Технологии сбора энергии для питания мягких роботов в удаленной среде
Критическая потребность в устойчивой энергии в удаленных мягких роботах
Мягкие роботы — машины, построенные из совместимых материалов, таких как силиконы, гидрогели или полимеры с памятью формы — уникально подходят для экстремальных отдаленных сред, где не работают жесткие роботы. В сокрушительных глубинах Марианской впадины, вакууме низкой околоземной орбиты, радиоактивных обломках ядерной катастрофы или смещающемся льду Арктики, мягкие роботы могут соответствовать нерегулярным поверхностям, протискиваться через узкие проходы и выдерживать большие деформации, не ломаясь. Тем не менее, их величайшее обещание — это также их самая большая слабость: мощность. Обычные литий-ионные батареи громоздки, жесткие и имеют конечную плотность энергии, которая ограничивает продолжительность миссии до часов или дней. В местах, где люди не могут идти, замена или подзарядка батарей часто невозможна. Уборка энергии — преобразование окружающей среды в полезную электрическую энергию — предлагает преобразующий путь к действительно автономным, длительным мягким роботизированным операциям.
Источники энергии, доступные в отдаленных условиях, разнообразны: механические вибрации от океанских течений или сейсмической активности, тепловые градиенты вблизи гидротермальных вентиляционных отверстий, электромагнитное излучение от солнечного света, даже биохимические реакции в почве или морской воде. Интегрируя компоненты, собирающие энергию, непосредственно в мягкое тело робота, дизайнеры могут устранить необходимость в тяжелых, жестких силовых установках и создать машины, которые являются автономными, легкими и бесконечно адаптируемыми. Исследования в этой области ускорились за последнее десятилетие, обусловленные достижениями в гибкой электронике, наноструктурированных материалах и мультимодальной конверсии энергии. В этой статье исследуются наиболее перспективные методы сбора энергии для мягких роботов в отдаленных средах, их текущие ограничения и инновации, готовые сделать самоподдерживающуюся мягкую робототехнику реальностью.
Основы сбора энергии для мягкой робототехники
Для сбора энергии для мягких роботов требуются системы, которые механически гибки, химически совместимы с мягкими материалами и эффективны при низкой плотности энергии. В отличие от обычных жестких комбайнов (например, ветряных турбин или солнечных панелей), мягкие комбайны должны растягиваться, изгибаться и скручиваться без потери производительности. Собранная энергия обычно имеет низкую мощность - от микроватт до милливатт - но достаточна для датчиков, беспроводной связи и прерывистого приведения в действие. Большинство мягких роботизированных систем соединяют комбайн с небольшим элементом хранения (суперконденсатор или тонкопленочная батарея) для сглаживания прерывистого питания и обеспечения всплесков мощности для перемещения или передачи данных. Ключевыми показателями являются плотность мощности (мощность на единицу объема или массы), эффективность в реалистичных условиях окружающей среды и долговечность в течение миллионов циклов.
В мягких роботах успешно продемонстрировали три первичных энергосберегающих механизма: пьезоэлектрический, трибоэлектрический и фотоэлектрический. Также появляются электромагнитные и термоэлектрические методы, хотя их жесткие компоненты часто требуют творческих архитектурных решений для поддержания мягкости. Каждый подход мы подробно рассмотрим ниже.
Пьезоэлектрический сбор урожая: захват механического вибрации
Пьезоэлектрические материалы, такие как поливинилиден фторид (PVDF), свинцовый цирконат титанат (PZT) керамика или нанопровода оксида цинка, генерируют электрический потенциал при механической деформации. В мягких роботах эти материалы встраиваются в виде тонких пленок, волокон или композитов в теле робота. Когда робот подвергается повторяющимся механическим стимулам, таким как волновое движение, трепет ветра или вибрация движущегося транспортного средства, пьезоэлектрические элементы производят переменный ток, который можно исправить и сохранить.
Например, исследователи построили мягкую роботизированную рыбу, которая плавает с использованием хвостового плавника, приводимого в действие сплавом с памятью формы. Путем встраивания полос PVDF вдоль поверхности плавника, рыба может собирать энергию от пассивного изгиба плавника, когда она движется через воду. В пустынях или ветреных средах мягкие роботы, напоминающие сорняки, использовали пьезоэлектрические консольные трубы для получения энергии от качения и отскока. Знаковое исследование в Научная робототехника продемонстрировала мягкого робота, который может ходить и собирать энергию одновременно от деформации своих собственных ног, достигая чистого положительного энергетического бюджета на низких частотах (~1 Гц). Внешние ссылки на эту работу обеспечивают доказательства осуществимости: «Мягкий робот с самоподдерживающимся зондированием и приведением в действие » и более широкий обзор в
Проблемы остаются. Большинство пьезоэлектрических керамических изделий хрупкие; встраивание их в мягкие полимеры снижает их коэффициент сцепления. Гибкий PVDF имеет более низкую выходную мощность за цикл. Исследователи изучают композиционные материалы (например, частицы PZT, диспергированные в силиконе) и многослойные конструкции для повышения мощности без ущерба для соответствия. Частотная настройка также имеет решающее значение: комбайн должен резонировать на доминирующей частоте вибрации окружающей среды, которая может смещаться с температурой или повреждением.
Трибоэлектрический сбор: мощность, управляемая трением
Трибоэлектрические наногенераторы (TENG) используют электрификацию контакта между двумя непохожими материалами. Когда пара материалов (например, силикон и нейлон, или PTFE и алюминий) вступают в контакт, а затем разделяются, электроны переносят через интерфейс, создавая разницу потенциалов. В мягких роботах TENG могут быть интегрированы в виде тонких, гибких слоев, которые скользят, нажимают или тереться друг о друга во время нормального движения робота - например, ползают, захватывают или надувают. Поскольку материалы недороги, а структуры просты в изготовлении, TENG стали фаворитом для недорогого сбора энергии в удаленных условиях.
Одним из убедительных примеров является мягкий захват, который собирает энергию каждый раз, когда он захватывает объект. Пальцы захвата выложены трибоэлектрическими слоями; каждое сокращение генерирует небольшой заряд, который питает датчик температуры или давления. В глубоководном контексте мягкий робот, оснащенный TENG, может генерировать энергию от дифференциала давления, вызванного океанскими течениями или периодическим сжатием плавучего пузыря. В статье 2022 года в Advanced Energy Materials сообщается о мягком роботе на основе TENG, который работал под водой в течение 30 дней без какой-либо внешней батареи, используя только энергию от волнового движения и собственного волнового плавательного хода. Вы можете прочитать больше о трибоэлектрических принципах в этой доступной статье: «Трибоэлектрические наногенераторы для мягкой робототехники: от основ до приложений».
Основным недостатком TENG является их высокое внутреннее сопротивление и низкая выходная мощность тока, что делает их наиболее подходящими для питания электроники сверхнизкой мощности (датчики, передатчики). Схемы управления мощностью должны тщательно соответствовать нагрузке. Кроме того, производительность TENG ухудшается во влажных средах из-за утечки заряда, хотя новые гидрофобные покрытия и инкапсулированные конструкции смягчают эту проблему. Для космических применений, где влажность не вызывает беспокойства, TENG демонстрируют исключительные перспективы, потому что они могут собирать энергию от солнечного ветра или механического движения подвески ровера.
Солнечный сбор: гибкая фотоэлектрика для солнечных сред
Фотоэлектрические (PV) элементы являются наиболее зрелой технологией сбора энергии, и недавние достижения в тонкопленочной и органической фотоэлектрике сделали их совместимыми с мягкими роботизированными подложками. Гибкие солнечные элементы на основе перовскитов, органических полимеров или титана с чувствительностью к красителям могут быть ламинированы на мягкие поверхности без значительного их жесткости. Мягкий робот, работающий в залитой солнцем пустыне, на поверхности океана или на Луне, может поддерживать непрерывную мощность до тех пор, пока доступен свет.
Знаковое приложение — мягкий роботизированный ровер, предназначенный для исследования Луны. Его гибкая солнечная кожа покрывает все его тело, позволяя ему питать его электронику и двигатели в течение лунного дня. Поскольку кожа деформируема, ровер может складываться в компактную конфигурацию запуска, а затем разворачиваться при посадке. На Земле исследователи создали мягких роботов, которые плавают на воде, используя прозрачные силиконовые тела со встроенными органическими фотоэлементами. Эти роботы могут выполнять экологический мониторинг при сборе солнечной энергии. Ключевым ресурсом на гибкой солнечной интеграции является этот подробный обзор от : : «Гибкая фотоэлектрика для мягкой робототехники».
Солнечная уборка имеет два принципиальных ограничения: она требует света, а эффективность гибких ячеек (обычно 10-15%) ниже, чем у жестких кремниевых ячеек (~22-24%). Для глубоководных или пещерных сред солнечная не жизнеспособна. Однако были предложены гибридные системы, которые сочетают солнечную энергию с вибрационными комбайнами, поэтому робот может работать как на солнечном свете, так и в тени. Еще одна проблема - хрупкость некоторых тонкопленочных ячеек; повторяющийся изгиб может вызвать микротрещины. Инкапсуляция в самозаживляющихся полимерах является перспективным решением в рамках активного исследования.
Новые методы: термоэлектрический, электромагнитный и биогибридный сбор урожая
Помимо трех основных методов, несколько других механизмов заслуживают упоминания для нишевых удаленных приложений.
Термоэлектрические генераторы (TEG) преобразуют перепады температур в электрическое напряжение через эффект Зеебека. В средах с сильными тепловыми градиентами, такими как вблизи геотермальных вентиляционных отверстий, внутри корпуса космического корабля или по поверхности ледника, ТЭГ могут обеспечить устойчивую мощность. Недавние работы позволили получить гибкие ТЭГ с использованием печатных висмут-теллуридных нанопроводов на полимерных пленках, которые могут быть обернуты вокруг тела мягкого робота. Однако выходная мощность, как правило, низкая (десятки микроватт на кельвин), что делает ТЭГ лучшими для датчиков струйной зарядки или операций с низким циклом.
Электромагнитные комбайны полагаются на движущийся магнит и катушку для генерации тока от движения. В то время как обычно жесткие, исследователи встроили небольшие редкоземельные магниты в мягкий силикон и гибкую медную проволоку вдоль сустава робота. Относительное движение между магнитом и катушкой во время ходьбы или плавания вызывает ток. Эти системы могут производить более высокую мощность, чем TENG (милливатты), но требуют больше места и могут быть затронуты внешними магнитными полями.
Биогибридные комбайны используют микробные топливные элементы (МФУ), которые генерируют электричество из органических веществ, присутствующих в почве, воде или отходах. Мягкий робот, который зарывается в осадок или плавает в загрязненной реке, может использовать МФУ, интегрированный в его поверхность. Микробы разрушают органические соединения, высвобождая электроны, которые захватываются анодом. В то время как плотность мощности очень низкая (микроватты на квадратный сантиметр), МФУ могут работать непрерывно в течение многих лет, что делает их идеальными для долгосрочного мониторинга окружающей среды в изоляции.
Стратегии сбора энергии, ориентированные на окружающую среду
Ни одна методика сбора энергии не работает оптимально везде. Выбор зависит от конкретного энергетического ландшафта удаленной среды. Ниже мы рассмотрим три архетипических удаленных настроек: глубокий океан, космическое пространство и зоны бедствия.
Глубокий океан: трибоэлектрическое и пьезоэлектрическое господство
Глубокий океан темный, холодный и под огромным давлением. Солнечная энергия недоступна, а термоэлектрические градиенты малы. Однако механическая энергия в изобилии: океанские течения, волновое движение и внутренние изменения давления, вызванные плаванием или погружением. Трибоэлектрические и пьезоэлектрические комбайны идеальны, потому что они не требуют света и могут быть построены из материалов, которые выдерживают высокое давление и коррозионную соленую воду. Исследователи разработали мягкую роботизированную рыбу и медузу, которые используют TENG, встроенные в их желатиновые колокола, для сбора энергии от каждого импульса. Примечательным примером является мягкий робот, который может нырять до 1000 метров и генерировать достаточную мощность от разницы давления во время подъема, чтобы подзарядить небольшую батарею. Внешняя связь с исследованием морской робототехники: «Самоуправляемый мягкий робот для глубоководного наблюдения».
Космическое пространство: Solar Plus Triboelectric для маломощных операций
В космосе Солнце обеспечивает устойчивый поток фотонов (~1,36 кВт/м2 на околоземной орбите). Гибкие солнечные элементы могут покрывать всю поверхность мягкого робота, но вакуум, экстремальный тепловой цикл и излучение требуют надежной инкапсуляции. Для лунных или марсианских поверхностей солнечная энергия является основным вариантом. Кроме того, трибоэлектрический сбор может захватывать энергию от механического движения частиц пыли (трибоэлектрический эффект реголита) или от механизмов развертывания самого робота. NASA финансировало исследования мягких роботов, которые собирают энергию от вибрации шасси или от сгибания надувных структур. Сочетание солнечной и трибоэлектрической обеспечивает избыточность и может продлить работу в лунную ночь (где жизнеспособным остается только TENG или аккумуляторное хранилище).
Опасные зоны бедствий: мультимодальное сбор урожая
Зоны бедствия, такие как завалы землетрясений, места ядерного взрыва или разрушенные шахты, являются хаотичными и энергосберегающими средами. Свет может быть заблокирован, тепловые градиенты непредсказуемы, но механические вибрации от подземных толчков или движущегося мусора являются обычным явлением. Мягкие роботы, которые могут ползать, сжиматься и подниматься, нуждаются в энергоуборочных комбайнах, которые чрезвычайно надежны и не полагаются на один источник. Гибридные системы - например, объединение фотоэлектрических элементов (если какой-либо свет проникает) с пьезоэлектрическими и трибоэлектрическими слоями - предлагают наилучшие шансы на поддержание мощности. Мягкий робот может заряжать свой суперконденсатор, будучи потрясенным мусором, а затем использовать накопленную энергию для перемещения и обнаружения опасных химических утечек. Недавняя работа из IEEE Транзакции на робототехнике описывает мягкого робота, который может выжить, будучи раздавленным и все еще собирать энергию от циклического сжатия его тела: [FLT
Ключевые проблемы и новые решения
Несмотря на десятилетия прогресса, перед мягкими роботами остаются несколько фундаментальных проблем, которые могут полагаться исключительно на собранную энергию для длительных миссий.
Энергосбережение и управление электроэнергией
Собранная мощность обычно прерывистая и низкая. Мягкие роботы нуждаются в эффективном хранении - тонкопленочных литиевых батареях или суперконденсаторах, которые могут сгибаться с телом. Современные гибкие суперконденсаторы имеют плотность энергии около 10-20 Втч / кг, намного ниже жесткого литий-ионного (~ 200 Втч / кг). Исследователи изучают твердотельные электролиты и углеродно-нанотрубные электроды для увеличения мощности без ущерба для гибкости. Схемы управления мощностью должны быть сами по себе маломощными и способными обрабатывать переменный вход из нескольких типов комбайнов. Отслеживание максимальной мощности (MPPT) для солнечных комбайнов TENG и PZT является активной областью исследований встроенных систем.
Материальная долговечность и усталость
Мягкие роботы испытывают повторяющуюся деформацию в течение миллионов циклов. Пьезоэлектрическая керамика трескается, трибоэлектрические слои изнашиваются, а солнечные элементы деламинатируют. Самоисцеляющиеся полимеры и динамические ковалентные связи позволяют некоторым материалам самостоятельно восстанавливать микротрещины. Исследование 2023 года в Nature Materials продемонстрировало самоисцеляющийся пьезоэлектрический композит, который поддерживал 90% своего выхода после 100 000 циклов изгиба. Кроме того, инкапсулирование комбайнов в защитных слоях (например, париленовые покрытия для подводного использования) продлевает срок службы.
Эффективность в реальных условиях
Лабораторные тесты редко соответствуют реальным условиям. Например, производительность TENG резко падает при высокой влажности; фотоэлектрические элементы теряют эффективность при высоких температурах; пьезоэлектрические комбайны наиболее эффективны при резонансе, но естественные вибрации являются широкополосными. Исследователи разрабатывают адаптивные механизмы настройки, такие как материалы с переменной жесткостью, которые изменяют постоянную пружины в ответ на частоту, и широкополосные конструкции, которые используют несколько резонансных режимов. Алгоритмы машинного обучения могут оптимизировать извлечение энергии в режиме реального времени, регулируя электрическую нагрузку на основе датчиков окружающей среды.
Будущие направления и перспективы
Будущее сбора энергии для мягких роботов лежит в интеграции и интеллекте. Мультимодальные комбайны, которые сочетают солнечные, трибоэлектрические и пьезоэлектрические элементы на одной подложке, станут стандартными, позволяя роботам плавно переключаться между источниками энергии. Сами мягкие роботы будут проектироваться с нуля как энергоавтономные системы, причем каждый компонент будет способствовать выработке энергии: кожа собирает свет, мышцы собирают движение, а внутренняя структура хранит энергию в качестве структурного суперконденсатора.
Достижения в области печатной электроники означают, что комбайны могут быть изготовлены дешево в масштабе с использованием процессов рулон-к-ролл, снижения стоимости и обеспечения возможности одноразовых мягких роботов для очистки окружающей среды. Еще одним захватывающим направлением является использование биомеханической энергии от собственного передвижения робота - по сути, заставляя движение робота платить за себя. Современные мягкие роботы могут возвращать до 30% энергии, используемой при приведении в действие, но теоретические ограничения предполагают, что 50% или более возможно с оптимизированными материалами.
Наконец, сбор энергии позволит новому классу «развернуть и забыть» мягких роботов, которые работают в течение месяцев или лет, периодически передавая данные из отдаленных мест. Эти роботы могут отслеживать изменение климата в Арктике, инспектировать глубоководные трубопроводы, искать жизнь в подледниковых озерах на Земле (или на Европе) и обеспечивать устойчивые реле связи в зонах бедствий. Сближение науки о мягких материалах, гибкой электроники и технологии преобразования энергии открывает эти возможности, делая видение самоуправляемых мягких роботов, работающих в самых экстремальных местах на Земле и за пределами ощутимой инженерной реальности.
Заключение
Уборка энергии — это не просто аксессуар для мягких роботов — это предпосылка для их долгосрочного развертывания в отдаленных и недоступных средах. Пьезоэлектрические, трибоэлектрические и солнечные уборки уже доказали свою эффективность в исследовательских прототипах, с термоэлектрическими, электромагнитными и биогибридными методами, демонстрирующими перспективность для конкретных ниш. Ключ к практическим системам заключается в гибридизации нескольких методов, повышении плотности хранения и разработке материалов, которые могут выдерживать экстремальные условия, не нарушая их. Поскольку текущие исследования решают эти проблемы, мягкие роботы скоро смогут извлекать всю необходимую им энергию из окружающего мира, работая независимо в течение недель, месяцев или даже лет. От глубокого моря до глубокого космоса эти совместимые машины будут исследовать, контролировать и действовать — на основе окружающей среды, которую они предназначены для исследования.