Цинково-воздушная батарея улавливает кислород из окружающей среды и окисляет мизерное количество цинка, в результате чего может образовываться до 1 вольта. Эта энергия может питать датчики или крошечную роботизированную руку, которая может подниматься и опускаться, чтобы доставить полезный груз — скажем, инсулин прямо в клетки человека с диабетом.
Хотя роботы размером с клетку уже давно предлагаются для доставки лекарств в определенные места тела, их питание было сложным. Многие современные разработки используют солнечную энергию, что означает, что они должны либо находиться под воздействием солнечного света, либо управляться лазером. Но ни то, ни другое не проникает далеко в тело, что ограничивает возможности перемещения таких роботов, прозванных «марионетками», поскольку они должны оставаться связанными с источником света, как марионеточная нить.
«Системам марионеток не нужна батарея, потому что они получают всю необходимую энергию извне», — сказал старший автор исследования Майкл Страно, инженер-химик из Массачусетского технологического института. «Но если вы хотите, чтобы маленький робот мог проникать в пространства, куда иначе не попасть, он должен обладать большим уровнем автономности. Батарея необходима для того, что не будет привязано к внешнему миру».
Новая батарея — одна из самых маленьких из когда-либо изобретенных. В 2022 году исследователи из Германии описали батарею размером в миллиметр, которая может поместиться на микрочипе. Батарея Страно и его команды примерно в 10 раз меньше — всего 0,1 миллиметра в длину и 0,002 миллиметра в толщину. Средний человеческий волос имеет толщину около 0,1 миллиметра.
Батарея состоит из двух компонентов — цинкового и платинового электродов. Они помещены в полимер под названием SU-8. Когда цинк вступает в реакцию с кислородом из воздуха, происходит реакция окисления, в результате которой высвобождаются электроны. Эти электроны поступают на платиновый электрод.
Батареи изготавливаются с помощью процесса фотолитографии, в котором используются светочувствительные материалы для переноса рисунков нанометрового размера на кремниевые пластины. Этот метод обычно используется для производства полупроводников. Он позволяет быстро «напечатать» 10 000 батареек на одной кремниевой пластине, сообщили Страно и его коллеги 14 августа в журнале Science Robotics.
В новом исследовании ученые использовали провод, чтобы соединить эти маленькие батарейки с роботами размером с клетку, которые также разрабатывает лаборатория Страно. Они проверили способность батареек питать мемристор — схему, которая изменяет сопротивление в зависимости от количества протекающего через нее заряда; такие мемристоры могут хранить воспоминания о событиях, основанных на изменениях заряда.
Они также использовали батареи для питания схемы часов, позволяющей роботам следить за временем, и для питания двух наноразмерных датчиков — одного из углеродных нанотрубок и другого из дисульфида молибдена. По словам исследователей, такие микродатчики могут быть запущены в трубопроводы или другие труднодоступные места для обнаружения утечек.
«Мы создаем базовые строительные блоки для создания функций на клеточном уровне», — говорит Страно.
Команда также использовала батареи для перемещения руки одного из своих крошечных роботов, размером с человеческую яйцеклетку. Такая миниатюрная динамика может позволить медицинским роботам, работающим внутри тела, выпускать лекарства в определенное время или в определенном месте.
В будущем команда надеется отказаться от проводов и встроить аккумуляторы в своих микророботов.
«Это станет основой многих наших робототехнических разработок», — говорит Страно. «Вы можете построить робота вокруг источника энергии, как электромобиль вокруг аккумулятора».
