Baterie vyvinutá inženýry z MIT by mohla umožnit nasazení autonomních robotů o velikosti buněk pro doručování léků přímo do lidského těla, stejně jako pro jiné aplikace, například při hledání netěsností v plynových potrubích.
Nová baterie, která je 0,1 milimetru dlouhá a pouhých 0,002 milimetru tlustá – přibližně jako lidský vlas – dokáže zachytit kyslík ze vzduchu a využít ho k oxidaci zinku, čímž vytvoří proud s napětím kolem 1 voltu. To je dostatečné k napájení malého obvodu, senzoru nebo akčního členu.
„Domníváme se, že toto bude velkým přínosem pro robotiku,“ říká Michael Strano, profesor chemického inženýrství na MIT a hlavní autor studie. „Stavíme robotické funkce přímo na baterii a začínáme tyto komponenty spojovat do zařízení.“
Marionetové systémy a problémy s energií
Laboratoř profesora Strana se již několik let věnuje vývoji malých robotů, kteří jsou schopni vnímat a reagovat na podněty ze svého okolí. Jednou z hlavních výzev při vývoji takto malých robotů je zajistit, aby měli dostatek energie.
Jiní výzkumníci již ukázali, že mikroskopická zařízení lze napájet sluneční energií, ale tato metoda vyžaduje, aby na roboty neustále mířil laser nebo jiný zdroj světla. Taková zařízení jsou známá jako „marionety“, protože jsou řízena externím zdrojem energie. Umístění zdroje energie, jako je baterie, přímo do těchto malých zařízení by jim umožnilo se pohybovat mnohem svobodněji.
„Marionetové systémy skutečně nepotřebují baterii, protože veškerou energii získávají zvenčí,“ říká Strano. „Ale pokud chcete, aby malý robot mohl proniknout do prostor, které by jinak byly nepřístupné, potřebuje větší míru autonomie. Baterie je nezbytná pro něco, co nebude připoutáno k vnějšímu světu.“
Obrázek 1 – DALL-E 3: Baterie
Zinkovzduchová baterie
Aby vytvořili roboty, kteří by mohli být více autonomní, rozhodla se Stranova laboratoř použít typ baterie známý jako zinkovzduchová baterie. Tyto baterie, které mají delší životnost než mnoho jiných typů baterií díky své vysoké energetické hustotě, se často používají v naslouchadlech.
Baterie, kterou navrhli, se skládá ze zinkové elektrody spojené s platinovou elektrodou, která je zabudována do pásku polymeru zvaného SU-8, běžně používaného v mikroelektronice. Když tyto elektrody interagují s kyslíkem z okolního vzduchu, zinek se oxiduje a uvolní elektrony, které proudí k platinové elektrodě a vytváří tak proud.
Aplikace baterií i v memristorech a hodinových obvodech
V této studii výzkumníci ukázali, že tato baterie může poskytnout dostatek energie k pohonu akčního členu – v tomto případě robotického ramene, které lze zvedat a spouštět. Baterie by také mohla napájet memristor, elektrickou součástku, která může uchovávat vzpomínky na události změnou svého elektrického odporu, a hodinový obvod, který umožňuje robotickým zařízením sledovat čas.
Baterie také poskytuje dostatek energie pro provoz dvou různých typů senzorů, které mění svůj elektrický odpor při kontaktu s chemikáliemi v okolním prostředí. Jeden ze senzorů je vyroben z atomárně tenkého disulfidu molybdenu a druhý z uhlíkových nanotrubiček. „Vytváříme základní stavební kameny pro budování funkcí na úrovni buněk,“ říká Strano.
Obrázek 2 – DALL-E 3: Dron
Rozsáhlé uplatnění v lékařství
V této studii výzkumníci použili drát k propojení své baterie s externím zařízením, ale v budoucí práci plánují vyvinout roboty, ve kterých bude baterie součástí zařízení.
„Toto se stane jádrem mnoha našich robotických snah,“ říká Strano. „Můžete postavit robota kolem zdroje energie, podobně jako můžete postavit elektrické auto kolem baterie.“
Jedním z těchto projektů je návrh malých robotů, kteří by mohli být injekčně aplikováni do lidského těla, kde by mohli vyhledat cílové místo a poté uvolnit lék, například inzulin. Pro použití v lidském těle výzkumníci předpokládají, že zařízení by byla vyrobena z biokompatibilních materiálů, které by se rozpadly, jakmile by již nebyla potřebná. Výzkumníci dále pracují i na zvýšení napětí baterie, což by mohlo umožnit další aplikace.
Shrnutí
- MIT inženýři vyvinuli miniaturní zinkovzduchové baterie schopné pohánět buněčné roboty.
- Baterie umožňuje robotům větší autonomii, například pro doručování léků v lidském těle.
- Výzkumníci pracují na integraci baterií do robotických zařízení pro rozšíření jejich aplikací.
- Projekt financovaly U.S. Army Research Office, U.S. Department of Energy, National Science Foundation a MathWorks Engineering Fellowship.
Zdroj:
- ScienceDaily. (2024, August 16). Engineers design tiny batteries for powering cell-sized robots. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240816121453.htm
