner de tous les composants du robot, actuateurs, capteurs, processeurs et modules de communication. Dans les robots à grande échelle, les batteries dominent souvent la masse et le volume globaux, mais les concepteurs ont la flexibilité d'utiliser de gros blocs de puissance lourds. Pour les microrobots, le volume disponible est mesuré en millimètres cubes et chaque micromètre cube compte. Une source d'énergie qui occupe la moitié du robot intérieur laisse peu de place à d'autres sous-systèmes critiques.

Les applications qui conduisent à ce besoin sont convaincantes. En médecine, les micro-robots peuvent naviguer dans le flux sanguin pour livrer des médicaments précisément aux tumeurs, à des blocages artériels clairs ou effectuer une microchirurgie. Dans le contrôle environnemental, les essaims de petits robots peuvent détecter des polluants dans le sol ou l'eau, ou inspecter l'intégrité structurelle des ponts. Dans la fabrication, les micro-robots peuvent assembler des systèmes microélectromécaniques (MEMS) ou manipuler des composants délicats. Toutes ces missions nécessitent de l'énergie – souvent pendant des heures ou des jours – mais le robot doit rester assez petit pour accéder à des espaces étroits.

Contraintes liées à la taille et au format

L'espace limité au sein des microrobots limite non seulement les dimensions physiques des batteries mais aussi leur forme. La plupart des piles commerciales sont cylindriques ou prismatiques, conçues pour des appareils comme les smartphones et les ordinateurs portables. L'adaptation de ces facteurs de forme à un robot qui est, par exemple, un cube de 1 mm est impossible.

Facteurs de la forme de la batterie

Les piles à l'état solide à couche mince, comme celles produites par Cymbet Corporation[, offrent des épaisseurs inférieures à 100 μm et peuvent être déposées sur des plaquettes de silicium ou des substrats flexibles. Elles fournissent une densité d'énergie fiable par unité de surface mais une capacité totale limitée. Pour une plus grande capacité, les chercheurs fabriquent des microbatteries tridimensionnelles utilisant une gravure à ion réactif profond pour créer des réseaux de piliers à haute dimension, augmentant la surface de l'électrode à l'intérieur d'une empreinte donnée.

Stockage alternatif: Supercondensateurs et piles à combustible

Les supercondensateurs offrent une densité de puissance élevée et une durée de vie de longue durée, mais leur densité d'énergie est généralement un ordre de grandeur inférieur à celle des batteries. Pour les microrobots qui ont besoin d'éclats de puissance (p. ex., pour sauter ou saisir), les supercondensateurs peuvent compléter les batteries. Les piles à microcarburant, qui transforment des combustibles chimiques comme l'hydrogène ou le méthanol en électricité, promettent une densité d'énergie élevée indépendamment des conditions ambiantes.

Densité et capacité énergétiques

La densité énergétique, soit la quantité d'énergie stockée par unité de volume ou de masse, est la mesure la plus critique pour les alimentations électriques de microrobots. Les batteries au lithium-ion ont une densité d'énergie d'environ 250 Wh/kg au niveau des cellules, mais lorsqu'elles sont emballées avec des circuits de protection, des connecteurs et des boîtiers, cette valeur diminue de façon significative. Pour un robot ayant une masse totale de quelques grammes, une batterie peut avoir besoin de fournir plusieurs wattheures.

Innovations matérielles

Pour contourner ces limites, les chercheurs explorent de nouveaux matériaux d'électrode. Des matériaux nanostructurés, comme les nanofils de silicium, le graphine et les dichalcogénides de métal de transition, peuvent stocker plus d'ions de lithium par unité de volume que les anodes classiques de graphite. Par exemple, une anode de silicium peut théoriquement atteindre dix fois la capacité du graphite, mais elle gonfle de façon spectaculaire pendant le cycle, causant une défaillance mécanique.

Au-delà du lithium-ion, d'autres chimies sont à l'étude. Les batteries au lithium-sulfure offrent une densité d'énergie théorique élevée mais souffrent de dissolution de polysulfure.Les batteries à l'état solide, utilisant des électrolytes céramiques ou polymères, peuvent être très fines et éliminer les électrolytes liquides inflammables, améliorant la sécurité et permettant le empilage en volumes serrés.

Échanges avec la puissance de sortie

La densité énergétique n'est pas la seule considération; la densité de puissance (taux de distribution d'énergie) est tout aussi importante. Un microrobot qui doit actionner rapidement un membre peut nécessiter un pic de courant qu'une batterie à haute densité ne peut pas fournir sans sag de tension. Les batteries à film mince ont souvent une résistance interne élevée, limitant le courant de pointe.

Gestion thermique

Dans un système macroscopique, les ventilateurs ou les dissipateurs de chaleur peuvent dissiper cette chaleur, mais dans un microrobot il y a peu de place pour le refroidissement actif et encore moins pour le débit d'air convectif. La constante thermique d'une structure micro-échelle est très courte, ce qui signifie que les points chauds peuvent se former rapidement et endommager les tissus électroniques ou biologiques sensibles (si le robot est à l'intérieur d'un corps).

Production de chaleur dans les microbatteries

La résistance interne provoque le chauffage Joule et les réactions latérales de la batterie peuvent également produire de la chaleur. Pour une batterie de 1 mm3 fournissant 1 mW, la densité de puissance est de 106 W/m3 – comparable au flux thermique dans une puce d'ordinateur. Sans une gestion thermique adéquate, la température de la batterie peut augmenter de dizaines de degrés Celsius au-dessus de l'environnement, accélérant la dégradation et pouvant causer des fuites thermiques.

Stratégies de refroidissement

Les matériaux à haute conductivité thermique, tels que les revêtements au carbone de type diamant ou les micro-vias de cuivre, peuvent canaliser la chaleur vers des surfaces plus grandes. Des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, ont démontré que le refroidissement liquide par microcanaux pour les micro-appareils à haute puissance, mais l'intégration de pompes et de boucles de refroidissement dans un micro-robot ajoute de la complexité. Les matériaux de changement de phase (par exemple, la cire de paraffine) qui fondent et absorbent la chaleur sont une autre option, mais ils augmentent le budget de masse.

Gestion et contrôle de l'énergie

Même avec une source d'énergie bien conçue, une utilisation efficace est critique. Les microrobots fonctionnent souvent avec des budgets énergétiques très limités – parfois seulement quelques milliwatts au total. Chaque microjoule doit être pris en compte. Les circuits de gestion de puissance convertissent la tension variable de la batterie en rails d'alimentation stables pour la logique, les capteurs et les actionneurs.

Règlement sur la tension

Les régulateurs de faible élasticité (LDO) sont simples mais inefficaces lorsque la tension de la batterie est significativement supérieure à la tension logique. Les régulateurs de commutation (convertisseurs DC-DC) peuvent atteindre un rendement de plus de 90 % mais nécessitent des inducteurs et des condensateurs souvent plus grands que le robot lui-même. Les récents progrès dans les convertisseurs de condensateurs commutés intégrés, construits sur puce, permettent la conversion de la tension sans encombrant magnétique. Par exemple, un convertisseur de condensateurs commutés intercalés en 2 phases peut être fabriqué dans un processus CMOS sous-micromètre et n'occuper que quelques millimètres carrés.

Informatique et actionnement des logiciels énergétiques

Au-delà du matériel, le logiciel de contrôle peut optimiser l'utilisation de l'énergie. Le duty-cycling, qui coupe les composants lorsqu'il n'est pas utilisé, peut considérablement prolonger la durée de vie de la batterie. Pour un microrobot qui rampe pendant une seconde puis se repose pendant neuf secondes, la puissance moyenne diminue d'un ordre de grandeur. Les modules de récupération d'énergie peuvent également être reliés à l'unité de gestion de la puissance pour compléter la batterie pendant les périodes de ralenti.

Orientations futures et technologies émergentes

Compte tenu des contraintes sévères de taille et d'énergie, de nombreux chercheurs estiment qu'aucune source d'énergie ne suffira pour toutes les missions de microrobots. Au contraire, les systèmes hybrides combinant un élément de stockage primaire (batterie ou supercondensateur) et la récolte d'énergie deviendront la norme.

Transfert d'électricité sans fil

Dans les applications médicales, une bobine externe peut créer un champ magnétique qui se marie à une minuscule bobine de réception à l'intérieur du robot. Le faisceau optique de puissance utilisant des lasers infrarouges proches a également été démontré : une cellule photovoltaïque sur le robot convertit la lumière laser en électricité. Le spectre IEEE a récemment couvert un microrobot qui reçoit 100 mW sur une distance de plusieurs mètres à l'aide d'une cavité résonnante. Le principal défi consiste à aligner l'émetteur et le récepteur et à faire face aux obstacles qui bloquent la visibilité.

Énergie récoltée dans l'environnement

Les moissonneurs piézoélectriques, qui convertissent les vibrations mécaniques en électricité, sont bien étudiés et peuvent être fabriqués sous forme de MEMS. Un faisceau cantilever recouvert de PZT (zirconate de plomb) peut générer des dizaines de microwatts à partir de vibrations au sol (p. ex., dans un bâtiment). Les générateurs thermoélectriques (TEG) exploitent les différences de température entre le robot et son environnement; un gradient de 5 K à travers un micro-TEG peut produire quelques microwatts. Les cellules photovoltaïques de la surface du robot peuvent récolter de la lumière intérieure à environ 10 μW/cm2. Pour un robot de 1 mm2, qui n'est que 0,1 μW, mais une puissance de gage soigneuse peut encore supporter une opération intermittente. Une étude de 2023 dans Énergie appliquée a démontré un robot sous-millimétrique alimenté uniquement par un moissonneur piézoélectrique MEMS et une batterie à film mince.

Systèmes hybrides et intégration

La solution ultime combinera probablement plusieurs de ces approches : une petite batterie à film mince pour la puissance maximale, un supercondensateur pour les éclats, un récepteur sans fil pour recharger et un moissonneur pour recharger les glissières. La technologie System-on-chip (SoC) pourrait intégrer la gestion de l'énergie, l'interface de récolte d'énergie et la logique de contrôle sur une seule matrice.

Conclusion : La voie à suivre

La miniaturisation de l'alimentation en électricité reste le défi central des microrobotiques. Les contraintes de taille, de densité énergétique, de densité de puissance, de gestion thermique et de contrôle sont liées et vont à l'encontre des limites fondamentales des matériaux et de la fabrication. Cependant, les progrès rapides dans les piles à l'état solide, les électrodes nanostructurées, l'électronique à puce et les techniques de récolte d'énergie offrent une voie claire. Au cours de la prochaine décennie, nous pouvons nous attendre à voir des microrobots véritablement autonomes, capables de fonctionner pendant des heures sans attache, naviguant dans le corps humain ou dans l'infrastructure industrielle.