הצורך הקריטי ב- Sustainable Power in Soft Robots

רובוטים רכים - מכונות שנבנו מחומרים תואמים כגון סיליקון, הידרוג'ל או פולימרים בצורת-זיכרון - מתאימים במיוחד לסביבות מרוחקות קיצוניות שבהן רובוטים קשיחים נכשלים.במעמקים המחץ של המריאן צ'יפס, ואקום של מעבר אנרגיה נמוכה, ההריסות הרדיואקטיביות של אסון גרעיני, או הקרח הממושך של הקוטב הצפוני, הרובוטים יכולים להתאים למשטחים הבלתי סדירים, אך ורק לנקודות כוח גדולות, אך ורקפות, אך הן יכולות להפוך את הזמן למגבלות החשמליות ביותר שלהן למרחביות הגדולות ביותר, אך ורקפות, אך ורקפות, אך ורקפות, אך ורקפות, אך ורקפות, ללא מגבלות כוחן, הן אינן יכולות להיות קשות ביותר.

מקורות האנרגיה הזמינים בהגדרות מרוחקות הם מגוונים: תנודות מכניות של זרמי האוקיינוס או פעילות סיסמית, ⁇ תרמי ליד ventthermal vents, קרינה אלקטרומגנטית מאור השמש, אפילו תגובות ביוכימיות באדמה או מי ים. על ידי שילוב מרכיבים אנרגיה-הארוויקים ישירות לתוך הגוף הרטוב של הרובוט, מעצבים יכולים לחסל את הצורך בחפיסות אנרגיה כבדות, קשיחות, וליצור מכונות כי הם מופעלים, קלים, וגמישות, על ידי טכניקות אלה, ממושכות, ממושכות, ממושכות, וגמישות, על ידי חומרים אלה, על ידי אלקטרוניקה, ממושכות, ממושכות, וגמישות, על ידי חומרים אלה, ממושכים, על ידי אלקטרוניקה גבוהה יותר, ממושכים, על ידי טכניקות מתקדמות, ממושכים, ממושכים, על ידי אנרגיה גמישה, על ידי אנרגיה גבוהה יותר, על ידי אלקטרוניקה, על ידי אלקטרוניקה, על ידי טכניקות מתקדמות, על ידי אלקטרוניקה גבוהה יותר, על ידי אלקטרוניקה גבוהה יותר, על ידי אלקטרוניקה גבוהה, על ידי אלקטרוניקה גבוהה יותר, על ידי אלקטרוניקה גבוהה יותר, על ידי אלקטרוניקה, 000, על ידי אלקטרוניקה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,

מימון אנרגיה עבור Soft Robotics

איסוף אנרגיה עבור רובוטים רכים דורש מערכות גמישות מכנית, תואמים כימית עם חומרים רכים, ויעילות במחזורי אנרגיה נמוכה.בניגוד יבולים קשיחים קונבנציונליים (למשל, טורבינות רוח או פאנלים סולאריים), קציר רך חייב למתוח, לכופף, ולעוות ללא צפיפות של נתונים מקצרים (כוח מקצר) הוא בדרך כלל כוח נמוך - החל ממיקרווואטים למילימטרים - אבל מספיק עבור חיישנים, תקשורת אלחוטית, ופעולה אלחוטית, ופעולה פשוטה עם כוח אחסון (אוסטרופה) עם כוח לחץ אווירית של אנרגיה).

שלושה מנגנוני הפחתת אנרגיה ראשוניים הוכחו בהצלחה ברובוטים רכים: ⁇ אלקטרי, טריבואלקטרי, וטכניקות פוטו-וולטאיות. אלקטרומגנטיות ותרמואלקטריות מתעוררות גם הן, אם כי מרכיבים קשיחים שלהם לעתים קרובות דורשים פתרונות אדריכליים יצירתיים כדי לשמור על רכות.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

חומרים Piezoelectric - כגון polyvinylidene fluoride (PVDF), להוביל zirconate titanate (PZT) קרמיקה, או תחמוצת אבץ nanowires - ליצור פוטנציאל חשמלי כאשר מפורש מכנית.ברובוטים רכים, חומרים אלה מוטבעים כמו סרטים דקים, סיבים, או מסובבים בתוך הגוף של הרובוט.

(ב) לדוגמה, החוקרים בנו דגים רובוטיים רכים ששחייהם באמצעות fin זנב המופעל על ידי סגסוגת בצורת-זיכרון (Soemoryסגסוגת) על ידי הטמעת רצועות PVHz לאורך פני השטח של פין, הדגים יכולים לקצור אנרגיה מהטבע הפאסיבי של finus-Fersocialus; ב-Valustances (Flowing a Positive) ו-Flowative Energy (Flastation) כדי להשיג את הפחתת יכולת פעולה אופטית אנרגיה) של 4.

אתגרים נשארים.מרבית קרמיקה ⁇ הם שופע; להטביע אותם בפולימרים רכים להפחית את האפקטיביות ההפיכה שלהם. PVDF גמיש יש פלט חשמל נמוך יותר לכל מחזור.חוקרים חוקרים לחקור חומרים מורכבים (למשל, חלקיקים PZT מפוזרים בסיליקון) ואת עיצובים רב שכבתיים כדי להגביר את הכוח ללא הקרבה.

Triboelectric Harvesting: פריצה-Driven Power

ננוגני חמצון טריבואלקטריים (TENG) מנצלים את הביצורים במגע בין שני חומרים שונים.כאשר זוג חומרים (למשל, סיליקון ו ניילון, או PTFE ואלומיניום) מובאים ליצירת קשר ולאחר מכן מופרד, אלקטרונים העברה על פני הממשק, יצירת הבדל פוטנציאלי.ברובוטים רכים, ניתן לשלב כמו שכבות רזות, גמישות כי להחליק, או לחץ נגד כל אחד מהם, כמו פריחה רגילה, כגון חיתוך אנרגיה, כמו גם חומרים פשוטים, כגון חיתוך, כגון, כגון חיתוך, כגון מתכת, או חיתוך, כגון, כגון מתכת, או חיתוך, או חיתוך, כגון מתכת, כגון, או חיתוך חומרים פשוטים, כי הם חומרים פשוטים, כי הם מטבול, כי הם חומרים פשוטים.

דוגמה משכנעת אחת היא מאחז רך המקצר אנרגיה בכל פעם שהיא תופסת אובייקט.אצבעותיו של הסקאלר מרופדות חשמליות; כל התכווצות מייצרת מטען קטן המחזק את הטמפרטורה או חיישן הלחץ. בהקשר עמוק בים-ים, רובוט רך מצויד עם שטרם ניתן לייצר כוח מטווח אנרגיה רך, או דחיסה מחזורית של נייר שלפוחית השתן, אשר מופעלת רק על ידי זרם אנרגיה רך של 30F2F2F3, ללא לחץ חיצוני, אשר מופעל על ידי זרם אנרגיה רך, או יותר מ-F2FD.

הסגירה העיקרית של TENGs היא הדחף הפנימי הגבוה שלהם ואת התפוקה הנוכחית הנמוכה, מה שהופך אותם המתאימים ביותר עבור כוח אולטרה-עוצמה אלקטרוניקה (רגישים, משדרים) מעגלים ניהול כוח חייב להתאים בזהירות את העומס.בנוסף, ביצועי TENG מתפוגגות בסביבות לחות עקב דליפת המטען, אם כי ציפויים הידרופוביים חדשים ועיצובים מחלחלים הם מזרזים את הבעיה הזו, כי לא ניתן לצפות את הסוללות אנרגיה או לא מתאים במיוחד.

Sun Harvesting: Flex Photovoltaics for Sunlit Environment

תאי Photovoltaic (PV) הם הטכנולוגיה הבוגרת ביותר של איסוף אנרגיה, והתפתחויות האחרונות ב-Digital-film ו- photovoltaics אורגני הפכו אותם לתואמים עם תת-שכבות רובוטיות רכות. תאים סולאריים גמישים המבוססים על perovskites, פולימרים אורגניים או צבע-רגיש טיטאניה ניתן להשחית על פני משטחים רכים ללא נוקשות משמעותית.

יישום איקוני הוא צמח רובוטי רך המיועד לחקר הירח.עור השמש הגמי מכסה את כל הגוף שלו, ומאפשר לו לכפות את האלקטרוניקה והמנועים שלו במהלך היום הירח, כי העור הוא חד-משמעי, הגרף יכול לקפל לתוך תצורה של שיגור קומפקטית ולאחר מכן להתפתח על פני כדור הארץ, החוקרים בנו רובוטים רכים שצופים על מים, באמצעות סיליקון עם תאים אורגניים אלה יכולים לבצע ניטור סביבתי בעת LT2: רכה: LTF1 מבדיקה פשוטה: LTF2 מ-R.

לקצירת השמש יש שתי מגבלות עיקריות: היא דורשת אור, ויעילות של תאים גמישים (בדרך כלל 10-15%) נמוכה יותר מאשר תאים סיליקון קשיחים (-22–24%) לסביבות ים או מערת, השמש אינה ברת קיימא.עם זאת, מערכות היברידיות הוצעו כי משלבות שמש עם קצירי רטט, כך הרובוט יכול לפעול הן באור השמש והן בצל.

שיטות מתפתחות: Thermoelectric, אלקטרומגנטי, ו- Biohybrid Harvesting

מעבר לשלוש הטכניקות העיקריות, כמה מנגנונים אחרים ראויים להזכיר יישומים מרוחקים נישה.

(FLT:0) גנרטורים אנדרומאלקטריים (TEGs)אנדרופול) 1 להמיר את ההבדלים בטמפרטורות לתוך מתח חשמלי באמצעות אפקט Seebeck.בסביבות עם ⁇ תרמי חזק - כגון ליד vents גיאותרמאל, בתוך חלל חלל חלל חלל חלל, או על פני השטח של הקרחון -TEGs יכול לספק כוח יציב.

(FLT:0) קצירים חשמליים (Electromagnetic HarvestersFLT:1) מסתמכים על מגנטית נעה ו סליל כדי ליצור זרם מתנועה.בעוד שבדרך כלל נוקשה, החוקרים טמעו מגנטים קטנים נדירים בסיליקון רך וחוט נחושת גמיש יחד עם משותף של רובוט.התנועה היחסית בין מגנטי ל coil במהלך הליכה או שחייה הנוכחי.

(FLT:0) ביובריק קצירים 1FLT:1 משתמשים בתאי דלק מיקרוביאליים (MFCs) המייצרים חשמל מחומר אורגני נוכח באדמה, מים, או פסולת. רובוט רך שמשתלב במשקעים או צף בנהר מזוויף יכול להשתמש MFC משולב לתוך פני השטח שלה.

אסטרטגיות אנרגיה סביבתיות-Specific Energy Harvesting אסטרטגיות

אף טכניקה אחת של איסוף אנרגיה לא עובדת בצורה אופטימלית בכל מקום.הבחירה תלויה בנוף האנרגיה של הסביבה המרוחקת הספציפית.למטה אנו בודקים שלוש הגדרות מרוחקות ארכיטיפיות: האוקיינוס העמוק, המרחב החיצון ואזורי אסון.

עמוק Ocean: Triboelectric ו- Piezoelectric Dominance

האוקיינוס העמוק הוא כהה, קר, ומתח רב עוצמה אנרגיה סולרית אינה זמינה, ו ⁇ תרמואלקטרית הם קטנים.עם זאת, אנרגיה מכנית בשפע: זרמי האוקיינוס, תנועה גל, ואת השינויים הפנימיים של הלחץ שנגרם על ידי שחייה או צלילה. טריבואלקטרי ו- משככי כאבים הם אידיאליים כי הם לא צריכים אור וניתן לבנות חומרים כי לעמוד בלחץ גבוה ומים גסים שפותחו על ידי דגים רובוטיים כדי לרסן.

חלל בחוץ: סולר פלוס Triboelectric עבור פעילות דלת כוח

בחלל, השמש מספקת זרם קבוע של פוטונים (~1.36 קילוואט / m2 במסלול כדור הארץ) תאים סולאריים גמישים יכולים לכסות את כל פני השטח של רובוט רך, אבל הריק, אופניים תרמיים קיצוניים, וקרינה דורשת capsulation חזק.עבור משטחים ירחיים או מאדים, השמש היא האפשרות העיקרית של אחסון משולש יכול ללכוד אנרגיה מתנועה מכנית של חלקיקים (אפקט חשמלי של פחמן או מנפחים של סוללות) בתוך מערכת העיכול רק על ידי חשמלית של מנגנוני אחסון אדום (או מתכת).

אזורי אסון מסוכנים: Multi-Modal Harvesting

אזורי אסון כגון רעידות אדמה, אתרי היתוך גרעיניים, או מכרות התמוטטו הם סביבות כאוטיים ואנרגיה-פוחיות (כמו אור) עשויים להיות חסומים, ⁇ תרמיים בלתי צפויים, אבל תנודות מכניות של הריסות או פסולת נעה הן נפוצות.רובוטים רכים יכולים לזחול, לרחוץ, ולטפס על קצירי אנרגיה חזקים מאוד ואינם מסתמכים על מקור יחיד.

אתגרים מרכזיים ופתרונות מתעוררים

למרות עשרות שנים של התקדמות, כמה אתגרים יסודיים נותרו לפני שרובוטים רכים יכולים להסתמך אך ורק על אנרגיה מקצרת למשימות מורחבות.

ניהול אנרגיה וניהול כוח

כוח מואץ הוא בדרך כלל לסירוגין ורובוטים רכים זקוקים לאחסון יעיל - סוללות ליתיום של סרטי קולנוע או supercapacitors שיכולים להיות גמיש עם הגוף. הנוכחי supercapacitors גמיש יש נחיתות אנרגיה סביב 10-20 Wh / ק"ג, הרבה מתחת למכסה נוקשה של מערכות ניהול חשמל מוטבע (-200 Wh / kg). חוקרים בודקים אלקטרוליטים מוצקים פחמן-אוויר ואלקטרו-אטומים כדי להגביר את יכולת גבוהה של מעקב מסוגים פעילים.

יכולת ייצור ושומן

רובוטים רכים חווים עיוות חוזר על מיליוני מחזורים. Piezoelectric קרמיקה סדק, שכבות טריבואלקטריות ללבוש, תאים סולאריים דהילת. פולימרים עצמיים אג"ח קוהנדס דינמי לאפשר כמה חומרים לתקן microcracks באופן אוטונומי. A 2023 מחקר ב FLT:0FLT:1 הראה ⁇ חשמלי עצמי כי נשמרו של 90% מפלט שלה, בנוסף לציפוי מים.

יעילות בתנאים ריאליים

בדיקות מעבדה לעתים רחוקות להתאים את התנאים בעולם האמיתי.לדוגמה, ביצועים של 10G טיפות בחדות גבוהה; תאים PV לאבד יעילות בטמפרטורות גבוהות; קצירי דגנים הם היעילים ביותר בהתחדשות אבל רטטים טבעיים הם רחב פס. חוקרים מפתחים מנגנוני כוונון הסתגלות הסתגלות - כגון חומרים נוקשות משתנים שמשנים את קבוע האביב בתגובה לתדירות - ועיצובים רחבים המשתמשים בצורות של התחדשות.

כיוונים עתידיים ו- Outlook

העתיד של איסוף אנרגיה עבור רובוטים רכים הוא שילוב ואינטליגנציה. . יבולים רב-ממדיים המשלבים סולרי, משולשים, ואלמנטים אדזואלקטריים על אותו תת-קרקעי יהפכו סטנדרטיים, המאפשרים לרובוטים לעבור בין מקורות אנרגיה בצורה חלקה.רובוטים רכים עצמם יהיו מעוצבים מהבסיס כמו מערכות בעלות אנרגיה-אופטימיות, עם כל מרכיב תורם לייצור חשמל: אור קציר העור, השרירים, ותנועה פנימית, כמו מחסנים.

ההתקדמות באלקטרוניקה מודפסת פירושה כי קצירים יכולים להיות מיוצרים בזול בקנה מידה באמצעות תהליכים רול-to-roll, צמצום העלות ועשיית רובוטים רכים לשימוש יחיד שניתן לניקוי סביבתי.כיוון מרגש נוסף הוא השימוש באנרגיה ביומכנית מההשבחה של הרובוט עצמו - ובכך להפוך את התשלום של הרובוט עצמו לרמה של 30%, אך באופן משמעותי הופך את תנועת הרובוטים לרמה גבוהה יותר של 30%, אך הוא מסוגל לבצע אופטימיזציה של חומרים תיאורטית או יותר, אך ורק 50%, אך הוא מסוגל לבצע את התשלום עבור עצמו.

לבסוף, קצירת אנרגיה תאפשר לכיתה חדשה של רובוטים רכים "דה-וישכח" שפועלים במשך חודשים או שנים, העברת נתונים מעת לעת ממקומות מרוחקים.רובוטים אלה יכולים לפקח על שינויי האקלים באזור הארקטי, לבדוק צינורות עמוקים-ים, לחפש חיים באגמים תת-גזעיים על כדור הארץ (או על אירופה), ולספק הודעות תקשורת חיוניות באזורי אסון.

מסקנה

קצירת אנרגיה אינה רק גישה לרובוטים רכים – היא תנאי מוקדם לפרוסת לטווח הארוך שלהם בסביבה מרוחקת ובלתי נגישה. Piezoelectric, triboelectric, וקצירת השמש כבר הוכחו כבר יעיל אבטיפוסי מחקר, עם תרמואלקטרי, אלקטרומגנטית, וביוטכנולוגיה שיטות הראו הבטחה עבור נישות ספציפיות.