Roboții rămân fără energie cu mult înainte de a rămâne fără muncă – hrănirea lor ar putea schimba asta

La începutul acestui an, a robot A finalizat o jumătate de maraton la Beijing în puțin sub 2 ore și 40 de minute. Acest lucru este mai lent decât câștigătorul uman, care a intrat la puțin peste o oră – dar este totuși un lucru remarcabil. Mulți alergători de agrement ar fi mândri de acea perioadă. Robotul și -a păstrat ritmul mai mult de 13 mile (21 de kilometri).

Dar nu a făcut acest lucru cu o singură taxă. Pe parcurs, robotul a trebuit să se oprească și să -și facă bateriile schimbate de trei ori. Acest detaliu, deși ușor de trecut cu vederea, vorbește despre o provocare mai profundă în robotică: energie.

Roboții moderni se pot mișca cu o agilitate incredibilă, imitând locomoția animalelor și executând sarcini complexe cu precizie mecanică. În multe feluri, ei rivalizează cu biologia în coordonare și eficiență. Dar când vine vorba de rezistență, roboții încă mai scad. Nu se obosesc de la efort – pur și simplu rămân fără putere.

Ca a Cercetător de robotică Concentrat pe sisteme energetice, studiez îndeaproape această provocare. Cum pot cercetătorii să ofere roboților puterea de ședere a creaturilor vii – și de ce suntem noi Încă departe de acest obiectiv? Deși majoritatea cercetării robotice asupra problemei energetice s -au concentrat pe baterii mai bune, există o altă posibilitate: construiți roboți care mănâncă.

Roboții se mișcă bine, dar rămân fără aburi

Roboții moderni sunt remarcabil de buni în mișcare. Datorită deceniilor de cercetare în biomecanică, control motor și acționare, mașini precum Boston Dynamics ‘Spot și Atlas pot Mergeți, alergați și urcați cu o agilitate care părea cândva la îndemână. În unele cazuri, motoarele lor sunt chiar mai eficiente decât mușchii animalelor.

Dar rezistența este o altă problemă. Spot, de exemplu, poate funcționa pentru doar 90 de minute cu o taxă completă. După aceea, are nevoie de aproape o oră pentru reîncărcare. Aceste perioade de rulare sunt departe de schimbările de opt până la 12 ore așteptate de lucrătorii umani- sau de rezistența multiday a câinilor de sanie.

Înrudite: Noul robot de depozit Amazon are un „sentiment de atingere” care l -ar putea vedea înlocuind muncitorii umani

Problema nu este modul în care roboții se mișcă – este modul în care stochează energia. Majoritatea roboților mobili astăzi folosesc baterii cu litiu-ion, același tip găsit în smartphone-uri și mașini electrice. Aceste baterii sunt fiabile și disponibile pe scară largă, dar performanțele lor se îmbunătățesc într-un ritm lent: în fiecare an, noi baterii cu ioni de litiu sunt cu aproximativ 7% mai bune decât generația anterioară. În acest ritm, ar fi nevoie de un deceniu complet pentru a dubla doar timpul de rulare al unui robot.

Animalele stochează energie în grăsimi, care este extraordinar de dens de energie: aproape 9 kilowatt-ore pe kilogram. Adică aproximativ 68 kWh la un câine de sanie, similar cu energia într-un model Tesla Model 3 încărcat complet. Chiar și cu motoare extrem de eficiente, un robot precum Spot ar avea nevoie de o baterie de zeci de ori mai puternică decât astăzi pentru a se potrivi cu rezistența unui câine de sanie.

Iar reîncărcarea nu este întotdeauna o opțiune. În zonele de dezastre, câmpurile îndepărtate sau misiunile pe durată de lungă durată, o priză de perete sau o baterie de rezervă nu ar putea fi nicăieri la vedere.

În unele cazuri, designerii robotilor pot adăuga mai multe baterii. Dar mai multe baterii înseamnă mai multă greutate, ceea ce crește energia necesară pentru a se deplasa. În roboți extrem de mobili, există un echilibru atent între sarcina utilă, performanță și rezistență. Pentru Locde exemplu, bateria reprezintă deja 16% din greutatea sa.

Unii roboți au folosit Panouri solareȘi, în teorie, acestea ar putea prelungi timpul de rulare, în special pentru sarcini cu putere redusă sau în medii luminoase și însorite. Dar, în practică, energia solară oferă foarte puțină putere în raport cu ceea ce trebuie să meargă, să alerge, să alerge sau să zboare cu viteze practice. De aceea, recolta de energie ca panourile solare rămâne astăzi o soluție de nișă, mai bine potrivită pentru roboții staționari sau ultra-scăzute.

De ce contează

Acestea nu sunt doar limitări tehnice. Ei definesc ce pot face roboții.

Un robot de salvare cu o baterie de 45 de minute s-ar putea să nu dureze suficient de mult pentru a finaliza o căutare. Un robot de fermă care se oprește pentru a se reîncărca în fiecare oră nu poate recolta culturi la timp. Chiar și în depozite sau spitale, perioadele scurte adaugă complexitate și costuri.

Dacă roboții vor juca roluri semnificative în societatea care ajută persoanele în vârstă, explorând mediile periculoase și lucrează alături de oameni, au nevoie de rezistența pentru a rămâne activi ore întregi, nu minute.

Chimii noi pentru baterii, cum ar fi litiu-sulf şi Metal-aer Oferiți o cale mai promițătoare înainte. Aceste sisteme au densități energetice teoretice mult mai mari decât celulele litium-ion de astăzi. Unele niveluri de abordare observate în grăsimea animalelor. Atunci când sunt împerecheate cu actuatoare care transformă eficient energia electrică de la baterie la lucrări mecanice, acestea ar putea permite roboților să se potrivească sau chiar să depășească rezistența animalelor cu grăsimi scăzute pentru corp. Dar chiar și aceste baterii de generație viitoare au limitări. Mulți sunt dificil de reîncărcat, de degradat în timp sau de a face față obstacolelor inginerești în sistemele din lumea reală.

Încărcarea rapidă poate ajuta la reducerea timpului de oprire. Unele baterii emergente se pot reîncărca în câteva minute, mai degrabă decât ore. Dar există compromisuri. Depunerea rapidă a bateriei duratei de viață a bateriei, crește căldura și necesită adesea o infrastructură de încărcare grea, cu putere mare. Chiar și cu îmbunătățiri, un robot de încărcare rapidă trebuie să se oprească frecvent. În medii fără acces la puterea rețelei, acest lucru nu rezolvă problema de bază a energiei limitate la bord. Acesta este motivul pentru care cercetătorii explorează alternative, cum ar fi „alimentarea” roboților cu combustibili metalici sau chimici – la fel cum mănâncă animalele – pentru a ocoli limitele încărcării electrice cu totul.

În natură, animalele nu se reîncărcă, mănâncă. Alimentele sunt transformate în energie prin digestie, circulație și respirație. Fat stocuri că energia, sângele o mișcă și mușchii îl folosesc. Viitorii roboți ar putea urma un model similar cu metabolisme sintetice.

Unii cercetători sunt sisteme de construcții care permit roboților Metal „Digest” sau combustibili chimici și Respirați oxigen. De exemplu, reactoarele chimice sintetice, asemănătoare stomacului, ar putea transforma materiale cu energie mare, cum ar fi aluminiu în electricitate.

Acest lucru se bazează pe numeroasele progrese în autonomia robotului, unde roboții pot simți obiecte într -o cameră și Navigați pentru a le ridicadar aici ar fi ridicat surse de energie.

Alți cercetători dezvoltă sisteme energetice bazate pe fluide care circulă ca sângele. Un exemplu timpuriu, un pește robotizatși-a triplat densitatea energetică folosind un fluid multifuncțional în loc de o baterie standard cu ioni litiu. Această schimbare unică de proiectare a oferit echivalentul a 16 ani de îmbunătățiri a bateriei, nu prin chimie nouă, ci printr -o abordare mai bioinspirată. Aceste sisteme ar putea permite roboților să funcționeze pentru perioade mai lungi de timp, obținând energie din materiale care stochează mult mai multă energie decât bateriile de astăzi.

La animale, sistemul energetic face mai mult decât să ofere energie. Sângele ajută la reglarea temperaturii, la furnizarea de hormoni, la combaterea infecțiilor și la repararea rănilor. Metabolismele sintetice ar putea face același lucru. Viitorii roboți ar putea gestiona căldura folosind lichide circulante sau se vindecă singuri folosind materiale depozitate sau digerate. În loc de un pachet de baterii centrale, energia ar putea fi păstrată în întregul corp în membre, articulații și componente moi, Tisselike.

Această abordare ar putea duce la mașini care nu sunt doar mai lungi, dar mai adaptabile, rezistente și reale.

Linia de jos

Roboții de astăzi pot sări și sprint ca animalele, dar nu pot parcurge distanța.

Corpurile lor sunt rapide, mințile lor se îmbunătățesc, dar sistemele lor energetice nu au prins. Dacă roboții vor lucra alături de oameni în moduri semnificative, va trebui să le oferim mai mult decât inteligență și agilitate. Va trebui să le oferim rezistență.

Acest articol editat este republicat din Conversația sub licență Creative Commons. Citiți Articol original.

James Pikul este profesor asociat de inginerie mecanică la Universitatea din Wisconsin-Madison. Și -a câștigat doctoratul. în inginerie mecanică de la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign, unde a fost Fellow Oficiul pentru Cercetări Absolvate în Departamentul de Energie. Cercetările sale premiate, care pune la punct inginerie mecanică și știința materialelor, a fost recunoscută pe scară largă și prezentată în magazine precum BBC, National Geographic și Discovery News.