機器人把金屬當食物轉換能源

裴拓

近年來，賓夕法尼亞大學的研究人員提出了一種為機器人提供動力的新方法，被稱為金屬空氣凈化器（MAS 系統），課題是通過從外部金屬中獲取能量來為電子設備供電，這些研究被發表在《ACS Energy Letters》雜志上。這種MAS系統的工作原理類似于電池，它通過反復破壞和形成一系列化學鍵來提供電力。初期測試結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。

機器人在搜救任務中變得越來越有用，從可以滑過狹窄空間或裂縫到達遇險人員的蛇形機器人，到可以在狹窄的洞穴豎井內飛行，收集隧道系統信息的無人機。

但即便它們可以替代人類進行高難度作業，但機器人的最終能力都取決于它們的電池組，一旦內部的能量耗盡，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。

賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員的方式是，利用我們身邊幾乎無處不在的物質：金屬。研究人員概述了金屬轉換成能量的過程，他們設計的裝置本質上是讓機器人“吃掉”周圍環境中的金屬，分解化學鍵，就像我們的身體分解食物中的化學鍵一樣。

“我們從中獲得的最大靈感有點陳舊，”研究人員說，“動物吃東西，是它們為自己供電的方式，但機器人吃金屬不是吃葡萄糖。”當前的原型設計包括一層碳布薄膜，里面嵌入了一個陰極，碳布通過充當還原劑的鉑金在空氣中“呼吸”，從環境中吸收氧氣。

在碳膜和相關金屬表面之間，裝有鹽水的果凍狀水凝膠充當電解質，在金屬和陰極之間傳導電子。這樣，當水凝膠接觸金屬表面時，該區域就像電池的陽極一樣，讓電子通過陰極，然后為設備供電。

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

研究人員表示，根據金屬的氧化潛力，不同的材料賦予MAS系統不同的能量密度。鐵含量豐富，但由于其化學鍵的性質，產生的能量比鋁少，所以鋁和鋅效果最好。氧化是金屬腐蝕的罪魁禍首，但MAS系統本質上是在吃掉所謂的“受控腐蝕”金屬，所以不用擔心全新設備會被機器人吃掉。如不銹鋼，專門設計用于防止腐蝕，就不會被當作食物。

隨著機器人變得越來越小，從蜻蜓特工到蜂鳥機器人，重型電池的合理性在當代并不是唯一寵兒。MAS系統機器人的原型比高端能量收集器（如太陽能電池）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器人對傳統電池的需求。

MAS系統未來的期許是在太空中發揮作用，人類生存系統需要氧氣，但機器人不需要。“火箭助推器被使用一次，然后就被分離。”研究人員說，它們被釋放并在太空中燃燒，如果能利用起來，讓這些額外的金屬為航天器提供動力，就足以讓機器人跳出傳統充電的模式。這種想法超前并且科幻，但是萬一未來實現了呢？