على الرغم من أنها عنصر أساسي في أفلام الخيال العلمي ونظريات المؤامرة ، في الحياة الحقيقية ، ناضلت Microbots الطيران الصغيرة-التي قمنا بها بالبطاريات والإلكترونيات-من أجل الوصول إلى حد بعيد. لكن مجموعة جديدة من الدوائر وبطاريات الحالة الصلبة خفيفة الوزن تسمى طوبولوجيا “بطاريات الطيران” يمكن أن تدع هذه الروبوتات تقلع حقًا ، مما قد يعمل على تشغيل الميكروبات لساعات من نظام يزن ملليغرام.
يمكن أن تكون Microbots تقنية مهمة للعثور على أشخاص مدفونون في الأنقاض أو الكشفية في المواقف الخطرة الأخرى. يقول باتريك ميرسييه ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر بجامعة كاليفورنيا سان دييغو ، إنها تحدي هندسي صعب. وصف طالب Mercier Zixiao Lin الدائرة الجديدة الشهر الماضي في مؤتمر دوائر الدولة الصلبة الدولية IEEE (ISSCC). يقول ميرسييه: “لديك هذه الروبوتات الصغيرة حقًا ، وتريدها أن تستمر لأطول فترة ممكنة في هذا المجال”. “أفضل طريقة للقيام بذلك هي استخدام بطاريات الليثيوم أيون ، لأنها تتمتع بأفضل كثافة طاقة. ولكن هناك هذه المشكلة الأساسية ، حيث يحتاج المحركات إلى أعلى بكثير من الجهد الكبير مما يمكن للبطارية توفيره. “
يمكن أن توفر خلية الليثيوم حوالي 4 فولت ، لكن المشغلات الكهروإجهادية للميكروبات تحتاج إلى عشرات إلى مئات الفولت ، كما يوضح Mercier. قام الباحثون ، بما في ذلك مجموعة Mercier الخاصة ، بتطوير دوائر مثل محولات التعزيز لزيادة الجهد. ولكن نظرًا لأنهم يحتاجون إلى محاثات كبيرة نسبيًا أو مجموعة من المكثفات ، فإنها تضيف الكثير من الكتلة وحجمها ، وعادة ما تشغل مساحة كبيرة مثل البطارية نفسها.
قدم نوع جديد من بطارية الحالة الصلبة ، التي تم تطويرها في مختبر الإلكترون الوطني الفرنسي CEA-ETI ، حلاً محتملًا. البطاريات عبارة عن كومة رقيقة من المواد ، بما في ذلك أكسيد الكوبالت الليثيوم ووكسايتريد الفوسفور الليثيوم ، مصنوعًا باستخدام تقنية معالجة أشباه الموصلات ، ويمكن أن يتم تصنيفها في خلايا صغيرة. يمكن أن تخزن خلية 0.8 ملليغرام 0.33-milligram 20 ساعة من الشحن ، أو حوالي 60 أمبير ساعة لكل لتر. (توفر بطاريات أذن ليثيوم أيون أكثر من 100 AH/L ، ولكنها تبلغ حوالي 1000 مرة.) تدور CEA-leti تعتمد على التكنولوجيا ، وقوة الحقن ، في Grenoble ، فرنسا ، تستعد لبدء تصنيع الحجم في أواخر عام 2026.
تكديس البطاريات أثناء الطيران
اقترحت قدرة بطارية الحالة الصلبة أن يتم تصنيفها في خلايا صغيرة أن الباحثين يمكنهم تحقيق الجهد العالي باستخدام دائرة لا تحتاج إلى مكثفات أو محاثات. بدلاً من ذلك ، تقوم الدائرة بإعادة ترتيب الاتصالات بين العديد من البطاريات الصغيرة التي تحركها من التوازي إلى المسلسل والعودة مرة أخرى.
تخيل microdrone الذي يتحرك عن طريق التغلب على الأجنحة المرفقة بمحركات كهروإجهادية. على لوحة الدوائر لها عشرات أو نحو ذلك من الميكروبات الحالة الصلبة. كل بطارية جزء من دائرة تتكون من أربعة ترانزستورات. تعمل هذه المفاتيح التي يمكنها تغيير الاتصال ديناميكيًا إلى جار البطارية بحيث تكون إما موازية ، بحيث تشترك في نفس الجهد ، أو المسلسل ، لذلك تتم إضافة الفولتية.
في البداية ، تكون جميع البطاريات متوازية ، حيث توفر جهدًا لا يوجد مكان قريب بما يكفي لإثارة المشغل. 2 ملم2 IC الذي تم بناؤه فريق UCSD ثم يبدأ في فتح وإغلاق مفاتيح الترانزستور. هذا يعيد ترتيب الاتصالات بين الخلايا بحيث يتم توصيل أول خليتين بشكل متسلسل ، ثم ثلاثة ، ثم أربعة ، وهكذا. في بضع مئات من الأجزاء الثانية ، يتم توصيل جميع البطاريات في السلسلة ، وقد تراكمت الجهد الكثير من الرسوم على المشغل لدرجة أنه يستقر أجنحة Microbot لأسفل. ثم يقوم IC بإرهاق العملية ، مما يجعل البطاريات متوازية مرة أخرى ، واحدة في وقت واحد.
تبلغ مساحة الدائرة المتكاملة في “بطارية الطيران” 2 ملليمتر مربع.باتريك ميرسييه
شحن adiabatic
لماذا لا تربط كل بطارية فقط في سلسلة مرة واحدة بدلاً من المرور عبر هذا المخطط لأعلى ولأسفل؟ في كلمة واحدة ، والكفاءة.
طالما يتم تسلسل البطارية والموازاة بتردد منخفض بما في ذلك ، يقوم النظام بشحن adiably. وهذا هو ، يتم تقليل فقدان الطاقة.
لكن هذا ما يحدث بعد أن يؤدي المشغل إلى “حيث يأتي السحر الحقيقي” ، كما يقول ميرسييه. يعمل المشغل الكهروضوئي في الدائرة مثل المكثف ، ويخزن الطاقة. “تمامًا مثلما كنت تقوم بتكسير التجديد في سيارة ، يمكننا استعادة بعض الطاقة التي قمنا بتخزينها في هذا المحرك.” نظرًا لأن كل بطارية غير مستقرة ، فإن نظام تخزين الطاقة المتبقي لديه جهد أقل من المشغل ، لذلك تدفق بعض الشحن إلى البطاريات.
اختبر فريق UCSD بالفعل نوعين من الميكروبات في الحالة الصلبة-الإصدار الخزفي 1.5 فولت من TDK ومقره طوكيو (Ceracharge 1704-SSB) وتصميم مخصص 4 فولت من CEA-ELTI. مع 1.6 جرام من خلايا TDK ، وصلت الدائرة إلى 56.1 فولت وتسليم كثافة طاقة تبلغ 79 ملوات لكل غرام ، ولكن مع 0.014 جرام من التخزين المخصص ، بلغت الحد الأقصى عند 68 فولت ، وأظهرت كثافة طاقة قدرها 4500 ميجاوات/جم.
يخطط Mercier لاختبار النظام مع شركاء Robotics بينما يعمل فريقه و CEA-LETI على تحسين عبوات نظام البطاريات الطائر ، والتصغير ، وغيرها من الممتلكات. إحدى الخصائص المهمة التي تحتاج إلى عمل هي المقاومة الداخلية للميكروبات. يقول: “إن التحدي هو أنه كلما زاد عدد مكدساتك ، كلما زادت مقاومة السلسلة ، وبالتالي انخفضت التردد الذي يمكننا تشغيل النظام”.
ومع ذلك ، يبدو Mercier صعوديًا على فرص بطاريات الطيران في الحفاظ على microbots عالياً. “الشحن adiabatic مع استرداد الرسوم ولا جواب: هذان فوزان يساعدان على زيادة وقت الرحلة.”
من مقالات موقعك
المقالات ذات الصلة حول الويب
