Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) создали ультрамалую батарею, способную обеспечивать автономную работу роботам размером с клетку, что открывает перспективы для новых методов доставки лекарств в организм человека и других приложений.
Батарея имеет длину 0,1 миллиметра и толщину 0,002 миллиметра, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Она способна поглощать кислород из воздуха для окисления цинка, генерируя напряжение до 1 вольта. Этого достаточно для питания небольшой схемы, сенсора или привода.
«Мы полагаем, что это изобретение существенно продвинет робототехнику. Внутри батареи мы интегрировали роботизированные функции и начали собирать эти компоненты в устройства», — отметил профессор химической инженерии Майкл Страно из MIT, старший автор исследования. Ведущими авторами статьи, опубликованной в журнале Science Robotics, являются докторант Гэ Чжан и аспирант MIT Сунгюнь Ян.
Лаборатория Страно вот уже несколько лет работает над микроскопическими роботами, способными реагировать на раздражители окружающей среды. Одной из ключевых проблем в создании таких малышей является обеспечение их достаточной энергетической самостоятельностью. Например, другие исследователи предложили использование солнечной энергии для питания микромасштабных устройств, однако этот метод требует постоянного освещения, что делает этих роботов зависимыми от внешних источников энергии, подобно марионеткам. Встраивание батареи может дать этим устройствам большую свободу передвижения и автономность.
«Для систем, управляемых внешним источником, батареи не нужны, так как они получают всю необходимую энергию извне. Однако для того, чтобы такой микроробот мог проникнуть в труднодоступные пространства, ему требуется высшая степень автономности. В этом случае батарея становится незаменимой», — пояснил Страно.
Для создания более автономных роботов лаборатория Страно применила цинково-воздушную батарею. Эти батареи, обладающие длительным сроком службы благодаря высокой плотности энергии, часто используются в слуховых аппаратах. Новая батарея включает цинковый электрод, связанный с платиновым электродом, на основе полимерной полоски SU-8, которая широко используется в микроэлектронике. При взаимодействии этих электродов с молекулами кислорода происходит окисление цинка, создающее поток электронов в сторону платинового электрода, что генерирует электрический ток.
В ходе исследования ученые продемонстрировали, что данная батарея обеспечивает достаточное количество энергии для работы привода, в данном случае роботизированной руки, которую можно поднимать и опускать. Батарея также способна питать мемристор и часовую схему, дающая возможность роботизированным устройствам следить за временем.
Батарея достаточно мощна, чтобы обеспечить функционирование двух разных типов сенсоров, которые изменяют электрическое сопротивление при контакте с химическими веществами. Один сенсор изготовлен из дисульфида молибдена, а другой — из углеродных нанотрубок.
«Мы создаем основные строительные блоки для реализации функций на клеточном уровне», — подчеркнул Страно. В текущем исследовании ученые использовали провод для подключения батареи к внешнему устройству. В будущем же они планируют интегрировать батарею непосредственно в роботов, что станет основой для разработок. «Можно будет строить роботов вокруг источника питания, как электромобили строятся вокруг аккумуляторов», — добавил Страно.
Одним из перспективных направлений является создание микророботов для введения в организм человека, где они смогут целенаправленно доставлять лекарства, например, инсулин.
Для использования внутри организма ученые планируют создавать устройства из биосовместимых материалов, которые будут распадаться после выполнения своей функции. Кроме того, продолжаются исследования для повышения напряжения батареи, что может открыть новые горизонты её применения.
Источник: iXBT
