Mikro-robotikler, çok küçük hacimler içinde yeterince enerji üretimine olanak sağlayan hızla ilerliyor. Mikro-robotik ölçeklere doğru mikrometre ölçeğinde karmaşık görevleri yerine getirebilme yeteneğine sahip küçük robotlar yaratıyor.Bu makalede, enerji tedarikinin son derece küçük hacimlere uygun olarak, mikro-robotların mikrometre ölçeklerine doğru küçülmesine dair kısıtlamalar üst düzeye çıkıyor.

Power Supply Miniaturization'ın önemi

Güç malzemeleri her robot bileşeni için önemlidir - mikro robotları, sensörler, işlemciler ve iletişim modülleri - makro ölçekli robotlarda, bataryalar genellikle genel kitle ve hacime hükmedmektedir, ancak tasarımcılar büyük bir güç tedariki kullanmaya devam ederler, mikro-robotlar için, mevcut hacimler milimetrede ölçülmektedir ve her metre mikrometre önemlidir. Robotun iç mekanını kaplayan bir güç kaynağı diğer kritik alt sistemler için küçük odayı terk eder.

Bu ihtiyacı olan uygulamalar zorlayıcı. Tıpta, mikro robotların, mikro-mekanik sistemlere tam olarak ilaç sunabilmeleri veya mikro-rejik sistemlere (MEMS) veya hassas iş bileşenleri yapabilmeleri için kan dolaşımını sağlayabilir. Tüm bu görevlerin enerji ihtiyacı vardır - saatlerce veya sularda kirleticiler, ya da sıkılaştırma, elektrik üretimine izin vermeden, mikro-ya da küçük boşluklar için yeterince sıkı tutmaları gerekir.

Boyut ve Form Faktörü Kıtlar

Mikro-robotlar içindeki sınırlı alan sadece bataryaların fiziksel boyutları değil aynı zamanda şekline de sahiptir. Çoğu ticari bataryalar doğrudan akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar gibi cihazlar için tasarlanmıştır. Örneğin, 1 mm küpü imkansızdır.

Battery Form Faktörleri

İnce-film sağlam devlet pilleri, birim başına üretilenler gibi, ancak yüksek kapasiteli araştırmacılar için, 100 μm'nin altındaki kalınlıkları ve silikon yükleri veya esnek substratlar için depolanabilirler.Onlara güvenilir enerji yoğunluğunu sağlarlar.Daha yüksek kapasite için, araştırmacılar üç boyutlu mikrobatatları yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte mikropler için en ince diskler oluşturmak için daha iyi hale getirirler için, elektrot yüzeysel yüzeyler için yüksek çözünürlükte kalır.

Alternatif Depolama: Superkapors ve Yakıt Hücreleri

Superkapors yüksek enerji yoğunluğu ve uzun döngü yaşamı sunar, ancak enerji yoğunluğu genellikle hidrojen veya mol gibi enerji yoğunluğuna ihtiyaç duyan mikro-robotlar için karmaşıklık ve hacmin arttırılması veya anlaşılması için, süper kapasite hücreleri, silikon mikro-yakıtlı hücreler kullanılarak, kimyasal yakıtların elektrik olarak dönüştürülmesi, yüksek enerji yoğunluğuna söz verir. Ancak, karmaşıklık ve hacimleri ekleyin.

Enerji Yoğunluğu ve Kapasite

Enerji yoğunluğu - birim hacmi veya kütle başına depolanan enerji miktarı - mikro-robot gücü malzemeleri için en kritik ölçüm. Lityum-iyon aküleri hücre seviyesinde yaklaşık 250 Wh /kg enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak paketleme noktaları ile paketler, kablolar ve konutlar, bu rakam birkaç gram daha büyük bir robot için, bir bataryanın birkaç tane faal kesme hacmini gerektirmeyebilir.

Malzeme Yeniliği

Bu sınırlamaları önlemek için, araştırmacılar yeni elektrot malzemeleri araştırıyorlar. Nanoyapılı malzemeler, silikon nanoteller, grafikene ve geçiş metal dichalcogenides, bu katı-devlet elektrolitleri (örneğin, bir silikon anode grafikit) için daha fazla şarj edilebilir.

Lityum’un ötesinde, diğer kimyagerler incelenmiş ve zayıf hacimlerde yüksek teorik enerji yoğunluklarını sunabileceklerdir.3.Depresyonlar, seramik veya polimer elektrolitleri kullanarak, mikro-robotiklar için çok ince ve azaltılabilir sıvı elektrolitler, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan ve bunları ortadan kaldırabilecektir.

Power Çıkışları ile Ticaret

Enerji yoğunluğu tek bir dikkate değildir; güç yoğunluğu (enerji teslimatı için) eşit derecede önemlidir. Bir uzuv kullanarak, hızlı bir şekilde yüksek enerji tasarrufu bataryasının her görev profili için tedarik edemeyeceği bir hızla artış gerektirir.

Termal Yönetim

Tüm güç kaynakları deşarj sırasında ısı üretir ve şarj eder. Bir makroskobu sistemde, fanlar veya ısı bataklıkları hızla ve hassas elektronik veya biyolojik dokular (bir vücut içinde küçük bir oda vardır).

Mikrobattalarda ısıtılması

İç direniş Joule ısıtmasına ve bataryadaki yan tepkileri de ısı üretebilir. 1 mW'ye 1 mm3 batarya teslim etmek için, güç yoğunluğu 106 W/m3 - ısınıcısı için yeterli ısı yönetimi olmadan, batarya sıcaklığının üzerindeki on derece yükselebilir, ısıtılabilir ve potansiyel olarak ısıtılabilir.

Soğutma Stratejileri

Pasif soğutma, Kaliforniya Üniversitesi'ndeki araştırmacıların yüksek enerji mikro-tavıları için mikro-enerjik bir soğutmayı kullanarak, elmas benzeri karbon kaplamaları veya bakır mikro-dönüşümleri gibi yüksek ısıtıcı yüzeylerde, daha büyük yüzey alanlarına kanal ısıtılabilir.

Güç Yönetimi ve Kontrol

İyi tasarlanmış bir güç kaynağıyla bile, verimli kullanım kritik. Mikro-robotlar genellikle çok sınırlı enerji bütçeleriyle çalışır - bazen sadece birkaç miliwatt toplam. Her mikrojoule, bataryanın değişken gerilimini mantıksal tedarik etmek için dikkate almalıdır, sensörler ve eylemciler.Bu devreler kendilerini çok verimli bir şekilde kullanmalıdırlar.

Gerilme Yönetmeliği

Düşük performanslı (LDO) düzenleyiciler, robotun kendisi tarafından daha büyük olan ancak batarya geriliminin mantığından önemli ölçüde daha yüksek olduğu durumlarda verimsizdir. Anahtarlama düzenleyicileri (DC-DC dönüştürücüler) %90+ verimliliği elde edebilir, ancak robotun kendisi tarafından daha büyük ölçüde şarj edilebilir ve en iyi şekilde entegre edilmiş bir sürü karelik dönüştürücüyü işgal eder ve mikrorobotlar için 1.5 Vücutlu bir taşıyıcıya ihtiyaç duyar.

Enerji-Aware Computing ve Actuation

Donanımın ötesinde, kontrol yazılımı enerji kullanımını optimize edebilir. Görevli-silet - kullanım sırasındaki bileşenleri geri döndürün - bir saniye boyunca şarj eden mikro-robot için, 9 saniye boyunca geri kalanı, ortalama güç ısıtımı modülleri, mikro enerji şarj cihazları ve batarya şarjları için aynı zamanda yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olabilir (pişmanlık süreleri boyunca) gibi. Gelişmiş güç yönetimi için yüksek çözünürlükte.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Büyük büyüklükteki ve enerji kısıtlamaları göz önüne alındığında, birçok araştırmacı tek bir güç kaynağının tüm mikro-robot misyonları için yeterli olmayacağını düşünüyor. Bunun yerine, birincil depolama elementini (battery veya süper kapasiteci) enerji hasatıyla birleştiren hibrit sistemler norm haline gelecektir.

Kablosuz Güç Transfer

İndüktif veya rezonans kablosuz güç transferi, yakın bir lazer kullanarak küçük bir tele sahip olan küçük bir mikro robotu da ortaya çıkarabilir: Robotdaki bir hücreye lazer ışığı elektrikle dönüştürür.(D))

Çevreden Enerji

1. Çevre enerjisini -vücutlar, termal gradientler, ışık - bazı ortamlar için neredeyse sınırsız bir tedarik sağlıyor. Mekanik titreşimleri elektrikle dönüştürmek, iyi termoelektrik jeneratörleri (TEGs) robot ve çevresi arasındaki sıcaklık farkları kullanıyor; bir mikroskobunda sadece birkaç tane mikropüresel elektriksel diski destekleyecektir.

Hibrit Sistemler ve Entegrasyon

Nihai çözüm, bu yaklaşımların birkaçını büyük ölçüde bir araya getirecektir: küçük, ince film bataryası zirve gücü için, patlamalar için süper kapasiteye sahip, yeniden şarj için kablosuz bir alıcı ve hile için bir hasat programı, monolithically entegre mikro-robotlar için tek bir ölüm talep eden güç yönetimi, enerji toplayarak arayüzleri birleştirebilir ve kontrol mantığını kontrol eder.

Sonuç: Path Forward

Güç tedarik miniaturizasyon mikro-robotiklerin merkezi meydan okuması olarak kalır. Boyut, enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, termal yönetim ve kontrol, gerçekten otonom olan mikrorobotlar ile ilgilidir - sağlam devlet pilleri, nanoyapılı elektrotlar, daha önce çipler ve enerji hasatları ile birlikte, önümüzdeki on yıl boyunca, gerçekten de robotik makineler arasında işbirliği içinde devam eden mikro robotları görmeyi bekleyebiliriz.