Zusammenfassung: Eine vollständige Überprüfung der vom BIT-Team untersuchten Stromversorgungslösung für Biohybridroboter

Fügen Sie Xiaoqiang ein Plug-in hinzu und verwandeln Sie sich in Super-Xiaoqiang. Sie können es auch mit Ihrem Mobiltelefon steuern:

Oder implantiere einen Chip in Jerrys Körper, damit Tom Cat ihn nicht länger schikanieren kann

Wenn Tiere ihren kompletten Körper zur Schau stellen, handelt es sich um eine neue Spezies – Biohybrid-Roboter!

Diese Biohybridroboter sind mit verschiedenen elektronischen Geräten ausgestattet, sodass Menschen diese Tiere kontrollieren und sie an gefährliche Orte gehen lassen können, um dort Aufgaben auszuführen. Im Vergleich zu bionischen Robotern nutzen Biohybridroboter den Körper von Tieren, um sich flexibler zu bewegen und können sich in komplexeren Umgebungen bewegen.

Aber das bedeutet nicht, dass sie keine Stromversorgung benötigen. Tatsächlich beruht die Ausrüstung von Tieren normalerweise auf der elektrischen Stimulation von Nervenenden oder Muskeln, um ihre Aktionen zu steuern, was den Einsatz von Elektrizität erfordert. Darüber hinaus verbrauchen auch andere Geräte wie implantierte Chips Strom, sodass es immer noch ein Problem ist, sie dauerhaft mit Strom zu versorgen.

Derzeit fallen die von diesen Biohybridrobotern verwendeten Batterien normalerweise in die folgenden Kategorien:

Zu den üblichen Batterien gehören chemische Batterien (z. B. Knopfbatterien), Solarzellen, Biobrennstoffzellen (die chemische Energie in lebenden Organismen nutzen), biothermische Energiegewinnungsgeräte (Sammeln und Nutzen der Körperwärme lebender Organismen) und biologische Schwingungsenergiegewinnungsgeräte (Aufladen). durch Tierbewegung)

Kürzlich veröffentlichte ein Team unter der Leitung der Professoren Wang Wenzhong und Zhao Jieliang vom Beijing Institute of Technology einen Übersichtsartikel mit dem Titel „A Review of Energy Supply for Biomachine Hybrid Robots“ in der neuen Zeitschrift „Cyborg and Bionic Systems“ des China Science and Technology Journal Excellence Aktionsplan. Dies sind die Stromversorgungsmethoden dieser gängigen Biohybridroboter.

Originallink:

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0053 (Klicken Sie unten links im Artikel auf „Originaltext lesen“, um den Link einzugeben)

▍Chemische Batterien

Chemische Batterien sind eine sehr ausgereifte Technologie und daher auch die erste Wahl für den Antrieb von Biohybridrobotern. Für den Antrieb von Insektenrobotern werden häufig chemische Batterien eingesetzt.

Zum Beispiel wird die Madagaskar-Kakerlake, das größte unter den Insekten, oft gefangen und als „Kuli“ verwendet. Wissenschaftler setzten der Kakerlake einen Kontrollrucksack auf und nutzten „Lithium-Ionen-Batterien“, um diesen Kakerlaken-Maschinen-Hybridroboter anzutreiben. Fühlt es sich nicht so an, als würde man einer Kakerlake eine Hightech-Weste anziehen?

Darüber hinaus werden Knopfbatterien verwendet, um Kleinteile wie energiesparende drahtlose Bluetooth-Transceiver auf der Roboterschabe mit Strom zu versorgen. Diese kleinen Teile wurden in Experimenten gründlich getestet und können jeweils 12 Stunden lang ununterbrochen arbeiten.

Lithium-Polymer-Akku ist zu einem großen Star geworden, weil er eine hohe Energiedichte aufweist und sehr leicht ist. Stellen Sie sich vor, Sie lassen eine Kakerlake eine Lithium-Polymer-Batterie tragen, sich in ein Superinsekt verwandeln und zum Helden der Katastrophenrettung werden.

Darüber hinaus Es gibt auch ein Team, das einen Kakerlakenroboter namens CameraRoach mit einer 7,4-V-Lithium-Polymer-Batterie mit 125 mAh antreibt. Die Kamera dieses Kerls ist wie ein Hellseher, sie kann jederzeit ihren Standort an die Fernbedienung melden und kann durch den Aufwärtswandler auch mehr Energie erhalten. Jemand anderes hat einen Mikrokontrollrucksack erfunden, der mit einer Knopfbatterie betrieben wird und speziell dazu dient, das Springen von Heuschrecken zu steuern. Er kann die Heuschrecken in mehr als 10 Minuten mehr als 20 Mal springen lassen!

Für Fluginsekten gilt: Je leichter die Ausrüstung auf Ihrem Rücken, desto besser. Für den Mottenroboter fanden die Wissenschaftler zwei ultraleichte 8-mAh-Knopfbatterien mit einem Gesamtgewicht von nur 120 mg. Dann ersetzten sie ihn durch einen 3,6-V-Lithium-Polymer-Akku mit 8,5 mAh, der nur 300 mg wog. Eine so leichte Batterie ermöglicht es dem Mottenroboter, glücklicher zu fliegen und mehr als 5 Stunden ununterbrochen zu arbeiten

Mit Ausnahme von Insektenrobotern verschonen sie nicht einmal Meereslebewesen. Ein Team hat außerdem einen Quallenroboter entwickelt, der einen 10-mAh-Lithium-Polymer-Akku verwendet.

Dieser mikroelektronische Controller ist wie ein tragbares, autarkes kleines Gerät, das die Quallen jederzeit in Bewegung versetzen kann.

Im Gegensatz dazu sind Wirbeltiere wie Mäuse, Fische oder Tauben nicht so wählerisch, was das Batteriegewicht angeht, weshalb Wissenschaftler derzeit mehr auf die Gesamtleistung der Batterie achten. Die am häufigsten verwendete Batterie ist hier eine Lithium-Polymer-Batterie. Beispielsweise verwendet ein Mausroboter zwei 120-mAh-Lithium-Polymer-Batterien, um die von der Maus getragene Miniaturkamera und die elektronischen Komponenten mit Strom zu versorgen, so dass die Maus problemlos aus dem Labyrinth entkommen kann. Es gibt auch ein Navigationssystem für Tauben, das von einem 3,7-V-Lithium-Polymer-Akku mit 120 mAh betrieben wird.

Eine Solarzelle ist ein Gerät, das Sonnenenergie nutzt, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Es ermöglicht eine nachhaltige Energienutzung durch die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Solarzellen bestehen in der Regel aus mehreren Photovoltaikzellen, die Sonnenlicht absorbieren und einen Elektronenfluss erzeugen. Dieser Elektronenfluss wird durch Drähte transportiert und schließlich in nutzbaren Strom umgewandelt. Solarzellen können in Haushalten, in der Industrie, in der Landwirtschaft und in anderen Bereichen weit verbreitet eingesetzt werden, um Menschen mit sauberen und erneuerbaren Energiequellen zu versorgen. Mit der Weiterentwicklung der Technologie verbessern sich Effizienz und Kosten von Solarzellen weiter und machen Solarenergie zu einer praktikablen und nachhaltigen Energieoption

Derzeitjemand verwendet einen Solarchip mit einer Größe von 25 mm² und einer Masse von 63 mg, um einen Mottenroboter anzutreiben. Das Funktionsprinzip ist einer Batterie sehr ähnlich und seine Spannung beträgt 4 V. Unter natürlichem Licht kann eine Solarzelle eine stabile Leistung von fast 200 μW erzeugen, unter künstlichen Lichtbedingungen oder im Schatten kann die Leistung jedoch nur 4 μW betragen.

Insekten bleiben jedoch nicht in der Sonne, um die Batterie aufzuladen. Deshalb haben die Forscher einen virtuellen Zaun für die Kakerlake aufgestellt, um „den Boden als Gefängnis zu zeichnen“ und sie in einem Bereich in der Nähe der Lichtquelle bleiben zu lassen, bis sie vollständig aufgeladen ist aufgeladen. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass ein

20-mA-Akku unter direkter und diffuser Sonneneinstrahlung, fokussierter weißer LED oder einer Lampe in einem Abstand von 8 cm innerhalb von 2 Stunden vollständig aufgeladen werden kann.

Solarzellen funktionieren nicht gut, wenn sie Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Für Insektenroboter, die sich gerne an dunklen Orten verstecken, ist der Einsatz von Solarzellen eingeschränkter

Biobrennstoffzelle ist ein Gerät, das Biomassematerialien als Brennstoff nutzt und diese in elektrische Energie umwandelt. Es nutzt Biomasseressourcen wie Ernterückstände, Abfälle und Pflanzenöl, um durch chemische Reaktionen Strom zu erzeugen. Biobrennstoffzellen sind erneuerbar, emissionsarm und hocheffizient und werden häufig im Energiebereich eingesetzt. Es gilt als umweltfreundliche und nachhaltige Energielösung, die in Zukunft herkömmliche Brennstoffzellen ersetzen soll

Die nächsten Energieversorgungsmethoden sind alle

„Wolle kommt vom Schaf“, das heißt, die Energie wird durch das Tier selbst bereitgestellt. Beispielsweise wandeln Biobrennstoffzellen chemische Energie in lebenden Organismen in elektrische Energie um.

Biobrennstoffzellen werden in

mikrobielle Brennstoffzellen und Enzymbrennstoffzellen Enzymbiobrennstoffzellen (EBFC) unterteilt, die Enzyme als Katalysatoren zur Oxidation von Glukose im Körper verwenden und als die am besten geeigneten Batterien für die Implantation in lebende Organismen gelten. Diese Art von Batterie eignet sich jedoch eher für größere Tiere, wie Mäuse, Kaninchen, Tauben usw., ist jedoch nicht für den Einsatz bei Insekten geeignet. Unter Verwendung von Glukose und Sauerstoff im Taubenkörper beträgt die Leistung der Biobrennstoffzelle außerhalb des Körpers 0,12 mW und innerhalb des Körpers 0,08 mW. Durch die Verwendung eines integrierten Schaltkreises zur Energieverwaltung kann in 10 Minuten ausreichend Energie mit 28,4 mJ geerntet werden.

Im Vergleich zu gewöhnlichen chemischen Batterien

Der Vorteil von Biobrennstoffzellen besteht darin, dass die von ihnen benötigten chemischen Reaktanten aus tierischen Körperflüssigkeiten stammen, so dass sie kontinuierlich nachgefüllt werden können, so dass die Batterie kontinuierlich arbeiten und theoretisch unbegrenzt laufen kann. Tatsächlich ist die Lebensdauer dieser Art von Batterie jedoch sehr kurz und die Energiedichte relativ gering. Daher setzen viele Forscher auf die Verwendung von Nanomaterialien zur Herstellung von Brennstoffzellen. ▍Geräte zur Erfassung biothermischer Energie

Die Körperwärme von Tieren kann auch zum Betreiben elektronischer Geräte genutzt werden. Derzeit wird dies jedoch hauptsächlich am Menschen angewendet. Um tragbare elektronische Geräte zu entwickeln, die sich selbst mit Strom versorgen können, haben Wissenschaftler viele Arten thermoelektrischer Umwandlungsgeräte untersucht.

Diese Geräte können unsere Körperwärme in elektrische Energie umwandeln.

In Anbetracht der Tragbarkeit von tragbaren Geräten haben

Wissenschaftler in vielen Aspekten geforscht, beispielsweise wie Temperaturunterschiede zur Stromerzeugung genutzt werden können, wie die Kalt- und Warmseiten von thermoelektrischen Umwandlungsgeräten optimiert werden können und wie Materialien und Geräte flexibler gestaltet werden können und wie man verschiedene Eigenschaften von zweidimensional bis dreidimensional optimiert.

Was Tiere betrifft, jemand hat einen thermoelektrischen Energie-Harvester am Hals eines Schafes installiert, und seine maximale durchschnittliche Ausgangsleistung kann 173 Mikrowatt erreichen. Es gibt auch Wissenschaftlerdie einen thermoelektrischen Miniatur-Energie-Harvester entwickelt haben, der in den Käfer implantiert werden kann. Das Thermoelementmaterial dieses Kollektors ist Bi2Te3/Sb2Te3, das im Larvenstadium auf dem Rücken des Käfers platziert werden kann. Das kalte Ende dieses Kollektors ist der Luft ausgesetzt, wodurch ein Temperaturunterschied entsteht, und sowohl das Thermoelement als auch das kalte Ende sind an einem flexiblen Polymersubstrat befestigt. Dieser Harvester kann eine Ausgangsleistungsdichte von 10 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei einem Temperaturunterschied von 11 °C erreichen.

Generell ist der biothermische Energie-Harvester sehr effizient und umweltfreundlich, sein Funktionsprinzip weist jedoch einige Einschränkungen auf. Nur wenn ein ausreichender Temperaturunterschied vorhanden ist, kann mehr Strom erzeugt werden. Daher ist die Leistungsdichte dieser Art von Kollektor relativ gering und es ist schwierig, einen höheren Stromversorgungsbedarf zu decken.

In den letzten Jahren haben Forscher in vielen Aspekten geforscht, beispielsweise Entwurf und Synthese einiger neuer Materialien sowie der Entwurf einiger Mikro-Nano-Strukturen, um die Effizienz von Kollektoren zu verbessern. Der Zweck dieser Studien besteht darin, effizientere biothermoelektrische Energieerntegeräte mit höherer Leistungsdichte zu entwickeln.

Der biologische Schwingungsenergie-Harvester ist ein Gerät, das Energie aus der Schwingung lebender Organismen gewinnen kann

Tiere erzeugen bei ihrer Bewegung Vibrationen, die auch zur Energiegewinnung genutzt werden können. Die am häufigsten untersuchten schwingungselektrischen Umwandlungsmechanismen basieren auf piezoelektrischer, elektromagnetischer und elektrostatischer Umwandlung. Vibrationskollektoren wurden bei Fischen, Tauben, Fasanen und Giraffen eingesetzt, und jemand hat sogar einen Airbag-Reibungs-Nanogenerator entwickelt, der mit einer antibakteriellen Beschichtung überzogen ist, um Fischroboter anzutreiben. Der Nanogenerator erzeugt bei jedem Schwingen des Fischschwanzes eine Spitzenleistung von 0,74 Milliwatt und seine Spannung spiegelt das Verhalten des Fischschwanzes in Echtzeit wider.

Biologische Vibrationsenergie-Harvester haben derzeit noch einige Probleme, wie z. B. geringe Energieumwandlungseffizienz, geringe Leistungsdichte, schmale Frequenzbandbreite und unzureichende Miniaturisierung und Integration. Um diese Probleme zu verbessern, forschen Forscher unter verschiedenen Aspekten, wie zum Beispiel Verbundmaterialtechnologie, hybride Energieumwandlungsmechanismen, multistabile Strukturen und Frequenz-Upconversion-Strukturen.

Kurz gesagt, das Energiesystem biohybrider Roboter hat die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen, da es darüber entscheidet, ob sich biohybride Roboter in Zukunft reibungslos entwickeln können. Die derzeit verwendete Energie besteht hauptsächlich aus chemischen Batterien, die eine stabile Stromversorgung liefern können. Aber chemische Batterien haben auch einige Probleme, wie z. B. großes Gewicht, großes Volumen und unzureichende Energiedichte. Aber was noch wichtiger ist, ist, wie man die Energieversorgung des Biohybrid-Roboters länger hält und verhindert, dass der normale Betrieb des Roboters durch Batteriewechsel oder Aufladen beeinträchtigt wird.

Um dieses Problem zu lösen, untersuchen Forscher

autarke Geräte, die Sonnenenergie, Bioenergie, biothermische Energie, Biovibrationsenergie usw. nutzen können. Es gibt immer noch einige Probleme bei den derzeit untersuchten autarken Geräten, wie z. B. geringe Umwandlungseffizienz, geringe Ausgangsleistung, instabile Energieversorgung und schlechte Kompatibilität mit biologischen Trägern. In Zukunft müssen Forscher diese Probleme lösen und effizientere, langlebigere und leichtere Energieversorgungsgeräte entwickeln, damit Biohybridroboter den Menschen besser dienen können.

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