機(jī)器人把金屬當(dāng)食物轉(zhuǎn)換能源

裴拓

近年來(lái)，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員提出了一種為機(jī)器人提供動(dòng)力的新方法，被稱為金屬空氣凈化器（MAS 系統(tǒng)），課題是通過(guò)從外部金屬中獲取能量來(lái)為電子設(shè)備供電，這些研究被發(fā)表在《ACS Energy Letters》雜志上。這種MAS系統(tǒng)的工作原理類似于電池，它通過(guò)反復(fù)破壞和形成一系列化學(xué)鍵來(lái)提供電力。初期測(cè)試結(jié)果是電源的功率密度是最好的能量收集器的 10 倍，能量密度是鋰離子電池的 13 倍。

機(jī)器人在搜救任務(wù)中變得越來(lái)越有用，從可以滑過(guò)狹窄空間或裂縫到達(dá)遇險(xiǎn)人員的蛇形機(jī)器人，到可以在狹窄的洞穴豎井內(nèi)飛行，收集隧道系統(tǒng)信息的無(wú)人機(jī)。

但即便它們可以替代人類進(jìn)行高難度作業(yè)，但機(jī)器人的最終能力都取決于它們的電池組，一旦內(nèi)部的能量耗盡，它們就必須停止正在做的任何事情，需要操作員為電池充電或裝入新電池。

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員的方式是，利用我們身邊幾乎無(wú)處不在的物質(zhì)：金屬。研究人員概述了金屬轉(zhuǎn)換成能量的過(guò)程，他們?cè)O(shè)計(jì)的裝置本質(zhì)上是讓機(jī)器人“吃掉”周圍環(huán)境中的金屬，分解化學(xué)鍵，就像我們的身體分解食物中的化學(xué)鍵一樣。

“我們從中獲得的最大靈感有點(diǎn)陳舊，”研究人員說(shuō)，“動(dòng)物吃東西，是它們?yōu)樽约汗╇姷姆绞剑珯C(jī)器人吃金屬不是吃葡萄糖。”當(dāng)前的原型設(shè)計(jì)包括一層碳布薄膜，里面嵌入了一個(gè)陰極，碳布通過(guò)充當(dāng)還原劑的鉑金在空氣中“呼吸”，從環(huán)境中吸收氧氣。

在碳膜和相關(guān)金屬表面之間，裝有鹽水的果凍狀水凝膠充當(dāng)電解質(zhì)，在金屬和陰極之間傳導(dǎo)電子。這樣，當(dāng)水凝膠接觸金屬表面時(shí)，該區(qū)域就像電池的陽(yáng)極一樣，讓電子通過(guò)陰極，然后為設(shè)備供電。

就像我們的身體以不同的方式代謝水果和比薩一樣，MAS 系統(tǒng)以不同的方式分解金屬中的元素

研究人員表示，根據(jù)金屬的氧化潛力，不同的材料賦予MAS系統(tǒng)不同的能量密度。鐵含量豐富，但由于其化學(xué)鍵的性質(zhì)，產(chǎn)生的能量比鋁少，所以鋁和鋅效果最好。氧化是金屬腐蝕的罪魁禍?zhǔn)祝玀AS系統(tǒng)本質(zhì)上是在吃掉所謂的“受控腐蝕”金屬，所以不用擔(dān)心全新設(shè)備會(huì)被機(jī)器人吃掉。如不銹鋼，專門設(shè)計(jì)用于防止腐蝕，就不會(huì)被當(dāng)作食物。

隨著機(jī)器人變得越來(lái)越小，從蜻蜓特工到蜂鳥機(jī)器人，重型電池的合理性在當(dāng)代并不是唯一寵兒。MAS系統(tǒng)機(jī)器人的原型比高端能量收集器（如太陽(yáng)能電池）的功率密度高 10 倍，比鋰離子電池的能量密度高 13 倍，因此它可以完全消除機(jī)器人對(duì)傳統(tǒng)電池的需求。

MAS系統(tǒng)未來(lái)的期許是在太空中發(fā)揮作用，人類生存系統(tǒng)需要氧氣，但機(jī)器人不需要。“火箭助推器被使用一次，然后就被分離。”研究人員說(shuō)，它們被釋放并在太空中燃燒，如果能利用起來(lái)，讓這些額外的金屬為航天器提供動(dòng)力，就足以讓機(jī)器人跳出傳統(tǒng)充電的模式。這種想法超前并且科幻，但是萬(wàn)一未來(lái)實(shí)現(xiàn)了呢？