Miniaturisierte Energieträger Winzige Batterien für den Antrieb von Robotern in Zellgröße

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Zink-Luft-Batterien, die kleiner als ein Sandkorn sind, könnten winzigen Robotern helfen, ihre Umgebung zu erkennen und darauf zu reagieren.

Größe spielt in der Elektronik und Elektrotechnik oft eine entscheidende Rolle – besonders bei Technologien, die kompakt, leicht und energieeffizient sein müssen. Autonome, miniaturisierte Geräte, die ohne permanente externe Energiequelle auskommen, wie etwa Miniaturroboter, können keine Standardbatterien nutzen.

Hier kommt eine winzige Batterie ins Spiel, die von MIT-Ingenieuren entwickelt wurde. Sie ist so klein, dass sie den Einsatz zellgroßer Roboter ermöglichen könnte, die etwa zur Medikamentenverabreichung im menschlichen Körper oder zur Lecksuche in schwer zugänglichen Bereichen eingesetzt werden könnten.

So dick wie ein Haar und durstig nach Sauerstoff

Die Batterie, die 0,1 mm lang und 0,002 mm dick ist – etwa so dick wie ein menschliches Haar – kann Sauerstoff aus der Luft aufnehmen und ihn zur Oxidation von Zink verwenden, wodurch ein Strom mit einem Potenzial von bis zu 1 Volt entsteht. Das reicht aus, um einen kleinen Schaltkreis, einen Sensor oder ein Stellglied mit Strom zu versorgen, wie es von den Forschern demonstriert wurde. „Wir glauben, dass dies für die Robotik sehr nützlich sein wird“, so Michael Strano, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und Hauptautor der Studie. „Wir bauen Roboterfunktionen in die Batterie ein und fangen an, diese Komponenten zu Geräten zusammenzusetzen.“

Versorgung mit Batterien

Seit mehreren Jahren arbeitet Stranos Labor an winzigen Robotern, die Reize in ihrer Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren können. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung solch winziger Roboter besteht darin, sicherzustellen, dass sie über genügend Energie verfügen.

Andere Forscher haben gezeigt, dass sie mikroskopisch kleine Geräte mithilfe von Solarenergie betreiben können, aber die Einschränkung dieses Ansatzes besteht darin, dass die Roboter immer einen Laser oder eine andere Lichtquelle auf sich gerichtet haben müssen. Solche Geräte werden als „Marionetten“ bezeichnet, weil sie von einer externen Stromquelle gesteuert werden. Durch den Einbau einer Energiequelle wie einer Batterie in diese winzigen Geräte könnten sie sich viel weiter fortbewegen.

„Die Marionettensysteme brauchen nicht wirklich eine Batterie, weil sie die gesamte Energie von außen beziehen“, sagt Strano. „Wenn man aber möchte, dass ein kleiner Roboter in Räume vordringt, zu denen man sonst keinen Zugang hätte, muss er ein höheres Maß an Autonomie haben. Eine Batterie ist unerlässlich für etwas, das nicht an die Außenwelt gebunden sein wird.“

Von Hörgeräten lernen

Um Roboter zu entwickeln, die autonomer werden können, entschied sich das Labor von Strano für eine Art von Batterie, die als Zink-Luft-Batterie bekannt ist. Diese Batterien, die aufgrund ihrer hohen Energiedichte eine längere Lebensdauer als viele andere Batterietypen haben, werden häufig in Hörgeräten verwendet.

Die von ihnen entwickelte Batterie besteht aus einer Zinkelektrode, die mit einer Platinelektrode verbunden ist, die wiederum in einen Streifen eines Polymers namens SU-8 eingebettet ist, das üblicherweise in der Mikroelektronik verwendet wird. Wenn diese Elektroden mit Sauerstoffmolekülen aus der Luft interagieren, wird das Zink oxidiert und setzt Elektronen frei, die zur Platinelektrode fließen und somit einen Strom erzeugen.

In dieser Studie haben die Forscher gezeigt, dass diese Batterie genug Energie liefern kann, um einen Aktor zu betreiben – in diesem Fall einen Roboterarm, der sich heben und senken lässt. Die Batterie könnte auch einen Memristor versorgen, ein elektrisches Bauteil, das Erinnerungen an Ereignisse speichern kann, indem es seinen elektrischen Widerstand ändert, sowie eine Uhrenschaltung, die es Robotergeräten ermöglicht, die Zeit zu verfolgen.

Die Batterie liefert auch genug Strom, um zwei verschiedene Arten von Sensoren zu betreiben, die ihren elektrischen Widerstand ändern, wenn sie auf Chemikalien in der Umgebung treffen. Einer der Sensoren besteht aus atomar dünnem Molybdändisulfid, der andere aus Kohlenstoff-Nanoröhren. „Wir stellen die Grundbausteine her, um Funktionen auf zellulärer Ebene zu entwickeln“, sagte Strano.

Roboterschwärme

In dieser Studie verwendeten die Forscher ein Kabel, um ihre Batterie mit einem externen Gerät zu verbinden, aber in zukünftigen Arbeiten planen sie, Roboter zu bauen, bei denen die Batterie in ein Gerät integriert ist. „Dies wird den Kern vieler unserer Bemühungen im Bereich der Robotik bilden“, sagte Strano. „Man kann einen Roboter um eine Energiequelle herum bauen, so wie man ein Elektroauto um eine Batterie herum bauen kann.“

Eine dieser Bemühungen dreht sich um die Entwicklung winziger Roboter, die in den menschlichen Körper injiziert werden könnten, wo sie einen Zielort aufsuchen und dann ein Medikament wie Insulin freisetzen könnten. Für den Einsatz im menschlichen Körper stellen sich die Forscher vor, dass die Roboter aus biokompatiblen Materialien hergestellt werden, die sich auflösen, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Die Forscher arbeiten auch daran, die Spannung der Batterie zu erhöhen, was zusätzliche Anwendungen ermöglichen könnte. (sb)

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