När elektronik behöver sina egna strömkällor, det finns två grundläggande alternativ:batterier och skördare. Batterier lagrar energi internt, men är därför tunga och har ett begränsat utbud. Skördare, som solpaneler, samla energi från sina miljöer. Detta kringgår några av nackdelarna med batterier men introducerar nya, genom att de bara kan fungera under vissa förhållanden och inte kan omvandla den energin till användbar kraft särskilt snabbt.

Ny forskning från University of Pennsylvanias School of Engineering and Applied Science överbryggar klyftan mellan dessa två grundläggande teknologier för första gången i form av en "metall-luftrenare" som får det bästa av två världar.

Denna metall-luftrenare fungerar som ett batteri, genom att den ger kraft genom att upprepade gånger bryta och bilda en serie kemiska bindningar. Men den fungerar också som en skördare, i att ström tillförs av energi i dess miljö:specifikt, de kemiska bindningarna i metall och luft som omger metall-luftrenaren.

Resultatet är en kraftkälla som har 10 gånger högre effekttäthet än de bästa energiskördarna och 13 gånger mer energitäthet än litiumjonbatterier.

I längden, denna typ av energikälla kan vara grunden för ett nytt paradigm inom robotik, där maskiner håller sig drivna genom att söka upp och "äta" metall, bryta ner dess kemiska bindningar för energi som människor gör med mat.

På kort sikt, denna teknik driver redan ett par avknoppningsföretag. Vinnarna av Penns årliga Y-Prize-tävling planerar att använda metall-luftrenare för att driva lågprislampor för hem i utvecklingsvärlden utanför nätet och långvariga sensorer för fraktcontainrar som kan varna för stöld, skada eller till och med människohandel.

Forskarna, James Pikul, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik, tillsammans med Min Wang och Unnati Joshi, medlemmar av hans labb, publicerade en studie som visar deras asätares förmåga i tidskriften ACS Energibrev .

Motivationen för att utveckla sin metall-luftrenare, eller MAS, härrörde från det faktum att de teknologier som utgör robotars hjärnor och de teknologier som driver dem är fundamentalt felaktiga när det kommer till miniatyrisering.

När storleken på individuella transistorer krymper, chips ger mer datorkraft i mindre och lättare paket. Men batterier tjänar inte på samma sätt när de blir mindre; tätheten av kemiska bindningar i ett material är fixerade, så mindre batterier innebär nödvändigtvis färre bindningar att bryta.

"Detta inverterade förhållande mellan datorprestanda och energilagring gör det mycket svårt för småskaliga enheter och robotar att fungera under långa tidsperioder, " säger Pikul. "Det finns robotar lika stora som insekter, men de kan bara fungera i en minut innan deras batteri tar slut."

Ännu värre, Att lägga till ett större batteri gör att en robot inte håller längre; den tillsatta massan tar mer energi att röra sig, motverkar den extra energin från det större batteriet. Det enda sättet att bryta detta frustrerande omvända förhållande är att söka efter kemiska bindningar, snarare än att packa ihop dem.

"Skördare, som de som samlar solenergi, termisk eller vibrationsenergi, blir bättre, " säger Pikul. "De är ofta vana vid att driva sensorer och elektronik som är utanför nätet och där du kanske inte har någon i närheten för att byta batterier. Problemet är att de har låg effekttäthet, vilket innebär att de inte kan ta energi ur miljön så snabbt som ett batteri kan leverera den."

"Vår MAS har en effekttäthet som är tio gånger bättre än de bästa skördarna, till den grad att vi kan tävla mot batterier, " han säger, "Det använder batterikemi, men har inte den tillhörande vikten, eftersom det tar dessa kemikalier från miljön."

Som ett traditionellt batteri, forskarnas MAS börjar med en katod som är kopplad till enheten som den driver. Under katoden finns en platta av hydrogel, ett svampigt nätverk av polymerkedjor som leder elektroner mellan metallytan och katoden via de vattenmolekyler den bär. Med hydrogelen som en elektrolyt, vilken metallyta den vidrör fungerar som anoden på ett batteri, låter elektroner flöda till katoden och driva den anslutna enheten.

För sina studier, forskarna kopplade ett litet motoriserat fordon till MAS. Dra hydrogelen bakom sig, MAS-fordonet oxiderade metallytor det färdades över, lämnar ett mikroskopiskt lager av rost i dess spår.

För att visa effektiviteten av detta tillvägagångssätt, forskarna lät sitt MAS-fordon köra i cirklar på en aluminiumyta. Fordonet var försett med en liten reservoar som kontinuerligt förde in vatten i hydrogelen för att förhindra att den torkar ut.

"Energitäthet är förhållandet mellan tillgänglig energi och vikten som måste bäras, " säger Pikul. "Till och med med tanke på vikten av det extra vattnet, MAS hade 13 gånger energitätheten hos ett litiumjonbatteri eftersom fordonet bara behöver bära hydrogelen och katoden, och inte metallen eller syret som ger energin."

Forskarna testade även MAS-fordonen på zink och rostfritt stål. Olika metaller ger MAS olika energitätheter, beroende på deras potential för oxidation.

Denna oxidationsreaktion äger rum endast inom 100 mikron från ytan, så medan MAS kan använda upp alla lätt tillgängliga bindningar med upprepade resor, det finns liten risk att den gör betydande strukturella skador på metallen som den rensar.

Med så många möjliga användningsområden, forskarnas MAS-system passade naturligt för Penns årliga Y-pris, en affärsplanstävling som utmanar team att bygga företag kring ny teknologi utvecklad på Penn Engineering. Årets förstaplatslag, Metall ljus, tjänade $10, 000 för deras förslag att använda MAS-teknik i lågkostnadsbelysning för off-grid hem i utvecklingsländerna. M-Squared, som tjänade $4, 000 på andra plats, avser att använda MAS-drivna sensorer i fraktcontainrar.

"Inom en snar sikt, vi ser att vår MAS driver internet-of-things-teknologier, som vad Metal Light och M-Squared föreslår, " säger Pikul. "Men vad som verkligen var övertygande för oss, och motivationen bakom detta arbete, är hur det förändrar sättet vi tänker på att designa robotar."

Mycket av Pikuls andra forskning handlar om att förbättra tekniken genom att ta ledtrådar från den naturliga världen. Till exempel, hans labb är höghållfast, "metalliskt trä" med låg densitet inspirerades av trädens cellstruktur, och hans arbete med en robotlejonfisk involverade att ge den ett flytande battericirkulationssystem som också pneumatiskt aktiverade dess fenor.

Forskarna ser att deras MAS bygger på ett ännu mer grundläggande biologiskt koncept:mat.

"När vi får robotar som är mer intelligenta och mer kapabla, vi behöver inte längre begränsa oss till att koppla in dem i en vägg. De kan nu hitta energikällor för sig själva, precis som människor gör, " säger Pikul. "En dag, en robot som behöver ladda sina batterier behöver bara hitta lite aluminium att "äta" med en MAS, vilket skulle ge den tillräckligt med kraft för att den ska fungera till nästa måltid."