Магнитные поля повышают мощность мягких роботов

Мягкие роботы могут перемещаться в ограниченном пространстве, выполняя такие задачи, как выращивание кораллов в лабораториях или проверка труб на химических заводах.Наделить их «воплощенным интеллектом», при котором чувства, движения и сила работают вместе без привязки, по-прежнему сложно.Гибкие материалы позволяют роботам сгибаться, а их источники энергии — нет.Стандартные батареи могут сделать корпус жестким, быстро разряжаться или выйти из строя под нагрузкой, что делает роботов привязанными или недолговечными.

Исследователи из Национального университета Сингапура нашли способ превратить эту проблему в преимущество.Их исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что магнитные поля, используемые для управления мягкими роботами, также могут повысить производительность батарей внутри них.

Команда создала гибкие батареи из диоксида цинка и марганца (Zn-MnO₂) из силикона и сложила их вертикально внутри корпуса робота, вдохновленного скатами манты.Вертикальное штабелирование экономит место и обеспечивает гибкость робота.Конструкция скатов манты обеспечивает скоординированное движение, восприятие и использование энергии при компактной компоновке.

Испытания показали, что магнитные поля от приводов робота стабилизируют химический состав батареи, уменьшают рост дендритов и поддерживают выход энергии при изгибе и нагрузке.Благодаря магнитному усилению батареи сохраняли 57,3% емкости после 200 циклов, что почти вдвое больше, чем у неусиленных батарей.Эффект достигается за счет перенаправления ионов цинка для равномерного осаждения и выравнивания спинов электронов в решетке оксида марганца, чтобы предотвратить повреждение кристаллов.Эта двойная стабилизация позволяет обеспечить длительное питание бортовой сети.

Чтобы продемонстрировать этот подход, робот-манта был построен с гибкими батареями, магнитными приводами и гибридной схемой для зондирования и беспроводной связи.Его плавники колеблются в ответ на магнитные поля, позволяя передвигаться по водной поверхности.Те же поля, которые вызывают движение, также повышают стабильность работы батареи.Робот может плавать, поворачиваться, следовать по сложным траекториям и отправлять данные в систему цифровых двойников.

Робот самостоятельно реагирует на препятствия.Инерционные датчики обнаруживают изменения ускорения, предлагая корректировать ориентацию и навигацию.Алгоритмы обратной связи корректируют рыскание, тангаж и крен, вызванные волнами или контактом, а датчики температуры отображают условия окружающей среды.Вертикальная интеграция приводов, датчиков и мощности максимально увеличивает пространство без снижения гибкости, позволяя роботу двигаться, чувствовать и реагировать в режиме реального времени.

В планы на будущее входит добавление миниатюрных датчиков, таких как ультразвуковые и химические детекторы, а также применение магнитного усиления к другим типам или формам батарей, например, к носимым волокнам.Целью являются мягкие роботы, которые работают автономно в сложных или труднодоступных пространствах, от проверки трубопроводов до морского мониторинга или медицинских задач, достигая энергоэффективного встроенного интеллекта, вдохновленного природными конструкциями.