當電子設備需要自己的電源時，有兩種基本選擇：電池和能量收集器。電池在內部存儲能量，但是它們很重並且供應有限。太陽能電池板等供能設備從其周圍環境收集能量。它繞過了電池的一些缺點，但引入了新的缺點，因為它們只能在特定條件下運行，並且不能很快將能量轉化為有用的電能。
賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的最新研究首次以“金屬-空氣清除劑”的形式彌補了這兩種基本技術之間的空白，該技術獲得了兩全其美的優勢。
這種金屬空氣清除劑的工作原理類似於電池，因為它通過反覆破壞並形成一系列化學鍵來提供動力。但是它也像能量收集器一樣工作，因為電力是由其周圍環境中的能量提供的：特別是金屬和空氣清除劑周圍空氣中的化學鍵。
結果是電源的功率密度是最好的能量收集器的10倍，能量密度是鋰離子電池的 13倍。
從長遠來看，這種能源可能會成為機器人技術新範式的基礎，在機器人技術中，機器通過尋找和“吃掉”金屬來保持自身動力，像人類對食物的作用一樣，破壞其化學鍵以獲得能量。
在短期內，這項技術已經為兩家附屬公司提供了動力。賓夕法尼亞大學年度Y-Prize競賽的獲勝者計劃使用金屬空氣清除劑為發展中國家離網房屋的低成本照明燈供電，併為集裝箱安裝持久耐用的傳感器，以對盜竊、損壞甚至人口販賣發出警報。
研究人員，機械工程和應用力學系的助理教授James Pikul與其實驗室成員Min Min和Unnati Joshi一起發表了一項研究，在ACS Energy Letters期刊上證明了其清除劑的能力。
開發金屬空氣清除劑（MAS）的動機源於以下事實：組成微型機器人的技術和為機器人提供動力的技術在小型化方面根本不匹配。
隨著各個晶體管尺寸的縮小，芯片在更小更輕的封裝中提供了更多的計算能力。但是，當電池變小時，電池並不能以同樣的方式受益。材料中化學鍵的密度是固定的，所以較小的電池必然意味著較少的化學鍵斷裂。
皮庫爾說：“計算性能和能量存儲之間的這種倒置關係使小型設備和機器人很難長時間運行。” “有像昆蟲一樣大小的機器人，但是它們只能在電池電量耗盡之前運行一分鐘。”
更糟糕的是，增加更大的電池並不能使機器人使用更長的時間。增加的質量將消耗更多的能量來移動，從而抵消了較大電池提供的額外能量。打破這種令人沮喪的倒置關係的唯一方法是尋找化學鍵，而不是將它們捆綁在一起。
皮庫爾說：“像收集太陽能，熱能或振動能的能量收集器，正在變得越來越好。” “它們通常用於為離網的傳感器和電子設備供電，問題是它們的功率密度低，這意味著它們無法從環境中吸收能量來達到電池可以提供能量的速度。”
他說：“我們的MAS的功率密度比最好的能量收集器高十倍，以至我們可以與電池競爭。它使用的是電池化學物質，但沒有相應的重量，因為它從環境中提取化學物質。”
和傳統電池一樣，研究人員的MAS從一個陰極開始，陰極連接到它所供電的設備上。在陰極下方是一塊水凝膠板，這是一個由聚合物鏈構成的海綿狀網絡，通過其攜帶的水分子在金屬表面和陰極之間傳導電子。水凝膠作為電解液，它接觸的任何金屬表面都可以作為電池的陽極，讓電子流向陰極，為連接的設備提供能量。
研究人員將一輛小型電動汽車連接到了MAS。將水凝膠拖到其後，MAS車輛會氧化它經過的金屬表面，從而在其尾跡中留下微小的鏽蝕層。
為了證明這種方法的有效性，研究人員將他們的MAS車輛驅動器在鋁表面上繞圈行駛。車輛配備有一個小型儲水罐，該儲水罐不斷將水吸入水凝膠中以防止其變幹。
“能量密度是可用能量與必須承擔的重量之比，” Pikul說。“即使考慮到多餘的水的重量，MAS的能量密度也只有鋰離子電池的13倍，因為汽車僅需攜帶水凝膠和陰極，而無需攜帶提供能量的金屬或氧氣。”
研究人員還對鋅和不鏽鋼上的MAS車輛進行了測試。不同的金屬賦予MAS不同的能量密度，這取決於它們的氧化潛力。
這種氧化反應僅發生在表面的100微米之內，因此，儘管MAS可能會多次重複使用而耗盡所有容易獲得的鍵，但它幾乎不會對它所清除的金屬造成重大的結構損傷。
研究人員的MAS系統具有多種用途，非常適合賓夕法尼亞大學的年度Y-Prize商業競賽，該競賽對團隊挑戰以Penn Engineering開發的新生技術為基礎的公司提出了挑戰。今年的第一名團隊金屬之光(Metal Light)贏得了10,000美元的獎勵，他們的提議是將MAS技術用於發展中國家離網房屋的低成本照明中。排名第二的M-Squared打算在運輸集裝箱中使用MAS供電的傳感器，獲得第二名的獎金$ 4,000。
“在短期內，我們將看到我們的MAS支持物聯網技術，例如Metal Light和M-Squared提出的技術，” Pikul說。“但真正吸引我們的，以及這項工作背後的動機，是它如何改變了我們設計機器人的方式。”
Pikul的許多其他研究涉及通過借鑑自然界的線索來改進技術。例如，他的實驗室的高強度，低密度的“金屬木材”受到樹木細胞結構的啟發，他在機器獅子魚上的研究涉及給它提供液體電池循環系統，該系統還可以氣動地驅動其鰭片。
研究人員認為他們的MAS借鑑了甚至更基本的生物學概念：食物。
皮庫爾說：“隨著機器人變得更加智能，功能越來越強大，不再需要將自己插入插座中。他們現在可以像人類一樣為自己尋找能源。” “有一天，一個需要給電池充電的機器人只需要找到一些鋁就可以用MAS'進食'，這將為其提供足夠的動力使其工作，直到下一餐。”
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