当电子设备需要自己的电源时，有两种基本选择：电池和能量收集器。电池在内部存储能量，但是它们很重并且供应有限。太阳能电池板等供能设备从其周围环境收集能量。它绕过了电池的一些缺点，但引入了新的缺点，因为它们只能在特定条件下运行，并且不能很快将能量转化为有用的电能。
宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的最新研究首次以“金属-空气清除剂”的形式弥补了这两种基本技术之间的空白，该技术获得了两全其美的优势。
这种金属空气清除剂的工作原理类似于电池，因为它通过反复破坏并形成一系列化学键来提供动力。但是它也像能量收集器一样工作，因为电力是由其周围环境中的能量提供的：特别是金属和空气清除剂周围空气中的化学键。
结果是电源的功率密度是最好的能量收集器的10倍，能量密度是锂离子电池的 13倍。
从长远来看，这种能源可能会成为机器人技术新范式的基础，在机器人技术中，机器通过寻找和“吃掉”金属来保持自身动力，像人类对食物的作用一样，破坏其化学键以获得能量。
在短期内，这项技术已经为两家附属公司提供了动力。宾夕法尼亚大学年度Y-Prize竞赛的获胜者计划使用金属空气清除剂为发展中国家离网房屋的低成本照明灯供电，并为集装箱安装持久耐用的传感器，以对盗窃、损坏甚至人口贩卖发出警报。
研究人员，机械工程和应用力学系的助理教授James Pikul与其实验室成员Min Min和Unnati Joshi一起发表了一项研究，在ACS Energy Letters期刊上证明了其清除剂的能力。
开发金属空气清除剂（MAS）的动机源于以下事实：组成微型机器人的技术和为机器人提供动力的技术在小型化方面根本不匹配。
随着各个晶体管尺寸的缩小，芯片在更小更轻的封装中提供了更多的计算能力。但是，当电池变小时，电池并不能以同样的方式受益。材料中化学键的密度是固定的，所以较小的电池必然意味着较少的化学键断裂。
皮库尔说：“计算性能和能量存储之间的这种倒置关系使小型设备和机器人很难长时间运行。” “有像昆虫一样大小的机器人，但是它们只能在电池电量耗尽之前运行一分钟。”
更糟糕的是，增加更大的电池并不能使机器人使用更长的时间。增加的质量将消耗更多的能量来移动，从而抵消了较大电池提供的额外能量。打破这种令人沮丧的倒置关系的唯一方法是寻找化学键，而不是将它们捆绑在一起。
皮库尔说：“像收集太阳能，热能或振动能的能量收集器，正在变得越来越好。” “它们通常用于为离网的传感器和电子设备供电，问题是它们的功率密度低，这意味着它们无法从环境中吸收能量来达到电池可以提供能量的速度。”
他说：“我们的MAS的功率密度比最好的能量收集器高十倍，以至我们可以与电池竞争。它使用的是电池化学物质，但没有相应的重量，因为它从环境中提取化学物质。”
和传统电池一样，研究人员的MAS从一个阴极开始，阴极连接到它所供电的设备上。在阴极下方是一块水凝胶板，这是一个由聚合物链构成的海绵状网络，通过其携带的水分子在金属表面和阴极之间传导电子。水凝胶作为电解液，它接触的任何金属表面都可以作为电池的阳极，让电子流向阴极，为连接的设备提供能量。
研究人员将一辆小型电动汽车连接到了MAS。将水凝胶拖到其后，MAS车辆会氧化它经过的金属表面，从而在其尾迹中留下微小的锈蚀层。
为了证明这种方法的有效性，研究人员将他们的MAS车辆驱动器在铝表面上绕圈行驶。车辆配备有一个小型储水罐，该储水罐不断将水吸入水凝胶中以防止其变干。
“能量密度是可用能量与必须承担的重量之比，” Pikul说。“即使考虑到多余的水的重量，MAS的能量密度也只有锂离子电池的13倍，因为汽车仅需携带水凝胶和阴极，而无需携带提供能量的金属或氧气。”
研究人员还对锌和不锈钢上的MAS车辆进行了测试。不同的金属赋予MAS不同的能量密度，这取决于它们的氧化潜力。
这种氧化反应仅发生在表面的100微米之内，因此，尽管MAS可能会多次重复使用而耗尽所有容易获得的键，但它几乎不会对它所清除的金属造成重大的结构损伤。
研究人员的MAS系统具有多种用途，非常适合宾夕法尼亚大学的年度Y-Prize商业竞赛，该竞赛对团队挑战以Penn Engineering开发的新生技术为基础的公司提出了挑战。今年的第一名团队金属之光(Metal Light)赢得了10,000美元的奖励，他们的提议是将MAS技术用于发展中国家离网房屋的低成本照明中。排名第二的M-Squared打算在运输集装箱中使用MAS供电的传感器，获得第二名的奖金$ 4,000。
“在短期内，我们将看到我们的MAS支持物联网技术，例如Metal Light和M-Squared提出的技术，” Pikul说。“但真正吸引我们的，以及这项工作背后的动机，是它如何改变了我们设计机器人的方式。”
Pikul的许多其他研究涉及通过借鉴自然界的线索来改进技术。例如，他的实验室的高强度，低密度的“金属木材”受到树木细胞结构的启发，他在机器狮子鱼上的研究涉及给它提供液体电池循环系统，该系统还可以气动地驱动其鳍片。
研究人员认为他们的MAS借鉴了甚至更基本的生物学概念：食物。
皮库尔说：“随着机器人变得更加智能，功能越来越强大，不再需要将自己插入插座中。他们现在可以像人类一样为自己寻找能源。” “有一天，一个需要给电池充电的机器人只需要找到一些铝就可以用MAS'进食'，这将为其提供足够的动力使其工作，直到下一餐。”
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