Il microrobotico è un campo in rapida evoluzione che coinvolge la creazione di piccoli robot in grado di eseguire compiti complessi a scale sub-millimetri o millimetri. Uno dei colli di bottiglia più persistenti in questo dominio è miniaturizzazione alimentatori per adattarsi all'interno di volumi estremamente piccoli, offrendo una potenza sufficiente per un funzionamento significativo.

L'importanza della Miniaturizzazione dell'alimentatore

I sistemi di alimentazione sono essenziali per ogni componente robot, attuatori, sensori, processori e moduli di comunicazione, per funzionare. Nei robot su scala macro, le batterie spesso dominano la massa e il volume complessivo, ma i progettisti hanno la flessibilità di utilizzare grandi e pesanti alimentatori. Per i micro-robot, il volume disponibile viene misurato in millimetri cubici, e ogni micrometro cubo conta.

In medicina, i micro-robot potrebbero navigare nel flusso sanguigno per fornire farmaci precisamente ai tumori, ai blocchi arteriosi chiari, o eseguire microchirurgia. Nel monitoraggio ambientale, gli sciami di piccoli robot potrebbero percepire gli inquinanti nel suolo o nell'acqua, o ispezionare l'integrità strutturale dei ponti.

Dimensioni e forma Fattore di contrassegni

Lo spazio limitato all'interno di micro-robots limita non solo le dimensioni fisiche delle batterie ma anche la loro forma. La maggior parte delle batterie commerciali sono cilindriche o prismatiche, progettate per dispositivi come smartphone e laptop. Adattando questi fattori forma a un robot che è, ad esempio, un cubo da 1 mm è impossibile. Gli ingegneri devono invece contare su batterie a film sottile a forma personalizzata, microbatterie fabbricate direttamente su substrati a chip o in rotoli.

Fattori di forma della batteria

Le batterie a stato solido Thin‐film, come quelle prodotte da Cymbet Corporation, offrono spessori inferiori a 100 μm e possono essere depositate su wafer di silicio o su substrati flessibili.

Conservazione alternativa: Supercondensatori e celle a combustibile

I supercondensatori offrono elevata densità di potenza e lunga durata del ciclo, ma la loro densità di energia è tipicamente un ordine di grandezza inferiore alle batterie. Per i microrobot che hanno bisogno di scoppi di potenza (ad esempio, per saltare o afferrare), i supercondensatori possono integrare le batterie.

Densità energetica e capacità

La densità energetica, la quantità di energia immagazzinata per volume unitario o massa, è la metrica più critica per gli alimentatori microrobot. Le batterie agli ioni di litio hanno una densità energetica di circa 250 Wh/kg a livello cellulare, ma quando vengono confezionate con circuiti di protezione, connettori e alloggiamento, tale cifra scende significativamente.

Innovazioni materiali

Per aggirare questi limiti, i ricercatori stanno esplorando nuovi materiali elettrodi. I materiali nanostrutturati, come i nanofili di silicio, il grafo e i dichalcogenidi metallici di transizione, possono memorizzare più ioni di litio per volume unitario rispetto agli anodi grafite convenzionali. Ad esempio, un anodo di silicio può raggiungere teoricamente dieci volte la capacità di grafite, ma si gonfia drammaticamente durante il ciclismo, causando il progresso meccanico.

Oltre al litio-ione, vengono studiati altri chemistri. Le batterie al litio-solfur offrono un'alta densità di energia teorica ma soffrono di dissoluzione del polisolfuro. Le batterie allo stato solido, utilizzando elettroliti in ceramica o polimeri, possono essere rese molto sottili ed eliminare gli elettroliti liquidi infiammabili, migliorando la sicurezza e consentendo l'impilamento in volumi stretti.

Interventi con Potenza

La densità energetica non è l'unica considerazione; la densità di potenza (tasso di fornitura di energia) è altrettanto importante. Un micro-robot che deve agire rapidamente un arto può richiedere un picco corrente che una batteria ad alta densità energetica non può fornire senza sag di tensione. Le batterie Thin-film hanno spesso un'elevata resistenza interna, limitando la corrente di picco.

Gestione termica

Tutte le fonti di energia generano calore durante lo scarico e la ricarica. In un sistema macroscopico, ventilatori o dissipatori di calore possono dissipare questo calore, ma in un micro-robot c'è poco spazio per il raffreddamento attivo e anche meno per il flusso d'aria convettivo. La costante di tempo termico di una struttura micro-scala è molto breve, il che significa che le macchie calde possono formare rapidamente e danneggiare l'elettronica sensibile o tessuti biologici (se il robot è all'interno di un corpo).

Generazione di calore in Microbatterie

Per una batteria da 1 mm3 che fornisce 1 mW, la densità di potenza è di 106 W/m3 – paragonabile al flusso di calore in un chip del computer. Senza una gestione termica adeguata, la temperatura della batteria può aumentare decine di gradi Celsius sopra l'ambiente, accelerando il degrado e potenzialmente causando il funzionamento termico.

Strategie di raffreddamento

I materiali con elevata conducibilità termica, come i rivestimenti di carbonio diamantati o le micro-via di rame, possono incanalare il calore nelle aree di superficie più grandi. I ricercatori dell’Università della California, Berkeley hanno dimostrato il raffreddamento del liquido micro-canale per micro-dispositivi, ma integrando pompe e flussi di raffreddamento in micro-fibra.

Gestione e controllo di potenza

Anche con una fonte di energia ben progettata, l'utilizzo efficiente è fondamentale. Micro-robots spesso funzionano con budget energetici molto limitati - a volte solo un paio di milliwatt totali. Ogni microjoule deve essere contabilizzato per. I circuiti di gestione dell'energia convertono la tensione variabile della batteria a binari di alimentazione stabili per logica, sensori e attuatori.

Regolazione della tensione

I regolatori di alimentazione a bassa potenza (LDO) sono semplici ma inefficienti quando la tensione della batteria è significativamente superiore alla tensione logica. I regolatori di commutazione (DC-DC converter) possono raggiungere il 90%+ efficienza, ma richiedono induttori e condensatori spesso più grandi del robot stesso.

Computing e Attuazione di Energy-Aware

Oltre all'hardware, il software di controllo può ottimizzare l'utilizzo di energia. Duty-cycling, disattivando i componenti quando non è in uso, può aumentare drasticamente la durata della batteria. Per un micro-robot che striscia per un secondo e poi si riposa per nove secondi, la potenza media scende da un ordine di grandezza.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Data la forte costrizione delle dimensioni e dell'energia, molti ricercatori ritengono che nessuna fonte di energia unica basterà per tutte le missioni microrobot. Invece, i sistemi ibridi che combinano un elemento di stoccaggio primario (batteria o supercondensatore) con la raccolta di energia diventeranno la norma.

Trasferimento di potenza wireless

In applicazioni mediche, una bobina esterna può creare un campo magnetico che accoppia ad una piccola bobina di ricezione all'interno del robot. L'alimentazione ottica che fa il raggio utilizzando laser a distanza ravvicinata è stata dimostrata: una cella fotovoltaica sul robot converte la luce laser all'elettricità.

Rilevamento energetico dall'ambiente

L’energia elettrica di raccolta di micro-strumenti (in inglese) è molto elevata.

Sistemi ibridi e integrazione

La soluzione finale probabilmente combina diversi di questi approcci: una piccola batteria a film sottile per la potenza di picco, un supercondensatore per le esplosioni, un ricevitore wireless per la ricarica, e un raccoglitore per la ricarica a induzione.

Conclusione: Il percorso in avanti

I vincoli di dimensione, densità energetica, densità di potenza, gestione termica e controllo sono interconnessi e spingono contro i limiti fondamentali dei materiali e della fabbricazione. Tuttavia, il rapido progresso in batterie a stato solido, elettrodi nanostrutturati, elettronica di potenza su chip, e tecniche di raccolta di energia offre un percorso chiaro in avanti.