16/08/2024
Door Ad Spijkers
Technici aan het Massachusetts Institute of Technology ontwerpen kleine batterijen voor het aandrijven van robots ter grootte van cellen.
Deze zink-luchtbatterijen, kleiner dan een zandkorrel, kunnen minuscule robots helpen hun omgeving te voelen en erop te reageren. De kleine batterij de inzet van autonome robots ter grootte van cellen mogelijk maken voor het toedienen van medicijnen in het menselijk lichaam. Maar de ontwikkelaars voorzien ook andere toepassingen zoals het opsporen van lekken in gasleidingen.
Autonomie
De onderzoekers werken al jaren aan kleine robots die stimuli in hun omgeving kunnen waarnemen en erop kunnen reageren. Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van zulke kleine robots is ervoor zorgen dat ze voldoende stroom hebben. Andere onderzoekers hebben aangetoond dat ze microscopisch kleine apparaten kunnen aandrijven met behulp van zonne-energie.
Als een kleine robot in ruimtes moeten komen, moet hij een grotere mate van autonomie hebben. Een batterij is essentieel voor iets dat niet aan de buitenwereld vastzit. Om robots te creëren die autonomer zouden kunnen worden, besloten de onderzoekers een zink-luchtbatterij te gebruiken. Deze batterijen hebben door hun hoge energiedichtheid een langere levensduur hebben dan veel andere soorten batterijen. Ze worden vaak gebruikt in hoorapparaten.
Microbatterij
De nieuwe batterij is 0,1 mm lang en 0,002 mm dik— ongeveer de dikte van een mensenhaar. Ze kan zuurstof uit de lucht opvangen en gebruiken om zink te oxideren, waardoor een spanning van maximaal 1 V ontstaat. Dat is genoeg om een klein circuit, sensor of actuator van stroom te voorzien, zo lieten de onderzoekers zien. Ze denken dat dit een grote hulp zal zijn voor robotica. Ze bouwen robotfuncties op de batterij en beginnen deze componenten samen te voegen tot apparaten.
De nu ontwikkelde batterij bestaat uit een zinkelektrode die is verbonden met een platina-elektrode, die is ingebed in een strip van een polymeer. Dit polymeer, genaamd SU-8, wordt veel gebruikt voor micro-elektronica. Wanneer de elektroden interacteren met zuurstofmoleculen uit de lucht, wordt het zink geoxideerd. Er komen elektronen vrij die naar de platina-elektrode stromen, waardoor er een stroom ontstaat.
Prestaties
De onderzoekers toonden aan dat deze batterij genoeg energie zou kunnen leveren om een actuator van stroom te voorzien. In dit geval is dat een robotarm die omhoog en omlaag kan worden bewogen. De batterij zou ook een memristor van stroom kunnen voorzien, een elektrisch onderdeel dat gebeurtenissen kan opslaan door zijn elektrische weerstand te veranderen. Ook kan de batterij een klokcircuit voeden, waarmee robotische apparaten de tijd kunnen bijhouden.
De batterij levert ook genoeg vermogen om twee verschillende soorten sensoren te laten werken die hun elektrische weerstand veranderen wanneer ze chemicaliën in de omgeving tegenkomen. Een van de sensoren is gemaakt van atomair dun molybdeendisulfide en de andere van koolstofnanobuisjes. De onderzoekers gebruikten een draad om hun batterij aan een extern apparaat te koppelen, maar in de toekomst willen ze robots bouwen waarin de batterij in een apparaat is verwerkt. Dit gaat de kern van veel van hun robotinspanningen vormen . Ze kunnen een robot bouwen rond een energiebron, net zoals een elektrische auto rond de batterij is te bouwen.
Een van die inspanningen draait om het ontwerpen van kleine robots die in het menselijk lichaam kunnen worden geïnjecteerd. Hier kunnen ze doellocaties opzoeken en een medicijn zoals insuline vrijgeven. Voor gebruik in het menselijk lichaam voorzien de onderzoekers dat de apparaten gemaakt zouden worden van biocompatibele materialen die uit elkaar zouden vallen als ze niet langer nodig zouden zijn. Ook werken ze aan het verhogen van de spanning van de batterij, wat extra toepassingen mogelijk zou kunnen maken.
Foto: MIT