2020年4月24日
当电子产品需要自己的电源,有两个基本选择:电池和矿车。内部电池储存能量,但因此沉重和供应有限。矿车,如太阳能电池板,从环境中收集能量。这周围的一些电池的缺点,但引入了新的,他们只能在一定的条件下,不能很快将能量转化为有用的力量。
新的研究从宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的桥梁之间的差距这两个基本技术首次在“金属气质清道夫”的形式得到两全其美。欧洲杯线上买球
这金属气质清道夫的工作像一个电池,它提供了力量,不断打破,形成一系列的化学键。但它也就像一个收割机,权力是由能源的环境:具体来说,周围的金属和空气中化学键金属气质清道夫。
结果是10倍的电源功率密度比最好的能源矿车和13倍比锂离子电池的能量密度。
从长远来看,这种类型的能源可能是机器人的新范式的基础,在机器保持自己的寻找和“吃”金属,打破化学键的能量像人类一样做的食物。
在短期内,这种技术已经为一对分拆公司。佩恩的年度Y-Prize竞争的赢家正在计划使用金属气质拾荒者权力离网在发展中国家低成本的灯光和持久的传感器为集装箱能警惕盗窃、损坏甚至人口贩卖。
研究人员詹姆斯·Pikul机械工程系助理教授和应用力学,王敏和Unnati乔希,实验室成员发表的一项研究展示他们在《拾荒者的能力ACS能源字母。
发展他们的动机金属气质清道夫,或MAS,源于这一事实的技术构成机器人的大脑和技术力量时根本不匹配的小型化。
单个晶体管的尺寸缩小,芯片提供更多的计算能力在更小、更轻的包。但电池不好处时相同的方式越来越小;化学键的物质的密度是固定的,所以小电池将意味着更少的债券。
这种反向关系计算性能和能量储存使得小型设备和机器人很难长时间运作。有昆虫大小的机器人,但他们只能操作一分钟之前他们的电池耗尽的能量。”
助理教授詹姆斯•Pikul机械工程系,应用力学,宾夕法尼亚大学
更糟的是,添加一个更大的电池不允许机器人持续时间更长;增加的质量需要更多能量,否定提供的额外的能量更大的电池。打破这令人沮丧的反向关系的唯一方法就是为化学键饲料,而不是装。
“矿车,像那些收集太阳能、热或振动能量,变得更好,”Pikul说。“他们经常用于传感器和电子的网格,你可能没有任何人在更换电池。问题是他们功率密度较低,这意味着他们不能把能源的环境一样快电池可以交付它。”
“我们的MAS十倍的功率密度比最好的矿车,以至于我们可以与电池竞争,”他说,“这是使用电池,但没有相关的重量,因为它是将这些化学物质的环境”。
与传统电池,研究者的MAS开始与阴极连接的设备供电。在阴极板的水凝胶,海绵的聚合物链网络进行电子金属表面与阴极之间通过水分子。与水凝胶作为电解质,任何金属表面触摸功能作为电池的正极,允许电子流向阴极和电源连接的设备。
为了他们的研究中,研究人员连接一个小MAS的机动车辆。拖着它背后的水凝胶,MAS车辆氧化金属表面,旅行结束,留下一个微观层生锈。
证明这种方法的效率,研究者的MAS汽车传动圈在一个铝表面。车辆配备一个小水库,不断邪恶的水到水凝胶防止干燥。
“能量密度可用能源的比例必须携带的重量,“Pikul说。“即使考虑到额外的水的重量,MAS已经13次锂离子电池的能量密度,因为车辆只有携带水凝胶和阴极,而不是金属或氧气提供能量。”
研究人员还测试了MAS车辆锌和不锈钢。不同的金属马斯给不同的能量密度,根据其潜在的氧化。
这种氧化反应只发生在100微米的表面,因此,虽然MAS可以使用多次的现成的债券,风险小的做重大结构性破坏金属清除。
有这么多可能的使用,研究者的MAS系统是一个适合佩恩的年度Y-Prize,一个商业计划竞赛,挑战团队建立公司在新兴技术开发了宾夕法尼亚大学工程。今年的第一团队,金属光,获得10000美元的提议利用MAS技术的低成本照明网的住宅在发展中国家。m²,赢得了4000美元的第二位,打算在集装箱使用MAS-powered传感器。
“在短期内,我们看到我们的MAS推动物联网技术,像金属光和m方提出,“Pikul说。“但真正引人注目,这个工作的动机,是它如何改变我们思考的方式设计机器人。”
Pikul的其他研究包括改善技术通过从自然世界。例如,他的实验室的高强度,低密度金属木材”的灵感来自于细胞结构的树木,和他在一个机器人的工作狮子鱼给它还液体电池循环系统,气动驱动它的鳍。
研究人员认为他们的MAS是利用一个更基本的生物概念:食物。
”我们得到机器人,更聪明,更有能力,我们不再需要限制自己堵成一堵墙。他们现在可以自己找到能源,就像人类一样,”Pikul说。“有一天,机器人需要充电电池将只需要找到一些铝与MAS‘吃’,这将给它足够的电力工作到下一顿饭。”
这项工作是由美国海军研究办公室,格兰特n00014 - 19 - 1 - 2353。它的部分进行了辛格纳米技术中心,由美国国家科学基金会支持的国家纳米技术协调基础设施项目在格兰特nnci - 1542153。
来源:https://www.upenn.edu/