綜述北理工團隊探索的生物混合機器人供電方案的完整梳理

給小強加上外掛，變身超小強，還可以用手機遙控：

或是將晶片植入Jerry的身體，這樣湯姆貓就無法再欺負他了

當動物們紛紛秀出它們的完全體，這就是一類新物種－生物混合機器人！

這些生物混合機器人因為裝上了各種電子設備，所以人們可以控制這些動物，讓它們去一些危險的地方執行任務。 比起仿生機器人，生物混合機器人利用動物的身體，運動起來更靈活，而且可以在更複雜的環境中活動。

不過這也不是說它們就不需要電源了。其實動物身上的設備通常是靠電刺激神經末梢或肌肉，來控制它們的行動的，這需要用電。而且植入的晶片之類的其它設備也要耗電，所以怎樣給它們持久的電能供應仍然是一個問題。

目前來看，這些生物混合機器人使用的電池通常有這幾類：

常見的電池有化學電池（如紐扣電池）、太陽能電池、生物燃料電池（利用生物體內的化學能）、生物熱能採集設備（收集和利用生物體的體熱）和生物振動能量採集設備（透過動物的運動來充電）

最近來自北理工的王文中、趙傑亮教授領導的團隊在中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《Cyborg and Bionic Systems》上以A Review of Energy Supply for Biomachine Hybrid Robots為題發表了綜述文章，整理了這幾種常見的生物混合機器人的供電方式。

原文連結：

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0053（點擊文章最下方左下角「閱讀原文」進入連結）

▍化學電池

#化學電池是很成熟的技術，所以也是為生物混合機器人供電的首選。化學電池經常被用來給昆蟲機器人供電。

比如說馬達加斯加蟑螂這個昆蟲中的大塊頭，就常被抓來當「苦力」。科學家給蟑螂背上控制背包，用鋰離子電池來驅動這個蟑螂-機器混合機器人。是不是覺得像給蟑螂穿上了一件高科技馬甲？

更有甚者也使用紐帶電池為機器蟑螂身上的低功耗藍牙無線收發器等小零件提供電力。這些小零件在實驗中經過嚴格測試，每個都可以連續工作12小時。

鋰聚合物電池變成大明星，因為它的能量密度高，而且非常輕了。想像一下，讓蟑螂背著鋰聚合物電池，變身超級昆蟲，成為災難救援的英雄。

另外，還有團隊用一枚7.4V、125毫安培時的鋰聚合物電池為名為CameraRoach的蟑螂機器人提供動力。 這傢伙身上的攝影機就像千里眼，可以隨時向遠端控制員報告位置，而且還能透過升壓轉換器獲得更多的能量供應。還有人發明了一種用紐扣電池驅動的微控制背包，專門用來控制蝗蟲的跳躍，在10多分鐘裡能讓蝗蟲跳得超過20次！

對於飛蟲來說，背上的設備越輕越好。科學家為飛蛾機器人找到了兩個超輕的8mAh硬幣電池，總重只有120mg。隨後他們換成了3.6V、8.5mAh的鋰聚合物電池，重量只有300mg。這樣輕的電池可以讓飛蛾機器人更快樂地飛行，連續工作超過5小時

除了昆蟲機器人外，他們連海洋生物都不放過。 有一個團隊也開發了一種用10mAh鋰聚合物電池來驅動水母機器人。 這個微電子控制器就像一個便攜式、自給自足的小型設備，可以隨時讓水母動起來。

相較之下，像老鼠、魚或鴿子這些脊椎動物對電池重量就沒有這麼挑剔了，所以科學家們這時候更關注電池的綜合性能。這裡最常用的是鋰聚合物電池，例如有一種老鼠機器人就用的是兩個120mAh的鋰聚合物電池來為老鼠攜帶的微型相機和電子元件提供電力，讓老鼠能夠順利逃出迷宮。還有一種鴿子導航控制系統，該系統由一個3.7V、120mAh的鋰聚合物電池提供動力。

太陽能電池是一種利用太陽能轉換為電能的裝置。它透過將太陽光轉化為電流，實現了可持續的能源利用。太陽能電池通常由多個光電池片組成，這些片子能夠吸收太陽光並產生電子流。這些電子流經過導線傳輸，最終轉化為可用的電力。太陽能電池可以廣泛應用於家庭、工業和農業等領域，為人們提供清潔、可再生的能源來源。隨著技術的發展，太陽能電池的效率和成本也不斷改善，使得太陽能發電成為可行且可持續的能源選擇

#目前有人使用25mm²大小、質量為63mg的太陽能晶片給飛蛾機器人供電，工作原理和電池很像，它的電壓是4V。在自然光下，太陽能電池可以產生近200μW的穩定輸出，但在人工照明條件或陰影下，輸出功率可能只有4μW。

不過昆蟲們可不會乖乖待在太陽底下給電池充電，所以研究人員給蟑螂設置了一個虛擬圍欄來“畫地為牢”，讓它老實地待在光源附近的一個區域，直到充滿電為止。實驗研究表明，20mA的電池可以在直射和散射陽光下、聚焦白光LED或距離8cm的電燈下，2小時內完全充電。

太陽能電池在受到環境影響時表現不佳。對於那些喜歡藏在陰暗地方的昆蟲機器人來說，太陽能電池的使用受到更多限制

生質燃料電池是一種利用生物質材料作為燃料並轉化為電能的設備。它利用生物質資源，如農作物殘渣、廢棄物和植物油等，經過化學反應產生電能。生物燃料電池具有再生性、低排放和高效能的特點，已廣泛應用於能源領域。它被認為是一種環保和永續發展的能源解決方案，預計在未來取代傳統燃料電池

接下來要說的幾種供電方法都屬於是「羊毛出在羊身上」，也就是透過動物本身來提供能量。例如生物燃料電池就是把生物體中的化學能轉換成電能。

生物燃料電池分成微生物燃料電池和酵素燃料電池兩種，酵素生物燃料電池(EBFC)使用酵素作為催化劑，在體內氧化葡萄糖，被認為是最適合用來植入生物體內的電池。 不過這種電池比較適合大一點的動物，像是老鼠、兔子、鴿子等，而不適合用在昆蟲身上。 利用鴿子體內的葡萄糖和氧氣，生物燃料電池的功率在體外為0.12 mW，在體內為0.08 mW。 透過使用功率管理積體電路，可以在10分鐘內以28.4 mJ的速度收集足夠的能量。

和普通化學電池相比，生物燃料電池的好處是它所需的化學反應物來自動物的體液，所以可以不停地補充，讓電池不停地工作，理論上可以無限期運行。但實際上這種電池的使用壽命很短，而且能量密度比較低，因此許多研究人員寄希望於使用奈米材料來做燃料電池。

▍生物熱能採集設備

動物的體熱也可以用來為電子設備供電。不過目前這主要是用在人體上。為了製造出可以自行供電的穿戴式電子設備，科學家研究了許多種熱電轉換裝置，這些裝置可以把我們身體的熱能轉換為電能。

考慮到可穿戴設備的便攜性，科學家們在很多方面進行了研究，例如怎樣利用溫度差異進行發電，怎樣優化熱電轉換裝置的冷側和熱側，怎樣讓材料和設備更靈活，以及怎樣把從二維到三維的各種特性優化好。

而對於動物，有人就在羊脖子上裝了一種熱電能量採集器，它的最大平均輸出功率可以達到173微瓦。 還有科學家設計了一個可以植入甲蟲體內的微形熱電能量採集器。 這個採集器的熱電偶材料是Bi2Te3/Sb2Te3，在甲蟲的幼蟲階段可以放在它的背上。這個採集器的冷端暴露在空氣中，這樣就可以產生溫差，熱電偶和冷端都附著在一個柔性的聚合物基板上。這個採集器在11°C的溫差下可以達到每平方公分10微瓦的輸出功率密度。

整體來說，生物熱能採集器效率很高，也很環保，但是它的工作原理有一些限制，只有存在足夠的溫差才能產生更多的電能。 因此，這種採集器的功率密度比較低，很難滿足更高的供電需求。

近年來，研究人員在許多方面進行了研究，例如設計並合成了一些新的材料，也設計了一些微納結構來提高採集器的效率。 這些研究的目的是為了製造出更有效率、更高功率密度的生物熱電能量採集器。

生物振動能量採集器是一種設備，可以從生物體的振動中獲取能量

動物在運動時會產生振動，也可以用來供電。振動-電轉換機制中被研究得最多的是基於壓電、電磁和靜電轉換。 振動採集器被用在魚類、鴿子、野雞和長頸鹿身上，甚至有人開發了一種覆蓋有抗菌塗層的空氣囊摩擦奈米發電機，為魚類機器人提供動力。 奈米發電機在魚尾每次擺動時產生0.74毫瓦的峰值功率，其電壓即時反映魚尾的行為。

生物振動能量採集器目前還有一些問題，例如能量轉換效率低、功率密度小、頻率頻寬窄以及小型化和整合不足。 為了改進這些問題，研究人員正在從各個方面進行研究，例如複合材料技術、混合能量轉換機制、多穩態結構以及頻率上轉換結構。

總之，生物混合機器人的能源系統受到了許多研究人員的關注，因為這決定著生物混合機器人未來能否順利發展。目前使用的能源主要是化學電池，這些化學電池能穩定地提供電力。 但化學電池也有一些問題，例如重量大、體積大和能量密度不夠高等。 不過更重要的是怎麼讓生物混合機器人的供能更持久，避免因為更換電池或充電而影響機器人的正常運作。

為了解決這個問題，研究人員正在研究自供能裝置，它可以利用太陽能、生物能量、生物熱能和生物振動能量等。 目前研究的自供能裝置還存在一些問題，例如轉換效率低、輸出功率小、能源供應不穩定以及與生物載體的兼容性不好等。 未來，研究人員需要解決這些問題，開發出更有效率、更持久、更輕的能源供應裝置，讓生物混合機器人更能為人類服務。

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