當(dāng)電子產(chǎn)品需要電源時，有兩個基本的選擇：電池和采集器。電池在內(nèi)部儲存能量，但因此很重，供應(yīng)有限。太陽能板等采集器從周圍環(huán)境中收集能量。這解決了電池的一些缺點(diǎn)，但引入了新的電池，因為它們只能在特定的條件下工作，不能很快地把能量轉(zhuǎn)化為有用的能量。
賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一項新研究以“金屬-空氣清除器”的形式，首次填補(bǔ)了這兩種基本技術(shù)之間的鴻溝，同時滿足了這兩種需求。
這種金屬-空氣清除器的工作原理類似于電池，它通過反復(fù)破壞和形成一系列化學(xué)鍵來提供能量。但它的工作原理也和采集器一樣，因為它的能量是由周圍環(huán)境中的能量提供的：具體來說，金屬和空氣中的化學(xué)鍵圍繞著金屬-空氣清除器。
其結(jié)果是，這種能量源的能量密度是最好的能量采集器的10倍，是鋰離子電池的13倍。
從長遠(yuǎn)來看，這種類型的能源可能成為機(jī)器人技術(shù)新范式的基礎(chǔ)。在機(jī)器人技術(shù)中，機(jī)器通過尋找和“吃掉”金屬來維持自身的能量供應(yīng)，就像人類吃掉食物那樣，分解金屬的化學(xué)鍵來獲取能量。
短期內(nèi)，這項技術(shù)已經(jīng)為兩家附屬公司提供了動力。賓夕法尼亞大學(xué)年度Y大獎的獲勝者計劃使用金屬-空氣清除器為發(fā)展中國家沒有電的家庭提供低成本照明，并為集裝箱安裝持久耐用的傳感器，以對盜竊、損壞甚至人口販賣發(fā)出警報。
機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)系的助理教授James Pikul，與實驗室成員Min Wang和Unnati Joshi一起，在ACS Energy Letters雜志上發(fā)表了一項研究，展示了這一新能源。
開發(fā)金屬空氣清除器(MAS)的動機(jī)源于這樣一個事實，即構(gòu)成機(jī)器人大腦的技術(shù)和驅(qū)動它們的技術(shù)在微型化方面根本不匹配。
隨著單個晶體管尺寸的縮小，芯片在更小、更輕的封裝中提供了更強(qiáng)的計算能力。但是電池在變小的時候卻不能以同樣的方式受益；材料中化學(xué)鍵的密度是固定的，所以較小的電池必然意味著較少的化學(xué)鍵會斷裂。
“計算性能和能量存儲之間的這種反向關(guān)系使得小型設(shè)備和機(jī)器人很難長時間運(yùn)行。”Pikul說。“有昆蟲那么大的機(jī)器人，但它們只能工作一分鐘，然后電池就沒電了。”
更糟糕的是，增加更大的電池并不能使機(jī)器人持續(xù)更長的時間；增加的質(zhì)量需要更多的能量來移動，抵消了更大的電池提供的額外能量。打破這種令人沮喪的反向關(guān)系的唯一方法是尋找化學(xué)鍵，而不是把它們打包在一起。
“收集器，像那些收集太陽能、熱能或振動能的收集器，正在變得越來越好。”Pikul說。“它們通常被用來給沒有聯(lián)網(wǎng)的傳感器和電子設(shè)備供電，在那里你可能沒法換電池。”問題是它們的功率密度很低，這意味著它們無法像電池那樣快速地從環(huán)境中吸收能量。”
“我們的MAS的功率密度是最好的收集器的十倍，以至于我們可以和電池競爭。”他說，“它使用電池化學(xué)物質(zhì)，但沒有相應(yīng)的重量，因為它從環(huán)境中提取化學(xué)物質(zhì)。”
Pikul說:“在不久的將來，我們會看到我們的MAS將推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，就像Metal Light和M-Squared提出的那樣。”“但真正吸引我們的，以及這項工作背后的動機(jī)，是它如何改變了我們設(shè)計機(jī)器人的方式。”
Pikul的其他研究大多涉及通過從自然界獲取線索來改進(jìn)技術(shù)。例如，他的實驗室的高強(qiáng)度、低密度的“金屬木材”的靈感來自于樹木的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，他對一只機(jī)器獅子魚的研究包括給它一個液體電池循環(huán)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也通過氣動驅(qū)動它的鰭。
研究人員認(rèn)為他們的MAS利用了一個更基本的生物學(xué)概念:食物。
“隨著機(jī)器人變得更智能、更有能力，我們不再局限于把它們插到墻上。他們現(xiàn)在可以自己尋找能源，就像人類一樣。”Pikul說。“有一天，一個需要給電池充電的機(jī)器人將只需要找到一些鋁，用MAS‘吃’，這將給它足夠的能量工作到它的下一頓飯。”
