Obundna robotar lider av ett uthållighetsproblem. En möjlig lösning:en cirkulerande vätska - "robotblod" - för att lagra energi och driva dess tillämpningar för sofistikerade, långvariga uppgifter.

Människor och andra komplexa organismer hanterar livet genom integrerade system. Människor lagrar energi i fettreserver spridda över kroppen, och ett invecklat cirkulationssystem transporterar syre och näringsämnen för att driva biljoner celler.

Men öppna huven på en obunden robot och saker och ting är mycket mer segmenterade:Här borta är det solida batteriet och där borta finns motorerna, med kylsystem och andra komponenter utspridda.

Cornell-forskare har skapat ett syntetiskt kärlsystem som kan pumpa en energität hydraulisk vätska som lagrar energi, överför kraft, driver bilagor och ger struktur, allt i en integrerad design.

"I naturen ser vi hur länge organismer kan fungera medan de utför sofistikerade uppgifter. Robotar kan inte utföra liknande bedrifter särskilt länge, sa Rob Shepherd, docent i maskin- och flygteknik. "Vår bioinspirerade tillvägagångssätt kan dramatiskt öka systemets energitäthet samtidigt som mjuka robotar kan förbli mobila mycket längre."

Herde, chef för Organic Robotics Lab, är senior författare till "Electrolytic Vascular Systems for Energy Dense Robots, " som publicerades den 19 juni i Natur . Doktoranden Cameron Aubin är huvudförfattare.

Ingenjörer förlitar sig på litiumjonbatterier för deras täta energilagringspotential. Men solida batterier är skrymmande och har designbegränsningar. Alternativt redoxflödesbatterier (RFB) förlitar sig på en solid anod och mycket löslig katolyt för att fungera. De lösta komponenterna lagrar energi tills den frigörs i en kemisk reduktion och oxidation, eller redox, reaktion.

Mjuka robotar är för det mesta flytande — upp till cirka 90 volymprocent vätska, och många gånger använder hydraulvätska. Att använda den vätskan för att lagra energi ger möjlighet till ökad energitäthet utan extra vikt.

Forskarna testade konceptet genom att skapa en vattenlevande mjuk robot inspirerad av en lejonfisk, designad av medförfattaren James Pikul, en före detta postdoktor som nu är biträdande professor vid University of Pennsylvania. Lejonfiskar använder böljande fläktliknande fenor för att glida genom korallrevsmiljöer (i en uppoffring till sanning, forskarna valde att inte lägga till giftiga fenor som robotarnas levande motsvarigheter).

Silikonhud på utsidan och flexibla elektroder och ett jonseparatormembran inuti gör att roboten kan böjas och böjas. Sammankopplade zink-jodid-flödescellbatterier driver pumpar och elektronik ombord genom elektrokemiska reaktioner. Forskarna uppnådde en energitäthet motsvarande ungefär hälften av ett Tesla Model S litiumjonbatteri.

Roboten simmar med hjälp av kraft som överförs till fenorna från pumpningen av flödescellsbatteriet. Den ursprungliga designen gav tillräckligt med kraft för att simma uppströms i mer än 36 timmar.

Nuvarande RFB-teknik används vanligtvis i stora, stationära applikationer, som att lagra energi från vind- och solkällor. RFB-design har historiskt sett lidit av låg effekttäthet och driftspänning. Forskarna övervann dessa problem genom att koppla fläktens battericeller i serie, och maximerad effekttäthet genom att fördela elektroder över flänsområdena.

"Vi vill ta så många komponenter i en robot och förvandla dem till energisystemet. Om du redan har hydraulvätskor i din robot, då kan du utnyttja stora energilager och ge robotar ökad frihet att arbeta autonomt, " sa Shepherd.

Mjuka undervattensrobotar erbjuder spännande möjligheter för forskning och utforskning. Eftersom vattenlevande mjuka robotar stöds av flytkraft, de kräver inte ett exoskelett eller endoskelett för att upprätthålla strukturen. Genom att designa kraftkällor som ger robotar förmågan att fungera under längre tid, Shepherd tror att autonoma robotar snart kan ströva omkring på jordens hav på viktiga vetenskapliga uppdrag och för känsliga miljöuppgifter som att ta prover på korallrev. Dessa enheter kan också skickas till utomjordiska världar för undervattensspaningsuppdrag.