Il bisogno critico di energia sostenibile nei robot soft remoti

I robot morbidi, costruiti con materiali conformi, come siliconi, idrogeli o polimeri a forma di memoria, sono particolarmente adatti per ambienti estremi in cui i robot rigidi non riescono a superare le loro difficoltà. Nelle profondità di frantumazione della Mariana Trench, il vuoto dell'orbita a bassa erta, i rubli radioattivi di un disastro nucleare, o il ghiaccio di spostamento della Arctic, i robot morbidi possono adattarsi a superfici irregolari, stringere

Le fonti energetiche disponibili in ambienti remoti sono diverse: vibrazioni meccaniche da correnti oceaniche o attività sismica, gradienti termici vicino a sfiature idrotermali, radiazione elettromagnetica dalla luce solare, anche reazioni biochimiche nel suolo o nell'acqua di mare. Integrando componenti di raccolta energetica-raccolta direttamente nel corpo morbido del robot, i progettisti possono eliminare la necessità di pesanti, rigidi pacchetti di energia e creare macchine che sono auto-alimentate, leggeri e promembracciate e che hanno accelerato in modo continuo.

Fondamenti di Rivestimento di Energia per Robotica Morbida

La raccolta di energia per robot morbidi richiede sistemi che sono meccanicamente flessibili, compatibili chimicamente con materiali morbidi, ed efficienti a basse densità di energia. A differenza dei tradizionali raccoglitori rigidi (ad esempio, turbine eoliche o pannelli solari), i raccoglitori morbidi devono allungare, piegare e torsione senza perdere prestazioni. L'energia raccolta è tipicamente a bassa potenza, che vanno dai microwatt ai milliwatt, ma sufficiente per sensori, comunicazione wireless e i dati di funzionamento intermittente.

Tre principali meccanismi di raccolta dell'energia sono stati dimostrati con successo in robot morbidi: piezoelettrici, triboelettrici e fotovoltaici. Si stanno inoltre emergendo metodi elettromagnetici e termoelettrici, anche se i loro componenti rigidi richiedono spesso soluzioni architettoniche creative per mantenere la morbidezza.

Arredo piezoelettrico: cattura della vibrazione meccanica

Materiali piezoelettrici, come le ceramiche polivinile fluoro (PVDF), il titanato di zirconato di piombo (PZT) o le nanoroghe di ossido di zinco, generano un potenziale elettrico quando vengono deformate meccanicamente.

Per esempio, i ricercatori hanno costruito un pesce robot morbido che nuota con una pinna di coda attivata da una lega di forma-memoria. incorporando strisce PVDF lungo la superficie della pinna, il pesce può raccogliere energia dalla piegatura passiva della pinna mentre si muove attraverso l'acqua.

La maggior parte delle ceramiche piezoelettriche sono fragili; incorporarle in polimeri morbidi riduce il coefficiente di accoppiamento. Flessibile PVDF ha una potenza inferiore per ciclo. I ricercatori stanno esplorando materiali compositi (ad esempio, particelle PZT disperse in silicone) e disegni multistrato per aumentare la potenza senza compromettere la conformità.

Arresto triboelettrico: Potenza frizione-dritta

I nanogeneratori triboelettrici (TENGs) sfruttano l'elettrificazione dei contatti tra due materiali diversi. Quando un paio di materiali (ad esempio, silicone e nylon, o PTFE e alluminio) vengono portati a contatto e poi separati, gli elettroni si trasferiscono attraverso l'interfaccia, creando una potenziale differenza.

Un esempio avvincente è una presa morbida che raccoglie energia ogni volta che afferra un oggetto. Le dita della contatrice sono rivestite con strati triboelettrici; ogni contrazione genera una piccola carica che alimenta un sensore di temperatura o di pressione. In un contesto di mare profondo, un robot morbido dotato di un TENG può generare energia dal differenziale di pressione causato dalle correnti oceaniche o dalla compressione periodica di una vescica a galleggiamento.

Il principale svantaggio di TENGs è la loro elevata impedenza interna e bassa potenza di corrente, rendendoli più adatti per l'alimentazione di elettronica ultra-bassa potenza (sensori, trasmettitori). I circuiti di gestione di energia devono corrispondere con attenzione al carico. Inoltre, le prestazioni TENG si degrada in ambienti umidi a causa di perdite di carica, anche se nuovi rivestimenti idrofobici e disegni incapsulati stanno mitigando questo problema.

Solar Harvesting: Fotovoltaico flessibile per ambienti illuminati

Le celle fotovoltaiche (PV) sono la tecnologia di raccolta dell'energia più matura, e i recenti progressi nel film sottile e nel fotovoltaico organico li hanno resi compatibili con substrati robotizzati morbidi. Le celle solari flessibili basate su perovskites, polimeri organici, o titania sensibili alla tintura possono essere laminate su superfici morbide senza incidere significativamente.

Un’applicazione iconica è un rover robotico morbido progettato per l’esplorazione lunare. La sua pelle solare flessibile copre tutto il corpo, permettendogli di alimentare elettronica e motori durante il giorno lunare. Poiché la pelle è deformabile, il rover può piegarsi in una configurazione di lancio compatta e poi dispiegarsi sull’atterraggio.

La raccolta solare ha due principali limitazioni: richiede luce, e l'efficienza delle cellule flessibili (tipicamente 10-15%) è inferiore alle cellule rigide di silicio (~22-24%). Per ambienti profondi o grotte, il solare non è realizzabile. Tuttavia, i sistemi ibridi sono stati proposti che combinano il solare con le mietitrici a vibrazione, in modo che il robot possa operare sia in luce solare che in ombra.

Metodi emergenti: termoelettrico, elettromagnetico e Bioibrido

Oltre alle tre tecniche principali, diversi altri meccanismi meritano di menzionare per le applicazioni remote di nicchia.

I generatori termoelettrici (TEGs) convertono le differenze di temperatura in tensione elettrica attraverso l'effetto Seebeck. In ambienti con forti gradienti termici, come ad esempio vicino a prese geotermiche, all'interno di uno scafo spaziale, o attraverso la superficie di un ghiacciaio, i TEG possono fornire energia costante.

I raccoglitori elettromagnetici[] si affidano a un magnete mobile e bobina per generare corrente dal movimento. Mentre di solito rigidi, i ricercatori hanno incorporato piccoli magneti a terra rara in morbido silicone e filo di rame flessibile arrotolato lungo un giunto del robot. Il movimento relativo tra magnete e bobina durante la marcia o il nuoto induce corrente.

I raccoglitori di bioidrizzazione[] utilizzano celle di combustibile microbiche (MFC) che generano elettricità da materia organica presente in suolo, acqua o rifiuti. Un robot morbido che scava nei sedimenti o galleggianti in un fiume inquinato può utilizzare un MFC integrato nella sua superficie.

Strategie di raccolta dell'energia ambientale-Specifica

Non funziona in modo ottimale nessuna tecnica di raccolta di energia. La scelta dipende dal paesaggio energetico dell’ambiente remoto specifico. Qui di seguito esaminiamo tre ambienti remoti archetipici: l’oceano profondo, lo spazio esterno e le zone di disastro.

Oceano Profondo: Dominanza triboelettrica e piezoelettrica

L’energia solare non è disponibile e i gradienti termoelettrici sono piccoli. Tuttavia, l’energia meccanica è abbondante: correnti oceaniche, moto d’onda e variazioni di pressione interne causate da nuoto o immersioni. I raccoglitori triboelettrici e piezoelettrici sono ideali perché non richiedono luce e possono essere costruiti da materiali che sopportano alte pressioni e acqua salata corrosiva.

Spazio esterno: Solar Plus Triboelettrico per operazioni a bassa potenza

Nello spazio, il sole fornisce un flusso costante di fotoni (~1.36 kW/m2 nell'orbita terrestre). Le cellule solari flessibili possono coprire l'intera superficie di un robot morbido, ma il vuoto, il ciclo termico estremo e le radiazioni richiedono un'incapsulamento robusto. Per le superfici lunari o marziane, il solare è l'opzione primaria. Inoltre, la raccolta triboelettrica può catturare energia dal movimento meccanico delle particelle di polvere (l'effetto triboelettrico di atterraggio stesso).

Zone disastro pericolose: Arredo multi-modulare

Le zone disagiate come le macerie del terremoto, i siti di fusione nucleare, o le miniere crollate sono ambienti caotici e di energia-povera. Le strutture di compressione dei robot sono bloccate, i gradienti termici non prevedibili, ma le vibrazioni meccaniche da postumi o detriti commoventi sono comuni.

Sfide chiave e soluzioni emergenti

Nonostante i decenni di progresso, molte sfide fondamentali rimangono prima che i robot morbidi possano contare esclusivamente sull'energia raccolta per missioni estese.

Gestione dell'energia e dell'energia

I robot morbidi hanno bisogno di un efficiente stoccaggio – batterie al litio del film o supercondensatori che possono flettersi con il corpo. I supercondensatori flessibili attuali hanno densità di energia intorno a 10–20 Wh/kg, molto sotto rigide leoni al litio (~200 Wh/kg). I ricercatori stanno esplorando elettroliti a stato solido e gli elettrodi a nanotubi devono aumentare la capacità di guadagno.

Durata del materiale e fatica

I robot morbidi sperimentano una deformazione ripetuta su milioni di cicli. La crepa di ceramica piezoelettrica, gli strati triboelettrici si consumano e le celle solari delaminate. I polimeri auto-guarigione e i legami covalenti dinamici permettono ad alcuni materiali di riparare i microcracks in modo autonomo. Uno studio del 2023 in I materiali della natura]] ha dimostrato un composito piezoelettrico di auto-guadamento di inguadatura che ha mantenuto il 90% di produzione di acqua.

Efficienza nelle condizioni reali

I test di laboratorio raramente corrispondono alle condizioni reali. Ad esempio, le prestazioni TENG si abbassano bruscamente in umidità elevata; le celle fotovoltaiche perdono efficienza ad alte temperature; i raccoglitori piezoelettrici sono più efficienti in risonanza ma le vibrazioni naturali sono a banda larga. I ricercatori stanno sviluppando meccanismi di ottimizzazione adattativi, come i materiali di rigidità variabile che cambiano la costante primavera in risposta alla frequenza e i progetti a banda larga che utilizzano più modalità di risonanza.

Direzioni e Outlook futuri

Il futuro della raccolta di energia per robot morbidi è nell'integrazione e nell'intelligenza. I raccoglitori multimodali che combinano elementi solari, triboelettrici e piezoelettrici sullo stesso substrato diventeranno standard, permettendo ai robot di passare senza soluzione di continuità tra le fonti energetiche. I robot morbidi stessi saranno progettati dal terreno fino a sistemi energetici-autonomi, con ogni componente che contribuisce alla generazione di energia: la pelle raccoglie la luce, il movimento dei muscoli e la struttura interna.

I progressi nell’elettronica stampabile significano che i raccoglitori possono essere fabbricati a buon mercato con processi roll-to-roll, riducendo i costi e rendendo possibile robot morbidi monouso per la pulizia ambientale. Un’altra direzione emozionante è l’uso di energia biomeccanica dalla locomozione del robot, rendendo essenziale il movimento del robot pagare per se stesso.

Infine, la raccolta di energia consentirà una nuova classe di robot morbidi che operano per mesi o anni, trasmettendo dati periodicamente da posizioni remote, che potrebbero monitorare il cambiamento climatico nelle tubazioni artiche, ispezionare le acque profonde, cercare la vita in laghi subglaciali sulla Terra (o su Europa), e fornire la maggior parte dei relà ̈ di comunicazione resilienti nelle zone disastri.

Conclusioni

La raccolta di energia non è solo un accessorio per i robot morbidi, ma è un prerequisito per la loro distribuzione a lungo termine in ambienti remoti e inaccessibili. Le macchine Piezoelettriche, triboelettriche e solari hanno già dimostrato efficacia nei prototipi di ricerca, con metodi termoelettri, elettromagnetici e bioibridi che mostrano la promessa per le nicchie specifiche.