מיקרו-robotics הוא שדה מתקדם במהירות הכולל יצירת רובוטים זעירים המסוגלים לבצע משימות מורכבות בקנה מידה תת-מילימטר או מילימטר.אחד צווארי הבקבוק המתמשכים ביותר בתחום זה הוא צמצום אספקת החשמל כדי להתאים בתוך כרכים קטנים ביותר תוך מתן תפוקה מספקת של אנרגיה עבור פעולה משמעותית.כמיקרו-רובוטים מתכווץ מהסקאלה לעבר הסקאלה, את המגבלות על מקורות הכוח להפוך לבדיקה אקספומית יותר של פתרונות הנדסיים סביבתיים, אשר מספקים.

חשיבותה של כוח אספקת מינימום

אספקת חשמל חיונית לכל רכיב רובוטי - מתכננים, חיישנים, מעבדים ומודולים תקשורת - כדי לתפקד.ברובוטים בקנה מידה מאקרו, סוללות לעתים קרובות לשלוט במסה הכוללת ונפח, אבל למעצבים יש גמישות להשתמש בחבילות כוח גדולות וכבדות.עבור מיקרו-רובוטים, הנפח הזמין נמדד במכ"מ מעוקב, וכל מיקרומטר מעוקב.

היישומים שמניעים את הצורך הזה משכנעים.ברפואה, מיקרו-רובוטים יכולים לנווט את זרם הדם כדי לספק תרופות בדיוק לגידולים, חסמי אמנות ברורים, או לבצע מיקרו-ניתוחי.ב ניטור סביבתי, חתומים של רובוטים זעירים יכולים לחוש מזהמים באדמה או מים, או לבדוק את השלמות המבנית של גשרים.בייצור, מיקרו-רובוטים יכולים להרכיב מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (ME) או לטפל בתכונות רגישות קטנות מספיקות.

גודל וצורה גורם קונסטרינטס

החלל המוגבל בתוך מיקרו-רובוטים מגביל לא רק את הממדים הפיזיים של סוללות, אלא גם את הצורה שלהם. רוב הסוללות המסחריות הן צילינליות או פריזמטיות, המיועדות למכשירים כמו טלפונים חכמים ומחשבים ניידים. להתאים את גורמי הטופס האלה לרובוט שהוא, למשל, קוביית 1 מ"מ היא בלתי אפשרית.מהנדסים חייבים להסתמך במקום על סוללות דלות בצורת, מיקרו-מרטוטורות ישירות על שבבים או על תבניות מגולמות, כמו שבבים או ערימה או ערימה.

סוללות Form Factors

סוללות מוצקות של טט-סרט, כגון אלה המיוצרים על ידי FLT:0 (Cymbet CorporationcioFLT:1), מציעים עוביים מתחת 100 מיקרומטר ויכולים להיות מופקד על סיליקון ופורשים גמישים.הם מספקים אנרגיה אמינה לאזור הדחיסות של IoT, אך מוגבל קיבולת מלאה של מיקרו-קרבה תלת-ממדית באמצעות התחדשות עמוקה ומדורגמת חלקיקים: ספקטרום של ספקטרום גבוה יותר, אך ורקמות של מיקרו-מדומים ל-מ-ממדיקים, אך ורקמות, למעט מיקרו-מ-מ-מ-מ-מ-ממדיקים בעלי יכולת גבוהה יותר, אך ורקמות גבוהה יותר, למעט מיקרו-מחדש, למעט מיקרו-מיקרו-מיקרו-מיקרו-ממדיים, כולל של 3 מיקרו-מחדשניים, כולל של 3 מיקרו-ממדיים, אשר ניתן ל-מחדשניים, אשר ניתן ל-מחדש-מחדש, אשר ניתן ל-מחדשניים, אך ורקמות-מיקרו-מחדשניים, למעט מחסנים, אשר ניתן ל-מחדש-מחדשניים, למעט מחסנים, אשר ניתן ל-מחדשניים, אשר ניתן ל-מחדשניים, למעט מחסנים, למעט

אחסון אלטרנטיבי: Supercapacitors ו-דלק תאים

Supercapacitors מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה וחיי מחזור ארוכים, אבל צפיפות האנרגיה שלהם היא בדרך כלל סדר גודל נמוך יותר מאשר סוללות. עבור micro-robots כי צריך התפרצויות של כוח (למשל, עבור קפיצה או לתפוס), supercapacitors יכול בדרך כלל להשלים סוללות. מיקרו-דלק, אשר להמיר דלק כימי כמו מימן או methanol לתוך חשמל, להבטיח צפיפות גבוהה של תנאי ambient, הם דורשים שילוב של תאים מיקרו-אבקים פוטנציאליים, אבל יש צורך לאחרונה על מערכת דלק.

הכחשת אנרגיה והיכולת

צפיפות אנרגיה - כמות האנרגיה המאוחסן נפח יחידה או מסה - היא המדד הקריטי ביותר עבור מיקרו-רובוט חשמל אספקה. סוללות ליתיום-יון יש צפיפות אנרגיה של כ 250 Wh / ק"ג ברמת התא, אבל כאשר ארוז עם מעגלי הגנה, מחברים ודיור, זה טיפות באופן משמעותי. עבור רובוט עם מסה של כמה גרם, סוללה עשויה לספק כמה וואט תאים לא פרופורציונליים יותר מאשר תאים מתכתיים.

חידושים חומריים

כדי לעקוף את המגבלות האלה, החוקרים בוחנים חומרים אלקטרודה חדשים.ננו חומריים, כגון ננווטים סיליקון, גרפן ומעבר dichalcogenides מתכת, יכולים לאחסן יותר ליתיום ions לנפח יחידות מאשר שרידים גרף קונבנציונלי. לדוגמה, סיליקון סיליקון מכסה יכול להשיג באופן תיאורטי 10 פעמים את היכולת של גרפיט, אבל זה swellswellswells במהלך רכיבה דרמטית, גורם troit אלקטרו-פרזה, כלומר, שבבים מאובטח, כלומר, כלומר, ⁇ בטוח ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מעבר לליתיום-יון, כימאים אחרים נחקרים. סוללות ליתיום-סולפור מציעים צפיפות אנרגיה תיאורטית גבוהה אך סובלים מפירוק פוליסוליד. סוללות סולידריות-מדינה, באמצעות קרמיקה או פולימר אלקטרוליטים, ניתן לעשות דק מאוד לחסל אלקטרוליטים נוזליים, שיפור הבטיחות ומאפשר ערימה בנפחים הדוקים.

מניות עם Power Output

צפיפות אנרגיה אינה שיקול בלבד; צפיפות כוח (העברת אנרגיה) חשובה באותה מידה. מיקרו-רובוט כי צריך לפעול במהירות גפיים עשוי לדרוש עלייה נוכחית כי סוללה בעלת אנרגיה גבוהה לא יכולה לספק ללא מתח סוללות ריבועים.ד.ט-סרט לעתים קרובות יש התנגדות פנימית גבוהה, הגבלת שיא הנוכחי.

ניהול ארס

כל מקורות הכוח מייצרים חום במהלך השחרור והטעינה. במערכת מאקרוסקופית, אוהדים או כיור חום יכולים לנתק את החום הזה, אבל במיקרו-רובט יש מעט מקום לקירור פעיל ואפילו פחות עבור זרימת אוויר מאומצת.זמן תרמי קבוע של מבנה מיקרו-scale הוא קצר מאוד, כלומר כתמים חמים יכולים ליצור במהירות ולפגוע אלקטרוניקה רגישה או רקמות ביולוגיות (אם הרובוט נמצא בתוך גוף).

דור חום במיקרו-טק

התנגדות פנימית גורמת ל- Joule חימום, ותגובות צד בסוללה יכולה גם לייצר חום.עבור סוללה של 1 מ"מ3 המספקת 1 mW, צפיפות החשמל היא 106 W/m3 – הניתן לשטף חום שבב מחשב.ללא ניהול תרמי מספיק, טמפרטורת הסוללה יכולה לעלות עשרות מעלות צלזיוס מעל פני מחוספס, עלייה משמעותית וגורמת לסוללות תרמיות.

אסטרטגיות מגניבות

קירור פסיבי באמצעות התנהגות הוא הגישה הקיימא ביותר: באמצעות המסגרת המבנית של הרובוט כמו מפיץ חום.חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון ציפוי פחמן דמוי יהלום או מיקרו-לשוניות גוף נחושת, יכולים לתקשור חום לאזורים גדולים יותר של פני השטח.חוקרים באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי הוכיחו קירור מיקרו-ערוצי למיקרו-דלוק גבוה, אך שילוב של משאבות וקרורים לתוך לולאה רפואית נוספת, אך הם זקוקים למיקרו-קועית חום.

ניהול חשמל ושליטה

גם עם מקור כוח מעוצב היטב, ניצול יעיל הוא קריטי.מיקרו-רובוטים פועלים עם תקציבי אנרגיה מוגבלים מאוד - לפעמים רק כמה מילימטרים בסך הכל. כל מיקרוג'אול חייב להיות אחראי על מעגלים ניהול כוח להמיר את המתח המשתנה של הסוללה לאספקה יציבה עבור מנגנונים לוגיים, חיישנים, ומבצעים אלה.

תקנות Voltage

הרגולטורים נמוכים (LDO) הם פשוטים אך יעילים כאשר מתח הסוללה גבוה משמעותית מהמתח הלוגי.Switching הרגולטורים (DC-DC ממירים) יכולים להשיג 90%+ יעילות אך דורשים מחנכים וcapacitors כי הם לעתים קרובות גדולים יותר מאשר הרובוט עצמו. “Switching רגולטורים” (CDC-DC-DC-DC) יכולים להשיג יעילות, אך דורשים המרהמות ללא נפח מגנטי של דוגמה, כלומר, רק מיקרו-מטר אחד של 0.

אנרגיה-Aware Computing and Actuation

מעבר לחומרה, תוכנת בקרה יכולה לייעל את השימוש באנרגיה.חובה-מחזור – ביטול הרכיבים כאשר לא בשימוש – יכול להרחיב באופן דרסטי את חיי הסוללה.עבור מיקרו-רובוט שזחל לשנייה אחת ולאחר מכן לנוח במשך תשע שניות, הכוח הממוצע יורד על ידי סדר גודל של נפח. - מודולים של אנרגיה-הארבסינג יכולים גם להיות מממשק עם יחידת ניהול הכוח כדי להגדיל את הסוללה במהלך תקופות של חניכיים (IFD) אם כי אם כי אם כי אם כי הם משלבים 3.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

בהתחשב במגבלות החמורות של גודל ואנרגיה, חוקרים רבים מאמינים כי שום מקור חשמל יחיד לא יספיק לכל משימות מיקרו-רובוט.במקום, מערכות היברידיות המשלבות אלמנט אחסון ראשוני (עוצר או סופר-capacitor) עם קצירת אנרגיה יהפכו לנורמה.

העברה של חשמל Wireless

(העברה של כוח אלחוטי אינדוקטיבי או מהדהד יכולה לספק אנרגיה למיקרו-רובוטים ללא סוללות על הסיפון מספיק עבור המשימה המלאה.ביישומים רפואיים, סליל חיצוני יכול ליצור שדה מגנטי שזוגות לפח זעיר המקבלים סליל בתוך הרובוט.הכוח האופטימי באמצעות לייזרים ליד- infrared כבר הוכח: תא פוטו-וולטאי על הרובוטים להמיר אור לחשמל.

אנרגיה מתחום הסביבה

קצירת אנרגיה גמישה - קמטים, אור - יכול לספק אספקה כמעט בלתי מוגבלת עבור סביבות מסוימות. ⁇ חשמליות, אשר להמיר תנודות מכניות לחשמל, הם מעודנים היטב, ניתן לייצר בצורת meMS. a cantilever beam מכוסה עם PZT (le zconate titanate) יכול לייצר עשרות מיקרווואט מרצפה (מ"מ) ו- 10x"מ"מ"מ"מ"מ"במבנה"ד) בתוך תא חשמל מסוג 2.

מערכות היברידיות ואינטגרציה

הפתרון האולטימטיבי צפוי לשלב כמה גישות אלה: סוללה קטנה, דקת-סרטית עבור כוח שיא, סופר-capacitor עבור התפרצויות, מקלט אלחוטי לשיפוץ, וציר עבור טעינה טריקת.מערכת-on-chip (SoC) טכנולוגיה יכול לשלב את ניהול הכוח, איסוף אנרגיה, בקרה על לוגיקה בודדת.

מסקנה: The Path Forward

אספקת חשמל miniaturization נותרה האתגר המרכזי של מיקרו-רובוטים.המגבלות של גודל, צפיפות אנרגיה, צפיפות אנרגיה, ניהול תרמי ושליטה הם בין-תחומיים ודוחקים מפני מגבלות בסיסיות של חומרים וההפצה.עם זאת, ההתקדמות המהירה בסוללות מוצקות של המדינה, אלקטרודות ננודורות, על אלקטרוניקה כוח-צ'יפ, וטכניקות קצירת אנרגיה מציעות קדימה לאורך העשור הבא, אנו יכולים לצפות לראות שיתופי פעולה זעירים של אנרגיה, אשר ימשיכו לפעול באופן בלתי-מחדש, ללא מגבלות חשמליות, ללא מגבלות, ללא מגבלות, או מודלים חשמליים, אשר יהיו יעילות, ללא מגבלות של מערכות חשמל, ללא מגבלות של מערכות חשמל, ללא צורךות, וטכנולוגיות, ללא צורך, וטכנולוגיות, אשר יהיו יעילות, אשר יהיו יעילות, ללא צורךות, ללא שימוש קבועות, או מודלים חדשים, ללא מגבלות של מערכות חשמל מתקדמות, ללא שימוש, וטכניקות של מערכות חשמל מתקדמות, ללא שינוי, ללא שימוש, וטכניקות של מערכות חשמל מתקדמות, וטכניקות של מערכות הפעלה אוטונומיות, ללא שימוש בטכניקות של מערכות חשמל מתקדמות, ללא צורךות, ללא מגבלות של מערכות חשמלאיות, וטכניקות של אנרגיה, ללא צורך, אשר יהיו יעילות, וטכניקות של אנרגיה, וטכניקות של אנרגיה, וטכנולוגיות מתפתחות