Учёные разработали сверхлёгкую систему питания для увеличения выносливости микродронов

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего совместно с CEA-Leti разработали новую систему питания, способную значительно увеличить продолжительность работы миниатюрных устройств, таких как микродроны и другие микророботы. Это инновационное решение, использующее компактные твердотельные батареи, объединяет в себе высокую энергетическую плотность и сверхлёгкий дизайн.

Итоги данного исследования были представлены на Международной конференции по твердотельным схемам IEEE (ISSCC 2025), проходящей с 16 по 20 февраля в Сан-Франциско.

Одной из значимых функций микродронов является поддержка спасателей при природных катастрофах. Например, в случаях обрушения зданий стандартные роботы могут быть слишком крупными для маневрирования в узких пространствах, тогда как рой микродронов, каждый из которых можно разместить на ногте, способен обследовать узкие проходы для обнаружения химических угроз или поиска пострадавших.

Проблема заключается в потребности этих устройств в долгосрочном питании, чтобы обеспечить устойчивый полёт. Из-за их малого веса (всего несколько десятков граммов или даже меньше) невозможна установка крупных батарей. Современные микродроны в итоге могут летать лишь несколько минут.

«Чтобы максимизировать время полёта, необходимо минимизировать вес всех компонентов системы, включая батарею и необходимую для обработки энергии электронику», — поясняет соавтор исследования Патрик Мерсье, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники инженерной школы Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Большинство микророботов для передвижения используют пьезоэлектрические микроприводы, преобразующие электрический сигнал в физическое движение. Однако для их работы требуется высокое напряжение — до десятков и сотен вольт, в то время как стандартные литий-ионные батареи обеспечивают лишь 4 вольта. Обычно для повышения напряжения применяются громоздкие индукторы и конденсаторы, которые существенно увеличивают вес и объём, что делает их непригодными для столь небольших устройств.

Мерсье и его команда предложили отказаться от обычных батарей в пользу чего-то более компактного, но столь же эффективного.

«Вместо одной крупной твердотельной батареи мы можем использовать аналогичную, разделённую на многие мельчайшие элементы», — объясняет Мерсье. Каждая из таких миниатюрных батарей сохраняет столь же высокую энергетическую плотность, что и исходная крупная батарея.

Используя множество таких разделённых аккумуляторов, команда создала схему управления с так называемой конфигурацией «летающей батареи». В отличие от стандартных решений, которые имеют фиксированную компоновку, «летающая батарея» может динамически менять конфигурацию соединения аккумуляторных блоков, приспосабливаясь к изменяющимся условиям в режиме реального времени.

Батареи могут соединяться либо последовательно (для суммирования напряжений), либо параллельно (для увеличения общей ёмкости при сохранении того же напряжения).

Например, когда микродрону необходимо большее напряжение для работы привода, система последовательно объединяет батареи, увеличивая их количество до достижения требуемого уровня. Когда же требуется меньшая энергия, батареи могут быть соединены параллельно для повышения эффективности хранения.

Это переключение между конфигурациями происходит за считанные миллисекунды, без добавления лишнего веса от пассивных компонентов.

Система также включает в себя функцию восстановления энергии. Это возможно благодаря перезаряжаемым твердотельным аккумуляторам и способности микроприводов работать как конденсатор. Привод заряжается до высокого напряжения, затем разряжает эту энергию обратно в батареи, проводя их повторную зарядку в несколько шагов. Процесс зарядки идёт адиабатически, без теплопередачи, что обеспечивает максимальную эффективность.

При использовании 18 батарейных блоков из ранее доступной твердотельной батареи система вырабатывала до 56,1 вольта и непрерывно функционировала более 50 часов. Вес всей системы составлял всего 1,8 грамма.

С применением специально разработанных в CEA-Leti твердотельных батарей, обеспечивающих повышенную энергетическую плотность, вес системы снизился до 14 миллиграммов.

Следующим этапом станет тестирование системы привода в настоящем микророботе. В будущем команда намерена продолжать оптимизацию твердотельных батарей и стремиться к ещё более высоким уровням выходного напряжения.

Источник: iXBT