麻省理工學院工程師設計的微型電池可以部署細胞大小的自主機器人，用於在人體內輸送藥物，以及定位天然氣管道洩漏等其他應用。

這種新型電池長 0.1 毫米，厚 0.002 毫米，大約相當於人類頭髮的厚度，可以捕獲空氣中的氧氣，並用它氧化鋅，產生電位高達 1 伏特的電流。研究人員表示，這足以為小型電路、感測器或執行器供電。

「我們認為這對機器人技術來說非常有利，」麻省理工學院化學工程系 Carbon P. Dubbs 教授、該研究的資深作者 Michael Strano 說道。 “我們正在電池上建立機器人功能，並開始將這些組件組合到設備中。”

張戈博士 ’22 和麻省理工學院研究生 Sungyun Yang 是這篇論文的主要作者，這篇論文出現在 科學機器人。

由電池供電

多年來，斯特拉諾的實驗室一直致力於研究能夠感知環境中的刺激並做出反應的微型機器人。開發此類微型機器人的主要挑戰之一是確保它們有足夠的動力。

其他研究人員已經證明，他們可以使用太陽能為微型設備提供動力，但這種方法的局限性在於機器人必須始終有雷射或其他光源指向它們。此類設備被稱為“牽線木偶”，因為它們由外部電源控制。將電池等電源放入這些微型設備中可以讓它們走得更遠。

「木偶系統實際上並不需要電池，因為它們從外部獲取所需的所有能量，」斯特拉諾說。 「但是，如果你希望小型機器人能夠進入你無法進入的空間，那麼它就需要擁有更高水準的自主權。對於那些不受外界束縛的東西來說，電池是必不可少的。

為了創造更自主的機器人，斯特拉諾的實驗室決定使用一種稱為鋅空氣電池的電池。由於能量密度高，這些電池比許多其他類型的電池具有更長的使用壽命，通常用於助聽器。

他們設計的電池由連接到鉑電極的鋅電極組成，嵌入到稱為 SU-8 的聚合物條中，通常用於微電子領域。當這些電極與空氣中的氧分子相互作用時，鋅會被氧化並釋放流向鉑電極的電子，產生電流。

在這項研究中，研究人員表明，這種電池可以提供足夠的能量來為致動器提供動力——在本例中，是一個可以升高和降低的機械手臂。該電池還可以為憶阻器（一種可以透過改變電阻來儲存事件記憶的電子元件）和時鐘電路（允許機器人設備追蹤時間）供電。

該電池還提供足夠的電力來運行兩種不同類型的感測器，當它們遇到環境中的化學物質時，它們的電阻會發生變化。其中一個感測器由原子級厚度的二硫化鉬製成，另一個感測器由碳奈米管製成。

「我們正在製造基本構件，以便在細胞層面上建造功能，」斯特拉諾說。

機器人群

在這項研究中，研究人員使用電線將電池連接到外部設備，但在未來的工作中，他們計劃建造將電池整合到設備中的機器人。

「這將成為我們許多機器人工作的核心，」斯特拉諾說。 “你可以圍繞能源建造一個機器人，就像你可以圍繞電池建造一輛電動車一樣。”

其中一項工作圍繞著設計可以注射到人體的微型機器人，它們可以尋找目標部位，然後釋放胰島素等藥物。為了在人體中使用，研究人員設想這些設備將由生物相容性材料製成，一旦不再需要，這些材料就會分解。

研究人員也致力於提高電池的電壓，這可能會帶來更多的應用。

該研究由美國陸軍研究辦公室、美國能源部、國家科學基金會和 MathWorks 工程獎學金資助。