Inženjeri MIT-a razvili su revolucionarnu mikrorazmjernu bateriju za autonomnu robotiku

Područje mikrorazmjerne robotike dugo se bori s temeljnim izazovom: kako osigurati dovoljnu snagu autonomnim uređajima koji su dovoljno mali da se kreću unutar ljudskog tijela ili industrijskih cjevovoda. Tradicionalni izvori energije bili su preveliki ili neučinkoviti za takve primjene, ograničavajući potencijal ovih minijaturnih čuda. Međutim, a prijelomni razvoj s Massachusetts Institute of Technology (MIT) obećava da će prevladati ovu prepreku, potencijalno uvodeći novu eru mikrorazmjerna robotika.

Inženjeri s MIT-a dizajnirali su bateriju tako malu da se može mjeriti s debljinom ljudske vlasi, a opet dovoljno snažnu da napaja autonomne mikro-robote. Ova bi inovacija mogla transformirati područja u rasponu od zdravstvene skrbi do industrijskog održavanja, nudeći neviđene mogućnosti za ciljane intervencije i inspekcije u prije nepristupačnim okruženjima.

Moć minijaturizacije

Nova baterija koju je razvio MIT pomiče granice minijaturizacije do nevjerojatnih krajnosti. S dužinom od samo 0.1 milimetara i debljinom od 0.002 milimetra, ovaj je izvor energije jedva vidljiv golim okom. Unatoč svojoj minijaturnoj veličini, baterija ima značajnu snagu, sposobna je generirati do 1 volt električne energije — dovoljno za napajanje malih krugova, senzora ili pokretača.

Ključ funkcionalnosti ove baterije leži u njenom inovativnom dizajnu. Koristi kisik iz okolnog zraka za oksidaciju cinka, stvarajući električnu struju. Ovaj pristup omogućuje bateriji da funkcionira u različitim okruženjima bez potrebe za vanjskim izvorima goriva, što je ključni faktor za autonomni rad u različitim okruženjima.

U usporedbi s postojećim rješenjima za napajanje sićušnih robota, MIT baterija predstavlja značajan korak naprijed. Prethodni pokušaji napajanja mikrorazmjernih uređaja često su se oslanjali na vanjske izvore energije, poput lasera ili elektromagnetskih polja. Iako učinkovite u kontroliranim okruženjima, ove su metode ozbiljno ograničavale domet i autonomiju robota. Nova baterija, nasuprot tome, pruža unutarnji izvor napajanja, uvelike proširujući potencijalne primjene i operativni opseg mikrorobota.

Oslobađanje autonomnih mikrorobota

Razvoj ove mikrorazmjerne baterije označava ključni pomak u polju robotike, posebno u području autonomnih mikro-uređaja. Integrirajući izvor energije izravno u ove malene strojeve, istraživači sada mogu zamisliti istinski neovisne robotske sustave sposobne za rad u složenim okruženjima stvarnog svijeta.

Ova poboljšana autonomija stoji u oštroj suprotnosti s onim što istraživači nazivaju "marionetskim" sustavima - mikro-roboti koji ovise o vanjskim izvorima energije i kontrolnim mehanizmima. Iako su takvi sustavi pokazali impresivne mogućnosti, njihovo oslanjanje na vanjske ulaze ograničava njihove potencijalne primjene, posebno u teško dostupnim ili osjetljivim okruženjima.

Michael Strano, profesor kemijskog inženjerstva na MIT-u i glavni autor studije, naglašava transformativni potencijal ove tehnologije: „Mislimo da će ovo biti vrlo korisno za robotiku. Ugrađujemo robotske funkcije u bateriju i počinjemo spajati te komponente u uređaje.“

Sposobnost napajanja različitih komponenti, uključujući aktuatore, memristore, satne krugove i senzore, otvara široku lepezu mogućnosti za ove mikro-robote. Mogli bi se potencijalno kretati kroz složena okruženja, obrađivati ​​informacije, pratiti vrijeme i reagirati na kemijske podražaje—sve unutar faktora oblika dovoljno malog da se uvede u ljudsko tijelo ili industrijske sustave.

Potencijalne primjene

Od zdravstvene zaštite do industrijskog održavanja, potencijalne primjene ove tehnologije jednako su raznolike koliko i revolucionarne.

Medicinske granice

Tehnologija baterija na mikromjerama otvara uzbudljive mogućnosti u medicinskom polju, posebice u ciljanoj isporuci lijekova. Istraživači predviđaju postavljanje sićušnih robota na baterije unutar ljudskog tijela za transport i ispuštanje lijekova na određenim mjestima. Ovaj bi pristup mogao revolucionirati tretmane za različita stanja, potencijalno poboljšavajući učinkovitost uz smanjenje nuspojava povezanih sa sustavnom primjenom lijekova.

Osim dostave lijekova, ovi bi mikroroboti mogli omogućiti nove oblike minimalno invazivne dijagnostike i intervencija. Na primjer, mogu se koristiti za prikupljanje uzoraka tkiva, uklanjanje začepljenja u krvnim žilama ili pružanje praćenja unutarnjih organa u stvarnom vremenu. Sposobnost napajanja senzora i odašiljača na ovoj razini također bi mogla dovesti do naprednih implantabilnih medicinskih uređaja za kontinuirano praćenje zdravlja.

Industrijske inovacije

U industrijskom sektoru, primjene ove tehnologije jednako su obećavajuće. Jedna od najneposrednijih potencijalnih upotreba je otkrivanje curenja plinovoda. Minijaturni roboti napajani ovim baterijama mogli bi se kretati kroz složene cjevovodne sustave, identificirajući i locirajući curenje s neviđenom preciznošću i učinkovitošću.

Tehnologija bi također mogla pronaći primjenu u drugim industrijskim okruženjima gdje je pristup ograničen ili opasan za ljude. Primjeri uključuju inspekciju integriteta struktura u nuklearnim elektranama, praćenje kemijskih procesa u zatvorenim reaktorima ili istraživanje uskih prostora u proizvodnoj opremi u svrhu održavanja.

Unutar mikro-baterije

Srce ove inovacije je dizajn baterije cink-zrak. Sastoji se od cinčane elektrode spojene na platinastu elektrodu, obje ugrađene u polimernu traku izrađenu od SU-8, materijala koji se obično koristi u mikroelektronici. Kada je izložen molekulama kisika u zraku, cink oksidira, oslobađajući elektrone koji teku prema platinskoj elektrodi, generirajući tako električnu struju.

Ovaj genijalni dizajn omogućuje bateriji napajanje raznih komponenti bitnih za funkcionalnost mikrorobota. U svom istraživanju, MIT tim je pokazao da baterija može napajati:

1. Aktuator (robotska ruka koja se može podizati i spuštati)
2. Memristor (električna komponenta koja može pohraniti sjećanja promjenom svog električnog otpora)
3. Krug sata (omogućuje robotima praćenje vremena)
4. Dvije vrste kemijskih senzora (jedan napravljen od atomski tankog molibden disulfida i drugi od ugljikovih nanocijevi)

Budući smjerovi i izazovi

Iako su trenutne mogućnosti mikro-baterije impresivne, istraživanje koje je u tijeku ima za cilj povećati njen izlazni napon, što bi moglo omogućiti dodatne primjene i složenije funkcionalnosti. Tim također radi na integraciji baterije izravno u robotske uređaje, nadilazeći trenutnu postavu gdje je baterija povezana s vanjskim komponentama putem žice.

Kritično razmatranje za medicinsku primjenu je biokompatibilnost i sigurnost. Istraživači predviđaju razvoj inačica ovih uređaja koristeći materijale koji bi se sigurno razgradili unutar tijela nakon što njihova zadaća bude dovršena. Ovaj bi pristup eliminirao potrebu za vađenjem i smanjio rizik od dugotrajnih komplikacija.

Još jedan uzbudljiv smjer je potencijalna integracija ovih mikrobaterija u složenije robotske sustave. To bi moglo dovesti do rojeva koordiniranih mikrorobota sposobnih za rješavanje zadataka većih razmjera ili pružanja sveobuhvatnijeg nadzora i mogućnosti intervencije.

Bottom Line

MIT-ova mikroskalna baterija predstavlja značajan skok naprijed u području autonomne robotike. Pružajući održiv izvor energije za robote veličine ćelija, ova tehnologija otvara put revolucionarnim primjenama u medicini, industriji i šire. Kako se istraživanja nastavljaju usavršavati i širiti na ovoj inovaciji, stojimo na rubu nove ere u nanotehnologiji, one koja obećava transformirati našu sposobnost interakcije i manipuliranja svijetom na mikroskali.