요약: BIT 팀이 탐구한 바이오하이브리드 로봇용 전원 공급 장치 솔루션에 대한 전체 검토

Xiaoqiang에 플러그인을 추가하면 슈퍼 Xiaoqiang으로 변신할 수도 있습니다. 휴대폰을 사용하여 제어할 수도 있습니다.

또는 Tom Cat이 더 이상 그를 괴롭히지 못하도록 Jerry의 몸에 칩을 이식하세요

동물들이 완전한 몸을 과시할 때, 이것은 새로운 종, 바이오하이브리드 로봇입니다!

이 바이오하이브리드 로봇에는 다양한 전자 장치가 장착되어 있어 사람들이 이러한 동물을 제어하고 위험한 장소로 보내 작업을 수행할 수 있습니다. 바이오닉 로봇에 비해 바이오하이브리드 로봇은 동물의 몸을 사용해 더 유연하게 움직이며 더 복잡한 환경에서도 움직일 수 있습니다.

그러나 이것이 전원 공급 장치가 필요하지 않다는 의미는 아닙니다. 실제로 동물에 사용되는 장비는 일반적으로 신경 말단이나 근육의 전기 자극에 의존하여 행동을 제어하며, 이를 위해서는 전기를 사용해야 합니다. 게다가 이식된 칩과 같은 다른 장치도 전력을 소비하므로 장시간 지속되는 전원 공급 장치를 어떻게 제공할 것인가는 여전히 문제입니다.

현재 이러한 바이오하이브리드 로봇에 사용되는 배터리는 일반적으로 다음 범주에 속합니다.

일반적인 배터리에는 화학 배터리(예: 버튼 배터리), 태양 전지, 바이오 연료 전지(생물의 화학 에너지 사용), 바이오열 에너지 수확 장비(생물의 체온 수집 및 활용) 및 생물학적 진동 에너지 수확 장비(충전)가 포함됩니다. 동물의 움직임을 통해)

최근 베이징 공과대학 왕웬중(Wang Wenzhong) 교수와 자오 지엘리앙(Zhao Jieliang) 교수팀은 중국 과학 기술 저널 엑셀런스(China Science and Technology Journal Excellence)의 새 저널 "사이보그 및 바이오닉 시스템(Cyborg and Bionic Systems)"에 A Review of Energy Supply for Biomachine Hybrid Robots라는 제목의 리뷰 기사를 게재했습니다. 실행 계획. 이는 일반적인 바이오 하이브리드 로봇의 전원 공급 방법입니다.

원본링크:

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0053 (링크로 들어가려면 기사 왼쪽 하단의 '원문 읽기'를 클릭하세요)

▍화학 배터리

화학 배터리는 매우 성숙한 기술이므로 바이오하이브리드 로봇에 전원을 공급하기 위한 첫 번째 선택이기도 합니다. 화학 배터리는 종종 곤충 로봇에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.

예를 들어 곤충 중에서 가장 큰 마다가스카르 바퀴벌레를 잡아서 '쿨리'로 이용하는 경우가 많습니다. 과학자들은 바퀴벌레에 방제 배낭을 씌우고 리튬 이온 배터리를 사용하여 이 바퀴벌레-기계 하이브리드 로봇을 운전했습니다. 바퀴벌레에게 첨단 조끼를 입혀주는 느낌이 들지 않나요?

게다가 버튼 배터리는 로봇 바퀴벌레의 저전력 Bluetooth 무선 송수신기와 같은 작은 부품에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 이 작은 부품은 엄격한 실험 테스트를 거쳤으며 각각 12시간 동안 지속적으로 작동할 수 있습니다.

리튬 폴리머 배터리는 에너지 밀도가 높고 매우 가볍기 때문에 빅스타가 되었습니다. 바퀴벌레에게 리튬폴리머 배터리를 짊어지고 슈퍼곤충으로 변신해 재난구조 영웅이 되는 상상을 해보세요.

또한

7.4V, 125mAh 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 CameraRoach라는 바퀴벌레 로봇에 전원을 공급하는 팀도 있습니다. 이 녀석의 카메라는 투시자와 같아서 언제든지 조종기에 위치를 보고할 수 있으며 부스트 변환기를 통해 더 많은 에너지 공급을 받을 수도 있습니다. 다른 사람이 메뚜기의 점프를 제어하는 ​​데 사용되는 버튼 배터리로 구동되는 마이크로 제어 배낭을 발명했습니다. 이는 메뚜기가 10분 이상 동안 20번 이상 점프하도록 할 수 있습니다.

날아다니는 곤충의 경우 등에 짊어진 장비가 가벼울수록 좋습니다. 과학자들은 총 무게가 120mg에 불과한 나방 로봇용 초경량 8mAh 코인 배터리 2개를 발견했습니다. 그런 다음 무게가 300mg에 불과한 3.6V, 8.5mAh 리튬 폴리머 배터리로 교체했습니다. 이렇게 가벼운 배터리 덕분에 나방로봇은 더욱 즐겁게 날 수 있고 5시간 이상 연속 작업이 가능합니다

곤충 로봇 외에는 해양 생물도 아끼지 않습니다.

A팀은 10mAh 리튬 폴리머 배터리를 사용하는 해파리 로봇도 개발했습니다. 이 마이크로 전자 컨트롤러는 해파리를 언제든지 움직일 수 있는 휴대용 자급자족 소형 장치와 같습니다.

반면 쥐, 물고기, 비둘기 등의 척추동물은 배터리 무게에 그다지 까다롭지 않기 때문에 과학자들은 현재 배터리의 전반적인 성능에 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. 여기서 가장 일반적으로 사용되는 배터리는 리튬 폴리머 배터리입니다. 예를 들어 마우스 로봇은 2개의 120mAh 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 마우스가 들고 있는 소형 카메라와 전자 부품에 전원을 공급하므로 마우스가 미로에서 원활하게 탈출할 수 있습니다. 3.7V, 120mAh 리튬 폴리머 배터리로 구동되는 비둘기 내비게이션 제어 시스템도 있습니다.

태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 햇빛을 전류로 변환하여 지속 가능한 에너지 사용을 가능하게 합니다. 태양전지는 일반적으로 햇빛을 흡수하고 전자의 흐름을 생성하는 여러 개의 광전지로 구성됩니다. 이러한 전자 흐름은 전선을 통해 전달되어 궁극적으로 사용 가능한 전기로 변환됩니다. 태양전지는 사람들에게 깨끗하고 재생 가능한 에너지원을 제공하기 위해 가정, 산업, 농업 및 기타 분야에서 널리 사용될 수 있습니다. 기술이 발전함에 따라 태양전지의 효율성과 비용이 지속적으로 향상되어 태양광 발전이 실행 가능하고 지속 가능한 에너지 옵션이 되었습니다

현재누군가 나방 로봇에 전력을 공급하기 위해 질량이 63mg인 25mm² 태양광 칩을 사용하고 있습니다. 작동 원리는 배터리와 매우 유사하며 전압은 4V입니다. 자연광에서 태양전지는 약 200μW의 안정적인 출력을 낼 수 있지만, 인공 조명 조건이나 그늘에서는 출력이 4μW까지 낮을 수 있습니다.

그러나 곤충은 배터리를 재충전하기 위해 태양 아래 머물지 않기 때문에 연구원들은 바퀴벌레가 "땅을 감옥처럼 끌어들이도록" 가상 울타리를 설정하고 바퀴벌레가 완전히 충전될 때까지 광원 근처에 머물도록 합니다. 청구되었습니다. 실험 연구에 따르면

20mA 배터리는 직사광선 및 산란광, 집중된 백색광 LED 또는 8cm 거리의 ​​램프에서 2시간 이내에 완전히 충전될 수 있는 것으로 나타났습니다.

태양전지는 환경 영향에 노출되면 제대로 작동하지 않습니다. 어두운 곳에 숨는 것을 좋아하는 곤충 로봇의 경우 태양전지의 사용은 더욱 제한적입니다

바이오연료전지는 바이오매스 물질을 연료로 사용하여 전기에너지로 변환하는 장치입니다. 농작물 잔재물, 폐기물, 식물성 기름 등 바이오매스 자원을 활용해 화학반응을 통해 전기를 생산하는 방식이다. 바이오연료전지는 재생이 가능하고, 저공해, 고효율을 자랑하며 에너지 분야에서 널리 사용되고 있다. 미래에 전통적인 연료전지를 대체할 것으로 기대되는 환경 친화적이고 지속 가능한 에너지 솔루션으로 간주됩니다

다음 몇 가지 전원 공급 방법은 모두

"양털은 양에서 나온다" 즉, 동물 자체를 통해 에너지를 공급받는 것입니다. 예를 들어 바이오 연료 전지는 살아있는 유기체의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

바이오연료전지는

미생물 연료전지와 효소 연료전지로 구분됩니다. 효소 바이오 연료전지(EBFC)는 효소를 촉매로 사용해 체내 포도당을 산화시키며, 생명체에 이식하기에 가장 적합한 배터리로 간주됩니다. 그러나 이런 종류의 배터리는 생쥐, 토끼, 비둘기 등과 같은 큰 동물에게 더 적합하지만 곤충에게는 사용하기에는 적합하지 않습니다. 비둘기 몸속의 포도당과 산소를 ​​이용해 바이오연료전지의 출력은 몸 밖에서는 0.12mW, 몸 안에서는 0.08mW이다. 전력 관리 집적 회로를 사용하면 10분 안에 28.4mJ의 충분한 에너지를 수확할 수 있습니다.

일반 화학 배터리와 비교하여

바이오 연료 전지의 장점은 필요한 화학 반응물이 동물의 체액에서 나오므로 지속적으로 보충할 수 있고 배터리가 지속적으로 작동할 수 있으며 이론적으로는 무한정 작동할 수 있다는 것입니다. 그러나 실제로 이러한 종류의 배터리는 수명이 매우 짧고 에너지 밀도도 상대적으로 낮습니다. 따라서 많은 연구자들은 나노물질을 사용하여 연료전지를 만드는 데 희망을 걸고 있습니다. ▍생열 에너지 수집 장비

동물의 체온은 전자 장치에 전원을 공급하는 데 사용될 수도 있습니다. 그러나 현재 이것은 주로 인간에게 사용됩니다. 스스로 전력을 공급할 수 있는 웨어러블 전자 장치를 만들기 위해 과학자들은 다양한 종류의 열전 변환 장치를 연구해 왔습니다.

이 장치는 우리 체온을 전기 에너지로 변환할 수 있습니다.

웨어러블 기기의 휴대성을 고려하여 과학자들은 온도차를 활용하여 전기를 생산하는 방법, 열전 변환 장치의 찬 쪽과 뜨거운 쪽을 최적화하는 방법, 재료와 장치를 보다 유연하게 만드는 방법 등 다방면에서 연구를 진행해 왔습니다. , 2차원에서 3차원까지 다양한 특성을 최적화하는 방법.

동물의 경우 어떤 사람이 양의 목에 열전 에너지 수확기를 설치했는데, 최대 평균 출력은 173마이크로와트에 달합니다. 또한 과학자들은 딱정벌레에 이식할 수 있는 소형 열전 에너지 수확기를 설계했습니다. 이 수집기의 열전대 재료는 Bi2Te3/Sb2Te3이며, 애벌레 단계에서 딱정벌레의 뒷면에 배치할 수 있습니다. 이 수집기의 차가운 끝은 공기에 노출되어 온도 차이가 발생하며 열전대와 차가운 끝은 모두 유연한 폴리머 기판에 부착됩니다. 이 수확기는 11°C의 온도 차이에서 평방 센티미터당 10마이크로와트의 출력 전력 밀도를 달성할 수 있습니다.

일반적으로 바이오열 에너지 수확기는 매우 효율적이고 환경친화적이지만, 작동 원리에는 온도차가 충분히 있어야만 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다. 따라서 이러한 종류의 컬렉터의 전력 밀도는 상대적으로 낮고 더 높은 전원 공급 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.

최근 몇 년 동안 연구자들은 일부 새로운 물질을 설계 및 합성하고, 수집기의 효율성을 향상시키기 위해 일부 마이크로 나노 구조를 설계하는 등 다양한 측면에서 연구를 수행했습니다. 이러한 연구의 목적은 보다 효율적이고 전력 밀도가 높은 생체열전기 에너지 수확기를 만드는 것입니다.

생체진동 에너지 하베스터는 생명체의 진동으로부터 에너지를 수확할 수 있는 장치입니다

동물은 움직일 때 진동을 생성하며, 이는 전력을 공급하는 데에도 사용될 수 있습니다. 가장 많이 연구된 진동-전기 변환 메커니즘은 압전, 전자기 및 정전기 변환을 기반으로 합니다. 진동 수집기는 물고기, 비둘기, 꿩, 기린에 사용되었으며, 누군가는 물고기 로봇에 전력을 공급하기 위해 항균 코팅으로 덮인 에어백 마찰 나노발전기를 개발하기도 했습니다. 나노발전기는 물고기 꼬리가 흔들릴 때마다 0.74밀리와트의 피크 전력을 생성하며, 그 전압은 물고기 꼬리의 행동을 실시간으로 반영합니다.

생물학적 진동 에너지 하베스터는 현재 낮은 에너지 변환 효율, 낮은 전력 밀도, 좁은 주파수 대역폭, 소형화 및 통합 부족 등 몇 가지 문제를 여전히 안고 있습니다. 이러한 문제를 개선하기 위해 연구자들은 복합재료 기술, 하이브리드 에너지 변환 메커니즘, 다중 안정 구조, 주파수 상향 변환 구조 등 다양한 측면에서 연구를 진행하고 있습니다.

간단히 말하면, 바이오하이브리드 로봇의 에너지 시스템은 바이오하이브리드 로봇이 앞으로 원활하게 발전할 수 있을지를 결정짓는다는 점에서 많은 연구자들의 주목을 받고 있다. 현재 사용되는 에너지는 주로 화학전지로 안정적인 전력 공급이 가능하다. 그러나 화학 배터리에도 무게가 크고 부피가 크며 에너지 밀도가 부족한 등 몇 가지 문제가 있습니다. 그러나 더 중요한 것은 바이오하이브리드 로봇의 에너지 공급을 어떻게 더 오래 지속시키고, 배터리 교체나 충전으로 인해 로봇의 정상적인 작동에 영향을 미치지 않도록 하는가입니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은

태양에너지, 생체에너지, 생체열에너지, 생체진동에너지 등을 활용할 수 있는 자가발전소자를 연구하고 있습니다. 현재 연구 중인 자가 동력 장치에는 낮은 변환 효율, 작은 출력 전력, 불안정한 에너지 공급, 생물학적 운반체와의 호환성 불량 등 여전히 몇 가지 문제가 있습니다. 앞으로 연구자들은 이러한 문제를 해결하고 바이오하이브리드 로봇이 인간에게 더 나은 서비스를 제공할 수 있도록 보다 효율적이고 오래 지속되며 가벼운 에너지 공급 장치를 개발해야 합니다.

위 내용은 요약: BIT 팀이 탐구한 바이오하이브리드 로봇용 전원 공급 장치 솔루션에 대한 전체 검토의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!