密西根大學(xué)（University of Michigan）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組證明，就像生物脂肪能儲(chǔ)備能量，新型可充電式鋅電池（Zinc battery）能整合到機(jī)器人結(jié)構(gòu)以提供更多能量。當(dāng)機(jī)器人縮小到微米級(jí)（microscale）或更小時(shí)（目前的獨(dú)立電池太大且效率太低），這種增加容量的方法將發(fā)揮特別重要的作用。

「機(jī)器人的設(shè)計(jì)受電池需求限制，電池通常占機(jī)器人內(nèi)部可用空間 20% 左右，或占機(jī)器人重量的類似比例?！怪髡蒲芯康拿芪鞲髮W(xué)「Joseph B. and Florence V. Cejka 」工程學(xué)教授 Nicholas Kotov 表示。

從防彈背心找出取之不盡的材料，比目前常用電池更環(huán)保

從快遞無人機(jī)和自行車專用道外帶服務(wù)機(jī)器人到機(jī)器人護(hù)士和倉儲(chǔ)機(jī)器人等移動(dòng)式機(jī)器人應(yīng)用正大幅度成長。就微觀部分而言，研究人員正在探索可自我組裝成更大裝置的群體機(jī)器人（Swarm Robots）。多功能結(jié)構(gòu)電池可釋放潛在空間并減輕重量，但到目前為止，只能當(dāng)主電池的補(bǔ)充。

「就能量密度而言，沒有任何一款已發(fā)表的結(jié)構(gòu)性電池可與當(dāng)今最先進(jìn)的鋰電池相提并論。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，我們對先前版本的結(jié)構(gòu)性鋅電池進(jìn)行 10 種改進(jìn)，其中一些改進(jìn)讓能量密度提升 100 倍?！筀otov 表示。能量密度和廉價(jià)材料的結(jié)合意味著，電池可能已使快遞機(jī)器人的移動(dòng)范圍增加一倍。

「然而這不是什么限制。我們估計(jì)，如果將機(jī)器人的外殼用鋅電池取代，那么電力容量將達(dá)單顆鋰離子電池的 72 倍?！寡芯空撐牡谝蛔髡?Kotov 實(shí)驗(yàn)室訪問研究員 Mingqiang Wang 時(shí)表示。

這款新電池的工作原理是經(jīng)由電解質(zhì)膜（Electrolyte Membrane）而在鋅電級(jí)和風(fēng)側(cè)之間傳遞氫氧根離子（Hydroxide Ions）。這種膜部分是由芳香族聚酰胺奈米纖維（Aramid Nanofiber，可在 Kevlar 防彈背心中找到的碳基纖維）和新型水基聚合物凝膠組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物。這種凝膠有助于讓氫氧根離子在電極間穿梭。

這款電池是由廉價(jià)、來源充足且大部分無毒的材料制成，比目前使用的電池更加環(huán)保。與鋰離子電池采用易燃電解質(zhì)不同，一旦電池受損，凝膠和芳香族聚酰胺奈米纖維也不會(huì)著火。芳香族聚酰胺奈米纖維可從報(bào)廢防彈衣取得與補(bǔ)充。

透過圖論法，加速分散式能量儲(chǔ)存的發(fā)展腳步

為了展示電池，研究人員特別以常見體積的小型蠕蟲和蝎子形狀玩具機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)將原來的電池更換成鋅空氣電池（Zinc-Air Cell）。電池連接到馬達(dá)后，把馬達(dá)纏繞在這些令人毛骨悚然的爬蟲外殼上。

「能勝任雙重任務(wù)（負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電荷并保護(hù)機(jī)器人的「器官」）的電池復(fù)制了生物體內(nèi)專司能量儲(chǔ)存脂肪組織的多種功能?！筀otov 實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程博士生 Ahmet Emre 指出。

鋅電池的缺點(diǎn)在于，只能保存約 100 次循環(huán)的高容量，而不是我們期望像智慧手機(jī)鋰離子電池的 500 次以上使用壽命。這是因?yàn)殇\金屬會(huì)形成最終刺穿電極之間薄膜的突波。電極間的芳香族聚酰胺奈米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物，是鋅電池得以擁有相對較長循環(huán)使用壽命的關(guān)鍵。且廉價(jià)且可回收的材料使這類電池更換很容易。

Kotov 表示，除了電池化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)勢，透過密西根大學(xué)開發(fā)的圖論法（Graph Theory Approach），這項(xiàng)設(shè)計(jì)可做到并加速從單一電池到分散式能量儲(chǔ)存。

文章來源：Technews