研究人员正在开发一种以金属空气清除器为工作原理的机器人

当电子产品需要电源时，有两个基本的选择：电池和采集器。电池在内部储存能量，但因此很重，供应有限。太阳能板等采集器从周围环境中收集能量。这解决了电池的一些缺点，但引入了新的电池，因为它们只能在特定的条件下工作，不能很快地把能量转化为有用的能量。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的一项新研究以“金属-空气清除器”的形式，首次填补了这两种基本技术之间的鸿沟，同时满足了这两种需求。

这种金属-空气清除器的工作原理类似于电池，它通过反复破坏和形成一系列化学键来提供能量。但它的工作原理也和采集器一样，因为它的能量是由周围环境中的能量提供的：具体来说，金属和空气中的化学键围绕着金属-空气清除器。

其结果是，这种能量源的能量密度是最好的能量采集器的10倍，是锂离子电池的13倍。

从长远来看，这种类型的能源可能成为机器人技术新范式的基础。在机器人技术中，机器通过寻找和“吃掉”金属来维持自身的能量供应，就像人类吃掉食物那样，分解金属的化学键来获取能量。

短期内，这项技术已经为两家附属公司提供了动力。宾夕法尼亚大学年度Y大奖的获胜者计划使用金属-空气清除器为发展中国家没有电的家庭提供低成本照明，并为集装箱安装持久耐用的传感器，以对盗窃、损坏甚至人口贩卖发出警报。

机械工程和应用力学系的助理教授James Pikul，与实验室成员Min Wang和Unnati Joshi一起，在ACS Energy Letters杂志上发表了一项研究，展示了这一新能源。

开发金属空气清除器(MAS)的动机源于这样一个事实，即构成机器人大脑的技术和驱动它们的技术在微型化方面根本不匹配。

随着单个晶体管尺寸的缩小，芯片在更小、更轻的封装中提供了更强的计算能力。但是电池在变小的时候却不能以同样的方式受益；材料中化学键的密度是固定的，所以较小的电池必然意味着较少的化学键会断裂。

“计算性能和能量存储之间的这种反向关系使得小型设备和机器人很难长时间运行。”Pikul说。“有昆虫那么大的机器人，但它们只能工作一分钟，然后电池就没电了。”

更糟糕的是，增加更大的电池并不能使机器人持续更长的时间；增加的质量需要更多的能量来移动，抵消了更大的电池提供的额外能量。打破这种令人沮丧的反向关系的唯一方法是寻找化学键，而不是把它们打包在一起。

“收集器，像那些收集太阳能、热能或振动能的收集器，正在变得越来越好。”Pikul说。“它们通常被用来给没有联网的传感器和电子设备供电，在那里你可能没法换电池。”问题是它们的功率密度很低，这意味着它们无法像电池那样快速地从环境中吸收能量。”

“我们的MAS的功率密度是最好的收集器的十倍，以至于我们可以和电池竞争。”他说，“它使用电池化学物质，但没有相应的重量，因为它从环境中提取化学物质。”

Pikul说:“在不久的将来，我们会看到我们的MAS将推动物联网技术的发展，就像Metal Light和M-Squared提出的那样。”“但真正吸引我们的，以及这项工作背后的动机，是它如何改变了我们设计机器人的方式。”

Pikul的其他研究大多涉及通过从自然界获取线索来改进技术。例如，他的实验室的高强度、低密度的“金属木材”的灵感来自于树木的细胞结构，他对一只机器狮子鱼的研究包括给它一个液体电池循环系统，这个系统也通过气动驱动它的鳍。

研究人员认为他们的MAS利用了一个更基本的生物学概念:食物。

“随着机器人变得更智能、更有能力，我们不再局限于把它们插到墙上。他们现在可以自己寻找能源，就像人类一样。”Pikul说。“有一天，一个需要给电池充电的机器人将只需要找到一些铝，用MAS‘吃’，这将给它足够的能量工作到它的下一顿饭。”
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