Résumé : Une revue complète de la solution d'alimentation électrique pour robots biohybrides explorée par l'équipe BIT

Ajoutez un plug-in à Xiaoqiang et transformez-vous en super Xiaoqiang. Vous pouvez également utiliser votre téléphone mobile pour le contrôler :

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Ou implantez une puce dans le corps de Jerry pour que Tom Cat ne puisse plus l'intimider

Lorsque les animaux montrent leur corps complet, il s'agit d'une nouvelle espèce : les robots biohybrides !

Ces robots biohybrides sont équipés de divers appareils électroniques, afin que les gens puissent contrôler ces animaux et les laisser se rendre dans des endroits dangereux pour effectuer des tâches. Par rapport aux robots bioniques, les robots biohybrides utilisent le corps des animaux pour se déplacer avec plus de flexibilité et peuvent se déplacer dans des environnements plus complexes.

Mais cela ne veut pas dire qu’ils n’ont pas besoin d’alimentation électrique. En fait, l’équipement des animaux repose généralement sur la stimulation électrique des terminaisons nerveuses ou des muscles pour contrôler leurs actions, ce qui nécessite l’utilisation de l’électricité. De plus, d'autres appareils tels que les puces implantées consomment également de l'énergie, donc comment leur fournir une alimentation électrique de longue durée reste un problème.

À l'heure actuelle, les batteries utilisées par ces robots biohybrides appartiennent généralement aux catégories suivantes :

Les batteries courantes comprennent les piles chimiques (telles que les piles bouton), les cellules solaires, les biopiles (utilisant l'énergie chimique dans les organismes vivants), les équipements de récupération d'énergie biothermique (collectant et utilisant la chaleur corporelle des organismes vivants) et les équipements de récupération d'énergie par vibration biologique (Recharge à travers le mouvement des animaux)

Récemment, une équipe dirigée par les professeurs Wang Wenzhong et Zhao Jieliang de l'Institut de technologie de Pékin a publié un article de synthèse intitulé A Review of Energy Supply for Biomachine Hybrid Robots dans la nouvelle revue « Cyborg and Bionic Systems » du China Science and Technology Journal Excellence. Plan d'action. Ce sont les méthodes d'alimentation électrique de ces robots biohybrides courants.

Lien original :

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0053 (Cliquez sur "Lire le texte original" dans le coin inférieur gauche de l'article pour entrer le lien)

▍Batteries chimiques

Les batteries chimiques sont une technologie très mature, elles constituent donc également le premier choix pour alimenter les robots biohybrides. Les batteries chimiques sont souvent utilisées pour alimenter les robots insectes.

Par exemple, la blatte de Madagascar, la plus grosse des insectes, est souvent capturée et utilisée comme « coolie ». Les scientifiques ont installé un sac à dos de contrôle sur le cafard et ont utilisé des batteries lithium-ion pour piloter ce robot hybride cafard-machine. N'est-ce pas comme mettre un gilet high-tech sur un cafard ?

De plus, des piles bouton sont utilisées pour alimenter de petites pièces telles que les émetteurs-récepteurs sans fil Bluetooth à faible consommation sur le robot cafard. Ces petites pièces ont été rigoureusement testées lors d'expériences et chacune peut fonctionner en continu pendant 12 heures.

La

Batterie au lithium polymère est devenue une grande star car elle a une densité énergétique élevée et est très légère. Imaginez laisser un cafard transporter une batterie au lithium polymère et se transformer en super insecte et devenir un héros de sauvetage en cas de catastrophe.

De plus,

Il existe également une équipe qui utilise une batterie au lithium polymère de 7,4 V et 125 mAh pour alimenter un robot cafard nommé CameraRoach. La caméra de ce type est comme un clairvoyant, elle peut signaler son emplacement à la télécommande à tout moment, et elle peut également obtenir plus d'énergie grâce au convertisseur boost. Quelqu'un d'autre a inventé un sac à dos à microcontrôle alimenté par une pile bouton, spécifiquement utilisé pour contrôler le saut des criquets. Il peut faire sauter les criquets plus de 20 fois en plus de 10 minutes !

Pour les insectes volants, plus l'équipement sur votre dos est léger, mieux c'est. Les scientifiques ont trouvé deux piles boutons ultralégères de 8 mAh pour le robot papillon, avec un poids total de seulement 120 mg. Ensuite, ils l’ont remplacé par une batterie au lithium polymère de 3,6 V, 8,5 mAh, qui ne pesait que 300 mg. Une batterie aussi légère permet au robot papillon de voler plus joyeusement et de travailler en continu pendant plus de 5 heures

À l’exception des robots insectes, ils n’épargnent même pas la vie marine.

Une équipe a également développé un robot méduse qui utilise une batterie lithium polymère de 10 mAh. Ce contrôleur microélectronique est comme un petit appareil portable et autonome qui peut faire bouger la méduse à tout moment.

En revanche, les vertébrés tels que les souris, les poissons ou les pigeons ne sont pas si pointilleux sur le poids de la batterie, c'est pourquoi les scientifiques accordent actuellement plus d'attention aux performances globales de la batterie. La batterie la plus couramment utilisée ici est la batterie au lithium polymère. Par exemple, un robot souris utilise deux batteries au lithium polymère de 120 mAh pour alimenter la caméra miniature et les composants électroniques transportés par la souris, afin que la souris puisse s'échapper du labyrinthe en douceur. Il existe également un système de contrôle de navigation pour pigeons alimenté par une batterie au lithium polymère de 3,7 V et 120 mAh.

Une cellule solaire est un appareil qui utilise l'énergie solaire pour la convertir en énergie électrique. Il permet une utilisation durable de l’énergie en convertissant la lumière du soleil en courant électrique. Les cellules solaires sont généralement constituées de plusieurs cellules photovoltaïques qui absorbent la lumière du soleil et génèrent un flux d'électrons. Ce flux d’électrons est transporté à travers des fils et finalement converti en électricité utilisable. Les cellules solaires peuvent être largement utilisées dans les ménages, l’industrie, l’agriculture et d’autres domaines pour fournir aux populations des sources d’énergie propres et renouvelables. À mesure que la technologie se développe, l'efficacité et le coût des cellules solaires continuent de s'améliorer, faisant de l'énergie solaire une option énergétique viable et durable

Actuellementquelqu'un utilise une puce solaire de 25 mm² avec une masse de 63 mg pour alimenter un robot papillon. Le principe de fonctionnement est très similaire à celui d'une batterie, sa tension est de 4 V. Sous la lumière naturelle, une cellule solaire peut produire une puissance stable de près de 200 μW, mais dans des conditions d’éclairage artificiel ou à l’ombre, la puissance peut être aussi faible que 4 μW.

Cependant, les insectes ne resteront pas au soleil pour recharger la batterie, c'est pourquoi les chercheurs ont installé une clôture virtuelle pour que le cafard "dessine le sol comme une prison" et le laisse rester dans une zone proche de la source de lumière jusqu'à ce qu'il soit complètement chargé. Des études expérimentales ont montré qu'une batterie

20 mA peut être complètement chargée en 2 heures sous la lumière directe et diffuse du soleil, une lumière blanche focalisée par LED ou une lampe à une distance de 8 cm.

Les cellules solaires ne fonctionnent pas bien lorsqu’elles sont exposées aux influences environnementales. Pour les robots insectes qui aiment se cacher dans les endroits sombres, l'utilisation des cellules solaires est plus limitée

La biopile est un appareil qui utilise des matériaux de biomasse comme combustible et les convertit en énergie électrique. Elle utilise les ressources de la biomasse, telles que les résidus de récolte, les déchets et l'huile végétale, pour produire de l'électricité par le biais de réactions chimiques. Les biopiles sont renouvelables, à faibles émissions et à haut rendement, et sont largement utilisées dans le domaine énergétique. Elle est considérée comme une solution énergétique écologique et durable qui devrait remplacer les piles à combustible traditionnelles à l'avenir

Les prochaines méthodes d'alimentation électrique sont toutes

"la laine vient du mouton", c'est-à-dire que l'énergie est fournie par l'animal lui-même. Par exemple, les Les biopiles convertissent l’énergie chimique des organismes vivants en énergie électrique.

Les biopiles sont divisées en

piles à combustible microbiennes et piles à combustible à enzymes. Les biopiles à combustible enzymatiques (EBFC) utilisent des enzymes comme catalyseurs pour oxyder le glucose dans le corps et sont considérées comme les batteries les plus appropriées pour une implantation dans des organismes vivants. Ce type de batterie est cependant plus adapté aux animaux plus gros, tels que les souris, les lapins, les pigeons, etc., mais ne convient pas pour une utilisation sur les insectes. En utilisant le glucose et l'oxygène dans le corps du pigeon, la puissance de la biopile est de 0,12 mW à l'extérieur du corps et de 0,08 mW à l'intérieur du corps. En utilisant un circuit intégré de gestion de l'énergie, suffisamment d'énergie peut être récupérée à 28,4 mJ en 10 minutes.

Par rapport aux batteries chimiques ordinaires,

L'avantage des biopiles est que les réactifs chimiques dont elles ont besoin proviennent de fluides corporels animaux, elles peuvent donc être reconstituées en continu, permettant à la batterie de fonctionner en continu et peut théoriquement fonctionner indéfiniment. Mais en réalité, la durée de vie de ce type de batterie est très courte et la densité énergétique est relativement faible. C'est pourquoi de nombreux chercheurs placent leurs espoirs dans l'utilisation de nanomatériaux pour fabriquer des piles à combustible. ▍Équipements de collecte d'énergie biothermique

La chaleur corporelle des animaux peut également être utilisée pour alimenter des appareils électroniques. Mais actuellement, cela est principalement utilisé sur les humains. Afin de créer des appareils électroniques portables capables de s'alimenter eux-mêmes, les scientifiques ont étudié de nombreux types d'appareils de conversion thermoélectrique.

Ces appareils peuvent convertir la chaleur de notre corps en énergie électrique.

Considérant la portabilité des appareils portables,

les scientifiques ont mené des recherches sur de nombreux aspects, tels que comment utiliser les différences de température pour produire de l'électricité, comment optimiser les côtés froid et chaud des appareils de conversion thermoélectrique, comment rendre les matériaux et les appareils plus flexibles. , et Comment optimiser diverses caractéristiques du bidimensionnel au tridimensionnel.

En ce qui concerne les animaux, quelqu'un a installé un récolteur d'énergie thermoélectrique sur le cou d'un mouton, et sa puissance de sortie moyenne maximale peut atteindre 173 microwatts. Il existe également des scientifiquesqui ont conçu un récupérateur d'énergie thermoélectrique miniature pouvant être implanté dans le scarabée. Le matériau du thermocouple de ce collecteur est le Bi2Te3/Sb2Te3, qui peut être placé sur le dos du coléoptère pendant son stade larvaire. L'extrémité froide de ce collecteur est exposée à l'air, ce qui crée une différence de température, et le thermocouple et l'extrémité froide sont fixés à un substrat polymère flexible. Cette moissonneuse peut atteindre une densité de puissance de sortie de 10 microwatts par centimètre carré à une différence de température de 11°C.

En général, le récupérateur d'énergie biothermique est très efficace et respectueux de l'environnement, mais son principe de fonctionnement présente certaines limites. Ce n'est que lorsqu'il y a une différence de température suffisante que l'on peut produire davantage d'électricité. Par conséquent, la densité de puissance de ce type de collecteur est relativement faible et il est difficile de répondre à des besoins d'alimentation plus élevés.

Ces dernières années, les chercheurs ont mené des recherches dans de nombreux aspects, tels que la conception et la synthèse de nouveaux matériaux, ainsi que la conception de certaines micro-nano structures pour améliorer l'efficacité des collecteurs. Le but de ces études est de créer des récupérateurs d’énergie biothermoélectrique plus efficaces et à plus haute densité de puissance.

Le récupérateur d'énergie par vibration biologique est un appareil qui peut récupérer l'énergie des vibrations des organismes vivants

Les animaux génèrent des vibrations lorsqu’ils bougent, qui peuvent également être utilisées pour fournir de l’énergie. Les mécanismes de conversion vibration-électrique les plus étudiés sont basés sur la conversion piézoélectrique, électromagnétique et électrostatique. Des collecteurs de vibrations ont été utilisés sur des poissons, des pigeons, des faisans et des girafes, et quelqu'un a même développé un nanogénérateur à friction d'airbag recouvert d'un revêtement antibactérien pour alimenter des robots poissons. Le nanogénérateur génère une puissance maximale de 0,74 milliwatts à chaque fois que la queue du poisson se balance, et sa tension reflète le comportement de la queue du poisson en temps réel.

Les récupérateurs d'énergie par vibration biologique rencontrent actuellement encore certains problèmes, tels que faible efficacité de conversion d'énergie, faible densité de puissance, bande passante de fréquence étroite et miniaturisation et intégration insuffisantes. Afin d'améliorer ces problèmes, les chercheurs mènent des recherches sous divers aspects, tels que La technologie des matériaux composites, les mécanismes de conversion d'énergie hybride, les structures multistables et les structures de conversion ascendante de fréquence.

En bref, le système énergétique des robots biohybrides a attiré l'attention de nombreux chercheurs, car il détermine si les robots biohybrides peuvent se développer sans problème à l'avenir. L’énergie actuellement utilisée est principalement constituée de batteries chimiques, qui peuvent fournir une énergie stable. Mais les batteries chimiques présentent également certains problèmes, tels que un poids important, un volume important et une densité énergétique insuffisante. Mais ce qui est plus important est de savoir comment faire durer plus longtemps l'approvisionnement en énergie du robot biohybride et éviter d'affecter le fonctionnement normal du robot en raison du remplacement ou de la charge de la batterie.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs

étudient les appareils auto-alimentés, qui peuvent utiliser l'énergie solaire, la bioénergie, l'énergie biothermique, l'énergie de biovibration, etc. Il existe encore certains problèmes dans les appareils auto-alimentés actuellement étudiés, tels que faible efficacité de conversion, faible puissance de sortie, approvisionnement en énergie instable et mauvaise compatibilité avec les supports biologiques. À l’avenir, les chercheurs devront résoudre ces problèmes et développer des dispositifs d’alimentation en énergie plus efficaces, plus durables et plus légers afin que les robots biohybrides puissent mieux servir les humains.

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