Cuando la electrónica necesita sus propias fuentes de energía, hay dos opciones básicas:baterías y cosechadoras. Las baterías almacenan energía internamente, pero por lo tanto son pesados ​​y tienen un suministro limitado. Cosechadoras como paneles solares, recolectan energía de sus entornos. Esto evita algunas de las desventajas de las baterías, pero introduce otras nuevas, en el sentido de que solo pueden operar en ciertas condiciones y no pueden convertir esa energía en energía útil muy rápidamente.

Una nueva investigación de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania está reduciendo la brecha entre estas dos tecnologías fundamentales por primera vez en la forma de un "limpiador de aire y metal" que obtiene lo mejor de ambos mundos.

Este eliminador de aire y metal funciona como una batería, porque proporciona energía rompiendo y formando repetidamente una serie de enlaces químicos. Pero también funciona como una cosechadora, en que el poder es suministrado por energía en su entorno:específicamente, los enlaces químicos en el metal y el aire que rodean al eliminador de aire y metal.

El resultado es una fuente de energía que tiene 10 veces más densidad de energía que los mejores recolectores de energía y 13 veces más densidad de energía que las baterías de iones de litio.

A largo plazo, este tipo de fuente de energía podría ser la base de un nuevo paradigma en robótica, donde las máquinas se mantienen alimentadas buscando y "comiendo" metal, rompiendo sus enlaces químicos para obtener energía como lo hacen los humanos con los alimentos.

En el corto plazo, esta tecnología ya está impulsando a un par de empresas derivadas. Los ganadores de la competencia anual Y-Prize de Penn planean usar recolectores de aire y metal para encender luces de bajo costo para hogares fuera de la red en el mundo en desarrollo y sensores de larga duración para contenedores de envío que podrían alertar sobre robos. daños o incluso la trata de personas.

Los investigadores, James Pikul, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, junto con Min Wang y Unnati Joshi, miembros de su laboratorio, publicó un estudio que demuestra las capacidades de sus carroñeros en la revista Letras de energía ACS .

La motivación para desarrollar su captador de aire y metal, o MAS, surgió del hecho de que las tecnologías que forman el cerebro de los robots y las tecnologías que los impulsan no coinciden fundamentalmente en lo que respecta a la miniaturización.

A medida que se reduce el tamaño de los transistores individuales, los chips proporcionan más potencia de cálculo en paquetes más pequeños y livianos. Pero las baterías no se benefician de la misma manera cuando se hacen más pequeñas; la densidad de los enlaces químicos en un material es fija, por lo que las baterías más pequeñas necesariamente significan menos enlaces que romper.

"Esta relación invertida entre el rendimiento informático y el almacenamiento de energía hace que sea muy difícil que los dispositivos y robots de pequeña escala funcionen durante largos períodos de tiempo, "Dice Pikul." Hay robots del tamaño de insectos, pero solo pueden funcionar durante un minuto antes de que se agote la energía de la batería ".

Peor aún, agregar una batería más grande no permitirá que un robot dure más; la masa agregada requiere más energía para moverse, negando la energía extra proporcionada por la batería más grande. La única forma de romper esta frustrante relación invertida es buscar enlaces químicos, en lugar de empacarlos.

"Cosechadoras, como los que recolectan energía solar, energía térmica o vibratoria, están mejorando, "Dice Pikul." A menudo se utilizan para alimentar sensores y dispositivos electrónicos que están fuera de la red y donde es posible que no haya nadie cerca para cambiar las baterías. El problema es que tienen baja densidad de potencia, lo que significa que no pueden sacar energía del medio ambiente tan rápido como una batería puede entregarla ".

"Nuestra MAS tiene una densidad de potencia diez veces mejor que las mejores cosechadoras, hasta el punto de poder competir contra baterías, " él dice, "Está usando la química de la batería, pero no tiene el peso asociado, porque está tomando esos químicos del medio ambiente ".

Como una batería tradicional, El MAS de los investigadores comienza con un cátodo que está conectado al dispositivo que está alimentando. Debajo del cátodo hay una losa de hidrogel, una red esponjosa de cadenas de polímero que conduce electrones entre la superficie del metal y el cátodo a través de las moléculas de agua que transporta. Con el hidrogel actuando como electrolito, cualquier superficie de metal que toque funciona como el ánodo de una batería, permitiendo que los electrones fluyan hacia el cátodo y alimenten el dispositivo conectado.

A los efectos de su estudio, los investigadores conectaron un pequeño vehículo motorizado al MAS. Arrastrando el hidrogel detrás de él, el vehículo MAS oxidó las superficies metálicas sobre las que viajó, dejando una capa microscópica de óxido a su paso.

Para demostrar la eficiencia de este enfoque, los investigadores hicieron que su vehículo MAS circulara en círculos sobre una superficie de aluminio. El vehículo estaba equipado con un pequeño depósito que continuamente absorbía agua en el hidrogel para evitar que se secara.

"La densidad de energía es la relación entre la energía disponible y el peso que se debe transportar, "Dice Pikul." Incluso teniendo en cuenta el peso del agua extra, el MAS tenía 13 veces la densidad de energía de una batería de iones de litio porque el vehículo solo tiene que transportar el hidrogel y el cátodo, y no el metal u oxígeno que proporciona la energía ".

Los investigadores también probaron los vehículos MAS en zinc y acero inoxidable. Los diferentes metales dan al MAS diferentes densidades de energía, dependiendo de su potencial de oxidación.

Esta reacción de oxidación tiene lugar solo dentro de las 100 micras de la superficie, por lo que, si bien el MAS puede agotar todos los enlaces disponibles con viajes repetidos, hay poco riesgo de que cause un daño estructural significativo al metal que está extrayendo.

Con tantos usos posibles, El sistema MAS de los investigadores encajaba perfectamente con el Y-Prize anual de Penn, una competencia de planes de negocios que desafía a los equipos a construir empresas en torno a tecnologías incipientes desarrolladas en Penn Engineering. El equipo del primer lugar de este año, Luz de metal, ganó $ 10, 000 por su propuesta de utilizar la tecnología MAS en iluminación de bajo costo para hogares sin conexión a la red en el mundo en desarrollo. M-cuadrado, que ganó $ 4, 000 en segundo lugar, tiene la intención de utilizar sensores alimentados por MAS en contenedores de envío.

"En el corto plazo, vemos nuestro MAS impulsando tecnologías de Internet de las cosas, como lo que proponen Metal Light y M-Squared, "Dice Pikul." Pero lo que realmente nos cautivó, y la motivación detrás de este trabajo, es cómo cambia la forma en que pensamos sobre el diseño de robots ".

Gran parte de las otras investigaciones de Pikul implican mejorar la tecnología tomando señales del mundo natural. Por ejemplo, la alta resistencia de su laboratorio, La "madera metálica" de baja densidad se inspiró en la estructura celular de los árboles, y su trabajo en un pez león robótico implicó darle un sistema circulatorio de batería líquida que también accionaba neumáticamente sus aletas.

Los investigadores consideran que su MAS se basa en un concepto biológico aún más fundamental:la comida.

"A medida que tengamos robots que sean más inteligentes y más capaces, ya no tenemos que limitarnos a enchufarlos a la pared. Ahora pueden encontrar fuentes de energía por sí mismos, al igual que los humanos, "Dice Pikul." Un día, un robot que necesita recargar sus baterías solo necesitará encontrar algo de aluminio para 'comer' con un MAS, lo que le daría suficiente poder para que funcione hasta su próxima comida ".