Микророботы - это быстро развивающаяся область, которая включает в себя создание крошечных роботов, способных выполнять сложные задачи в субмиллиметровых или миллиметровых масштабах. Одним из наиболее стойких узких мест в этой области является миниатюризация источников питания, чтобы соответствовать чрезвычайно малым объемам, обеспечивая при этом достаточную выходную мощность для значимой работы. По мере того, как микророботы сжимаются от сантиметровой шкалы к шкале микрометра, ограничения на источники питания становятся экспоненциально более серьезными. В этой статье рассматриваются инженерные проблемы миниатюризации источника питания, современное состояние техники и новые решения, которые обещают раскрыть весь потенциал микророботов для приложений, начиная от медицинских процедур до зондирования окружающей среды.

Важность миниатюризации энергоснабжения

Поставки энергии необходимы для каждого компонента робота — приводов, датчиков, процессоров и модулей связи — для функционирования. В макро-масштабных роботах батареи часто доминируют над общей массой и объемом, но дизайнеры имеют гибкость для использования больших, тяжелых блоков питания. Для микророботов доступный объем измеряется в кубических миллиметрах, и каждый кубический микрометр имеет значение. Источник питания, занимающий половину интерьера робота, оставляет мало места для других критических подсистем. Следовательно, достижение жизнеспособного источника питания часто является решающим фактором между рабочим прототипом и простой демонстрацией.

Приложения, которые стимулируют эту потребность, убедительны. В медицине микророботы могут перемещаться по кровотоку, чтобы доставлять лекарства именно к опухолям, очищать артериальные закупорки или выполнять микрохирургию. В мониторинге окружающей среды рои крошечных роботов могут ощущать загрязняющие вещества в почве или воде или проверять структурную целостность мостов. В производстве микророботы могут собирать микроэлектромеханические системы (MEMS) или обрабатывать деликатные компоненты. Все эти миссии требуют энергии - часто в течение часов или дней - но робот должен оставаться достаточно маленьким, чтобы получить доступ к тесным пространствам. Без значительных достижений в миниатюризации электроснабжения эти приложения остаются научной фантастикой.

Ограничения размера и форм-фактора

Ограниченное пространство внутри микророботов ограничивает не только физические размеры батарей, но и их форму. Большинство коммерческих батарей цилиндрические или призматические, предназначенные для таких устройств, как смартфоны и ноутбуки. Адаптация этих форм-факторов к роботу, который является, например, кубом размером 1 мм, невозможна. Инженеры должны вместо этого полагаться на тонкопленочные батареи индивидуальной формы, микробатарей, изготовленных непосредственно на подложках чипов, или новые форм-факторы, такие как свернутые или сложенные слои.

Факторы формы батареи

Тонкие твердотельные батареи, такие как те, которые производятся корпорацией Cymbet, предлагают толщину ниже 100 мкм и могут быть отложены на кремниевые пластины или гибкие подложки. Они обеспечивают надежную плотность энергии на единицу площади, но ограниченную общую емкость. Для более высокой емкости исследователи изготавливают трехмерные микробатарейные батареи с использованием глубокого реактивного ионного травления для создания массивов высокоактивных ионных колонн, увеличивая площадь поверхности электрода в пределах заданного следа. Такие компании, как [[FLT: 2]]STMicroelectronics [[FLT: 3]] продемонстрировали интегрированные тонкопленочные батареи для узлов IoT, но масштабирование до микроробототехники остается сложной задачей.

Альтернативное хранение: суперконденсаторы и топливные элементы

Суперконденсаторы предлагают высокую плотность мощности и длительный срок службы, но их плотность энергии обычно на порядок ниже, чем у батарей. Для микророботов, которым нужны всплески мощности (например, для прыжков или захвата), суперконденсаторы могут дополнять батареи. Микротопливные элементы, которые преобразуют химическое топливо, такое как водород или метанол, в электричество, обещают высокую плотность энергии, независимую от условий окружающей среды. Однако они требуют систем хранения и управления топливом, которые добавляют сложность и объем. Недавние работы над микротопливными ячейками на чипе с использованием кремниевой микрообработки показали потенциал, но системная интеграция остается препятствием.

Энергоемкость и емкость

Плотность энергии — количество энергии, хранящейся на единицу объема или массы — является наиболее важной метрической величиной для источников питания микророботов. Литий-ионные батареи имеют плотность энергии примерно 250 Втч / кг на уровне ячейки, но при упаковке с защитными цепями, разъемами и корпусом эта цифра значительно падает. Для робота с общей массой в несколько граммов, аккумулятору может потребоваться доставить несколько ватт-часов. Масштабирование обычных литий-ионных ячеек не просто, потому что накладные расходы на упаковку не масштабируются линейно; ячейка размером 1 мм2 может потребовать того же металлического корпуса, что и большая ячейка, потребляя непропорционально большой объем.

Материальные инновации

Чтобы обойти эти ограничения, исследователи изучают новые электродные материалы. Наноструктурированные материалы, такие как кремниевые нанопровода, графен и дихалькогениды переходных металлов, могут хранить больше ионов лития на единицу объема, чем обычные графитовые аноды. Например, кремниевый анод теоретически может достигать в десять раз большей емкости графита, но он резко раздувается во время цикла, вызывая механический отказ. Тонкие пленки могут смягчить это, а прогресс в твердотельных электролитах (например, литий-фосфат оксинитрид, LiPON) позволяет тонкие, безопасные батареи, которые могут быть интегрированы непосредственно на чипы.

Помимо литий-ионных, исследуются другие химические вещества. Литий-серные батареи предлагают высокую теоретическую плотность энергии, но страдают от растворения полисульфида. Твердотельные батареи, используя керамические или полимерные электролиты, могут быть сделаны очень тонкими и устраняют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, повышая безопасность и позволяя укладывать в плотные объемы. Обзор 2022 года в Материалы для обзоров природы выделил твердотельные микробатарей в качестве ключевого активатора для микророботиков, с прототипами, достигающими 500 Втч / л на уровне ячеек.

Торговля с выходом электроэнергии

Плотность энергии - не единственное соображение; плотность мощности (скорость доставки энергии) одинаково важна. Микророботу, которому необходимо быстро привести в действие конечность, может потребоваться скачок тока, который батарея высокой плотности энергии не может подавать без провисания напряжения. Тонкие пленочные батареи часто имеют высокое внутреннее сопротивление, ограничивая пиковый ток. Интеграция суперконденсаторов или использование гибридных архитектур может преодолеть разрыв, но это добавляет объем. Дизайнеры должны тщательно балансировать компромисс между энергией и мощностью для каждого профиля миссии.

Термический менеджмент

Все источники энергии вырабатывают тепло во время разряда и зарядки. В макроскопической системе вентиляторы или радиаторы могут рассеивать это тепло, но в микророботе мало места для активного охлаждения и еще меньше для конвективного воздушного потока. Тепловая постоянная времени микромасштабной структуры очень коротка, а это означает, что горячие точки могут быстро образовываться и повреждать чувствительную электронику или биологические ткани (если робот находится внутри тела).

Теплогенерация в микробатарейках

Внутреннее сопротивление вызывает нагревание Джоуля, а побочные реакции в батарее также могут производить тепло. Для батареи 1 мм3, обеспечивающей 1 мВт, плотность мощности составляет 106 Вт / м3 - сопоставима с тепловым потоком в компьютерном чипе. Без адекватного управления температурой температура батареи может повышаться на десятки градусов Цельсия выше окружающей среды, ускоряя деградацию и потенциально вызывая тепловой бег. Твердотельные батареи помогают, потому что они более термически стабильны, но они все еще требуют термических путей.

Охлаждающие стратегии

Пассивное охлаждение через проводимость является наиболее жизнеспособным подходом: использование структурной рамы робота в качестве теплораспределителя. Материалы с высокой теплопроводностью, такие как алмазоподобные углеродные покрытия или медные микро-покрытия, могут направлять тепло в более крупные поверхностные области. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали микроканальное жидкое охлаждение для мощных микро-устройств, но интеграция насосов и контуров охлаждающей жидкости в микро-робот добавляет сложность. Материалы фазового изменения (например, парафиновый воск), которые плавят и поглощают тепло, являются еще одним вариантом, но они увеличивают массовый бюджет. Для медицинских микро-роботов окружающие телесные жидкости могут действовать как теплоотвод, но это требует тщательного контроля, чтобы избежать повреждения тканей.

Управление и контроль электроэнергетики

Даже при хорошо спроектированном источнике питания, эффективное использование имеет решающее значение. Микророботы часто работают с очень ограниченным энергетическим бюджетом — иногда всего несколько милливатт. Каждый микроджоуль должен учитываться. Схемы управления питанием преобразуют переменное напряжение батареи в стабильные рельсы питания для логики, датчиков и исполнительных механизмов. Эти схемы сами потребляют энергию, поэтому они должны быть очень эффективными в широком диапазоне токов нагрузки.

Регулирование напряжения

Регуляторы с низким уровнем выпадения (LDO) просты, но неэффективны, когда напряжение батареи значительно выше логического напряжения. Регуляторы переключения (преобразователи DC-DC) могут достигать 90% + эффективности, но требуют индукторов и конденсаторов, которые часто больше, чем сам робот. Последние достижения в интегрированных конвертерах с коммутируемым конденсатором, построенных на чипе, позволяют преобразование напряжения без громоздких магнитов. Например, 2-фазный интерлейвированный коммутируемый конденсаторный преобразователь может быть изготовлен в субмикрометровом процессе CMOS и занимает всего несколько квадратных миллиметров. Такие конструкции необходимы для микророботов, которые полагаются на одну батарею 1,5 В, но нуждаются в ядре 0,8 В и источнике привода 3 В.

Энерго-осознающие вычисления и актуация

Помимо аппаратного обеспечения, программное обеспечение управления может оптимизировать использование энергии. Обязанность-велосипедирование - выключение компонентов, когда они не используются - может значительно продлить срок службы батареи. Для микроробота, который ползает в течение одной секунды, а затем отдыхает в течение девяти секунд, средняя мощность падает на порядок. Модули сбора энергии также могут быть сопряжены с блоком управления питанием, чтобы пополнить батарею в периоды простоя. Расширенные ИС управления питанием, такие как TI BQ25570 , интегрировать преобразователи повышения и зарядку батареи для сбора микроэнергии, хотя их площадь (3 мм × 3 мм) может быть большой для субмиллиметровых роботов.

Будущие направления и новые технологии

Учитывая жесткие ограничения по размеру и энергии, многие исследователи считают, что ни одного источника питания не будет достаточно для всех миссий микророботов. Вместо этого гибридные системы, сочетающие основной элемент хранения (батарея или суперконденсатор) с уборкой энергии, станут нормой. Три новые технологии особенно перспективны.

Беспроводная передача энергии

Индуктивная или резонансная беспроводная передача энергии может поставлять энергию микророботам без бортовых батарей, достаточно больших для полной миссии. В медицинских приложениях внешняя катушка может создавать магнитное поле, которое соединяется с крошечной приемной катушкой внутри робота. Также было продемонстрировано оптическая мощность, излучаемая с помощью ближне-инфракрасных лазеров: фотоэлектрическая ячейка на роботе преобразует лазерный свет в электричество. Недавно спектр IEEE недавно покрыл микроробот, который получает 100 мВт на расстоянии нескольких метров с помощью резонансной полости. Основная задача - выравнивание передатчика и приемника и преодоление препятствий, блокирующих линию видимости.

Уборка энергии из окружающей среды

Сбор энергии окружающей среды — вибрации, тепловые градиенты, свет — может обеспечить почти неограниченное количество энергии для некоторых сред. Пьезоэлектрические комбайны, которые преобразуют механические вибрации в электричество, хорошо изучены и могут быть изготовлены в форме MEMS. Консольный луч, покрытый PZT (свинцовый цирконат титанат) может генерировать десятки микроватт от вибраций пола (например, в здании). Термоэлектрические генераторы (TEG) используют температурные различия между роботом и его окружением; 5 К-градиент через микро-TEG может дать несколько микроватт. Фотоэлектрические элементы на поверхности робота могут собирать свет в помещении при температуре около 10 мкВт / см2. Для робота 1 мм2, что составляет всего 0,1 мкВт, но тщательное энергоснабжение может все еще поддерживать прерывистую работу. Исследование 2023 года в Прикладная энергия продемонстрировал субмиллиметровый робот, питаемый исключительно пьезоэлектрическим комбайном MEMS и тонко

Гибридные системы и интеграция

Конечное решение, вероятно, объединит несколько из этих подходов: небольшая тонкопленочная батарея для пиковой мощности, суперконденсатор для всплесков, беспроводной приемник для подзарядки и комбайн для зарядки ручейка. Технология System-on-chip (SoC) может интегрировать управление питанием, интерфейс сбора энергии и логику управления на одном кристалле. Такие усилия, как программа DARPA Shrinking Robots DARPA Shrinking Robots , инвестируют в монолитно интегрированных микророботов с бортовой мощностью. Такая интеграция требует кооптимизации источника питания, исполнительных механизмов и управления, разрушая традиционные дисциплинарные силосы.

Оригинальное название: The Path Forward

Миниатюризация электроснабжения остается центральной проблемой микророботов. Ограничения размера, плотности энергии, плотности мощности, управления и контроля взаимосвязаны и направлены против фундаментальных ограничений материалов и производства. Однако быстрый прогресс в твердотельных батареях, наноструктурированных электродах, электронике на чипе и методах сбора энергии предлагает четкий путь вперед. В течение следующего десятилетия мы можем ожидать увидеть микророботов, которые действительно автономны - способны работать в течение нескольких часов без привязи, перемещаясь по человеческому телу или промышленной инфраструктуре. Достижение этого потребует постоянного междисциплинарного сотрудничества между учеными-материалистами, инженерами-электриками и робототехниками. Награды - новое поколение крошечных, несвязанных машин, которые могут лечить, контролировать и строить в ранее невозможных масштабах - стоят усилий.