Robotin iho kerää virtaa kävellessään

Mikrorobottien käyttövoiman tarjoaminen on pitkään ollut kemiantekniikan ongelma. 1,7 gramman painoinen mikrorobotti voi ryömiä kaupallisilla akuilla vain noin kaksi minuuttia.

Yue Gaon johtama Fudanin yliopiston makromolekyylitieteen laitoksen ryhmä kokeili toista lähestymistapaa. Sen sijaan, että akkuja olisi tehty pienemmiksi ja tiheämmiksi, tutkijat kysyivät, voisiko robotti kerätä energiaa pinnasta, jolla se kävelee.

Aktiivisia materiaaleja, kuten alumiinia, sinkkiä, piitä, tinaa ja lyijyä, esiintyy yleisesti putkissa, rakennuksissa, datakeskuksissa ja laitteissa. Jos robotin jalka voisi laukaista kemiallisen reaktion kosketuksesta, sen käyttöaikaa ei enää rajoittaisi sisäänrakennettu varastointitila.

Tiimin vastaus on avoin sähkökemiallinen sähköjärjestelmä: mikrorobotin jalkaan kiinnitetty ristisilloitettu kaliumpolyakrylaattikalvo. Se muuntaa substraatin sekä ilmakehän kosteuden ja hapesta saatavan kemiallisen energian sähköksi.

Iho, joka antaa voimaa, tarttuu ja aistii

Kalvo valmistetaan yhdessä vaiheessa polymeroimalla akryylihappomonomeeria, silloittajaa, initiaattoria ja kaliumhydroksidia suoraan robotin jalalle. Joustava platina/hiilikalvo toimii reaktiopaikkana hapelle ja vedelle.

Kalvomainen iho voi olla jopa 135 mikrometriä ohut ja jopa 1 neliömillimetrin kokoinen. Sinkillä se tuottaa 133 mW cm⁻² tehotiheyden ja alumiinilla 103 mW cm⁻² . Nämä arvot ovat noin kertaluokkaa korkeammat kuin tyypillisillä mikroakuilla ja mahdollisti mikrorobotille yli 10 000 kävelyaskeletta.

Kalvo tuottaa sähköä koskettaessaan aktiivista alustaa ja pysähtyy, kun jalka nousee. Alusta menettää elektroneja. Platina/hiili-puolella happi ja vesi ottavat vastaan elektroneja tuottaakseen hydroksidi-ioneja. Reaktio alkaa noin 0,1 millisekunnissa ja pysähtyy, kun kosketus loppuu. Jokainen kävelyvaihe päivittää reaktiorajapintaa. Purkaustuotteet jäävät alustalle sen sijaan, että ne kertyisivät kalvolle, mikä estää staattisissa akuissa havaittavan suorituskyvyn heikkenemisen.

Kalvo yhdistää myös jalalle tarpeellisen vahvan leikkauspidon helppoon normaaliin irtoamiseen. Ne mahdollistavat mikrorobotin ryömimisen kaltevilla alumiinipinnoilla.

Kalvo voi myös aistia jalan alla olevan pinnan. Eri materiaalit aiheuttavat erilaisia sähkökemiallisia reaktionopeuksia ja hydroksidin kulutusta.

Materiaali muutokset tuottavat vakaita neliöaaltosignaaleja, kun taas karheuden muutokset tuottavat millivolttitason piikkejä. Nämä kaksi signaalia voidaan erottaa luonnollisesti toisistaan.

XY-elektrodiryhmän avulla kalvo voi myös paikantaa kosketuskohdat. Tämä auttaa robottia tunnistamaan ympäristönsä ja etsimään aktiivisesti energiapitoisia reittejä.

Aiheesta aiemmin:

Luonnosta mallia tulevaisuuden mikroroboteille

Maailman pienimmät ohjelmoitavat robotit