زباله‌خوارهای هوا-فلز؛ ربات‌هایی که برای تامین انرژی خود، زباله می‌خورند

در جهانی که تمامی تجهیزات الکترونیکی نیاز مبرمی به منابع تأمین انرژی مختص‌‌به‌‌خود را دارند؛ تنها دو راهکار در دسترس خواهد بود: یا باید از باتری‌‌ها استفاده کنیم یا انرژی موردنیاز را توسط خود دستگاه تولید کنیم. باتری‌‌ها می‌‌توانند انرژی را درون خود ذخیره کنند ولی با مشکلاتی مانند وزن بالا و محدودیت در چگالی انرژی مواجه هستند. از سوی دیگر، گزینه‌‌ی استفاده‌‌از مبدل‌های انرژی را در اختیار داریم که می‌‌توانند به‌‌کمک ادواتی نظیر سلول خورشیدی، انرژی موردنیاز را از محیط اطراف جذب کنند. این گزینه برخی از موانع موجود بر سر راه استفاده از باتری‌‌ها را از پیش‌‌رو برخواهد داشت؛ ولی همچنان با چالش‌‌هایی نظیر کارکرد تحت شرایط خاص و سرعت پایین تبدیل انرژی (محدودیت چگالی توان) مواجه است.

پژوهش تازه‌‌ای که ازسوی محققان دانشکده‌‌ی مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده است، راه‌‌حل تازه‌‌ای را برای پرکردن خلا میان دو فناوری یادشده ارائه خواهد کرد و آن استفاده از زباله‌‌خوارهای هوا-فلزی است.

زباله‌‌خوارهای هوا-فلزی (MAS) از مزایای هر دو فناوری بهره خواهند برد؛ شباهت آن‌‌ها به باتری‌‌ها از آن جهت است که می‌‌توانند با شکست برخی پیوندهای شیمیایی درون مواد، به‌‌سرعت انرژی موردنیاز تجهیزات را تأمین کنند. از سوی دیگر، این زباله‌‌خوارها عملکردی مشابه‌‌با تبدیل‌‌کننده‌‌ها را نیز از خود نشان می‌‌دهند؛ چراکه می‌‌توانند انرژی لازم را از محیط پیرامون جذب کنند و جالب آن‌که این انرژی  از محل پیوند شیمیایی درون فلزها و هوای اطراف تأمین می‌‌شود. نتیجه این‌‌که زباله‌‌خوارهای هوا-فلزی می‌‌توانند انواع پیشرفته‌‌تری از منابع تأمین انرژی با ظرفیت چگالی توان ۱۰ برابری نسبت‌‌به بهترین تبدیل‌‌کننده‌‌ها و چگالی ذخیره‌‌سازی انرژی ۱۳ برابری نسبت‌‌به باتری‌‌های لیتیوم‌‌یون به‌شمار آیند.

از دیدگاه بلندمدت، فناوری یادشده می‌‌تواند پایه و اساس نسل جدیدی از طراحی‌‌های رباتیک باشد؛ انواعی شگفت‌‌انگیز از ربات‌‌ها که می‌‌توانند با گشت‌وگذار در محیط و مصرف فلز به بقای خود ادامه دهند. این گونه از ربات‌‌ها می‌‌توانند با شکستن پیوند شیمیایی فلزات، انرژی موردنیاز خود را تأمین کنند؛ مفهومی کمابیش مشابه‌با سازوکار متابولیسم مواد غذایی در بدن انسان‌‌ها.

اما در دیدگاه کوتاه‌‌مدت، این فناوری می‌‌تواند انرژی موردنیاز برخی شرکت‌‌های اسپین‌‌آف را تأمین کند. مبدعان این فناوری که پیش‌‌تر برنده‌‌ی جایزه‌‌ی رقابت‌‌های سالیانه‌‌ی Y-Prize دانشگاه پنسیلوانیا شده‌‌اند، در حال برنامه‌‌ریزی برای طراحی نوعی سیستم تأمین انرژی برای خانه‌‌های فاقد دسترسی به برق در کشورهای در حال توسعه هستند. آن‌‌ها همچنین قصد دارند انواعی بادوام از حسگرهای مورد استفاده در محموله‌‌های باربری را بسازند که قابلیت اعلام هشدار سرقت، خسارت و حتی قاچاق را برخوردار هستند.

زباله‌‌خوارهای هوا-فلزی مشکل وزن بالای باتری‌ها را درمورد ربات‌های مینیاتوری و سایر ادوات الکترونیکی کوچک برطرف خواهد کرد

جیمز پیکول، دانشیار دپارتمان مهندسی مکانیک و مکانیک کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا به‌‌همراه دو تن از همکارانش در آزمایشگاه با نام‌‌های مین وانگ و اوناتی جوشی اخیرا نتایج مطالعه‌‌ی خود را درباره‌‌ی قابلیت‌‌های زباله‌‌خوارهای هوا-فلزی در ژورنال ACS Energy Letters منتشر کرده‌‌اند. ایده‌‌ی اصلی مربوط‌‌به طراحی زباله‌‌خوارهای هوا-فلزی زمانی به ذهن پژوهشگران خطور کرد که آن‌ها دریافتند هیچ‌‌گونه انطباقی میان فناوری‌‌های ساخت مغزهای رباتیک و فناوری‌‌های تأمین‌‌کننده‌‌ی انرژی این نوع ادوات به‌‌چشم نمی‌‌خورد؛ به‌‌خصوص وقتی که قرار باشد این طراحی‌‌ها در مقیاسی مینیاتوری انجام شود.

با کاهش ابعاد ترانزیستورها، این قابلیت فراهم شد که سال به سال از تراشه‌‌های کوچک‌‌تر، سبک‌‌تر و در عین حال، با توان محاسباتی بالاتری بهره‌‌برداری کنیم. اما این پیشرفت‌‌ها درمورد فناوری باتری‌‌ها مصداق نداشت؛ چراکه حتی با کاهش ابعاد باتری‌‌ها، نمی‌‌توانستیم در میزان چگالی انرژی موجود در پیوندهای شیمیایی درون آن‌‌ها تغییری ایجاد کنیم. بنابراین؛ ساخت باتری‌‌های کوچک‌‌تر تنها به‌‌بهای کاهش ظرفیت انرژی دردسترس ادوات الکترونیکی تمام می‌شد. این رابطه‌‌ی معکوس میان عملکرد محاسباتی و ظرفیت ذخیره‌‌سازی انرژی باعث می‌‌شود نتوان روی عملکرد تجهیزات و ربات‌‌های کوچک در بازه‌‌های زمانی طولانی حساب باز کرد. پیکول می‌‌گوید:

این رابطه‌‌ی معکوس میان توان محاسباتی و ظرفیت ذخیره‌‌سازی باتری‌‌ها، قابلیت کار ربات‌‌ها و تجهیزات کوچک‌‌مقیاس را برای مدت‌‌های طولانی دچار مشکل کرده است. ربات‌‌هایی وجود دارند که ابعادی به‌‌اندازه‌‌ی یک حشره دارند؛ اما انرژی باتری آن‌‌ها تنها می‌‌تواند برای مدت یک دقیقه دوام بیاورد.

نکته‌‌ی بدتر اینکه حتی با افزودن یک باتری بزرگ‌‌تر نیز نمی‌‌توان مدت کارکرد یک ربات را افزایش داد؛ چراکه وزن افزوده‌‌شده ناشی‌‌از این باتری، انرژی بیش‌‌تری را از ربات خواهد گرفت. بنابراین تنها گزینه یپیش‌‌رو برای شکستن این حلقه‌‌ی ارتباطی معکوس، بهره‌‌گیری از انرژی پیوند شیمیایی مواد موجود در محیط است و نه حمل مواد شیمیایی توسط خود ربات. به‌عقیده‌ی پیکول:

تبدیل‌‌کننده‌‌هایی که از انرژی خورشیدی، حرارتی و ارتعاشی بهره می‌گیرند، در حال پیشرفت هستند. این ادوات معمولا برای تأمین انرژی حسگرها و تجهیزات الکترونیکی در نقاط دور از شبکه به‌‌کار می‌‌روند؛ یعنی جاهایی که کسی برای تعویض باتری‌‌ها حضور ندارد. مشکل این نوع ادوات آن است که چگالی توان آن‌‌ها پایین است. بدین معنی که آن‌‌ها نمی‌‌توانند با سرعتی مشابه با باتری‌‌ها، انرژی را از محیط جذب کرده و به مصرف‌‌کننده تحویل دهند. تجهیزات MAS ما از چگالی توانی ۱۰ برابری نسبت‌‌به تبدیل‌‌کننده‌‌ها برخوردار هستند؛ تا آنجاکه می‌‌توان آن‌ها را رقیب باتری‌‌ها دانست. این نوع ادوات از همان شیمی باتری‌‌ها استفاده می‌‌کنند؛ اما وزن آن‌‌ها به‌‌اندازه‌‌ی باتری‌‌ها نیست؛ چراکه مواد شیمیایی موردنیاز خود را از محیط به‌‌دست می‌‌آورند.

درست مانند فناوری باتری‌‌های سنتی، پژوهشگران کار خود را ابتدا از یک کاتد متصل به مصرف‌‌کننده آغاز کردند. آن‌ها زیر این کاتد یک لایه هیدروژل قرار دادند (هیدروژل، شبکه‌‌ای اسفنجی از زنجیره‌‌ی پلیمری است که الکترون‌‌ها را به‌‌کمک مولکول‌‌های آب میان سطح فلز و کاتد هدایت می‌‌کند). این لایه هیدروژل به‌‌عنوان یک الکترولیت وارد عمل خواهد شد و هر سطح فلزی که با آن تماس پیدا کند، درحکم آند باتری عمل خواهد کرد. این سازوکار موجب می‌‌شود الکترون‌‌ها بتوانند از آند به‌‌سمت کاتد جریان یابند و درنهایت، جریان الکتریکی لازم برای کار مصرف‌‌کننده را فراهم کنند.

پژوهشگران در مطالعه‌‌ی یادشده، یک عدد وسیله‌‌ی موتوری کوچک را به MAS متصل کردند. سامانه مبتنی‌‌بر MAS با اکسیدکردن سطح فلز روی مسیر، شروع‌‌به جابجایی و کشیدن لایه‌‌ی هیدروژل به‌‌دنبال خود کرد و در امتداد مسیر حرکت خود، یک لایه‌‌ی اکسید با ضخامت میکروسکوپی به‌‌جای گذاشت. برای نشان‌‌دادن بازدهی این سازوکار، پژوهشگران وسیله‌‌ی موتوری را روی یک صفحه از جنس آلومینیوم و در مسیر دایره‌‌ای‌‌شکل به‌‌حرکت درمی‌‌آوردند. همچنین برای جلوگیری از خشک‌‌شدن هیدروژل، یک مخزن آب کوچک روی وسیله تعبیه شد. پیکول می‌‌گوید:

چگالی انرژی معادل‌‌با نسبت انرژی دردسترس تجهیز به وزن قابل‌‌حمل توسط آن است. حتی با چشم‌‌پوشی از وزن مخزن آب، سامانه‌‌ی MAS دارای چگالی انرژی ۱۳ برابری نسبت‌‌به باتری لیتیوم‌‌یونی بود. علت این امر، آن است که وسیله تنها باید هیدروژل و کاتد را با خود حمل کند و نه فلز و اکسیژنی که انرژی موردنیاز وسیله را تأمین می‌‌کند.

پژوهشگران همچنین کارکرد وسیله‌‌ی ابداعی خود را روی سطوح دیگری ازجنس روی و فولاد ضدزنگ امتحان کردند. نتیجه اینکه استفاده‌‌از فلزات متفاوت باعث تغییر در میزان چگالی انرژی وسیله‌‌ی مبتنی‌‌بر MAS می‌‌شد و میزان این تغییر وابسته‌‌به ظرفیت اکسیداسیون این فلزات بود. شواهد نشان می‌‌داد که واکنش اکسیداسیون یادشده تنها تا عمق ۱۰۰ میکرونی از سطح فلز رخ می‌‌دهد. بنابراین حتی درصورتی‌که وسیله یک مسیر را برای حرکت بارها و بارها طی کند و درنتیجه تمامی انرژی موجود در پیوندهای شیمیایی سطح فلز مصرف شود، باز هم بسیار بعید است که آسیب ساختاری چندان جدی به فلز وارد آید.

از آنجاکه کاربردهای احتمالی سیستم‌‌های مبتنی‌‌بر MAS بسیار گسترده تصور می‌‌شد، این سامانه توانست جایزه‌‌ی اصلی رقابت‌‌های موسوم‌به Y-Prize در دانشگاه پنسیلوانیا را درمورد برترین طرح توجیهی فناوری‌‌های نوظهور به خود اختصاص دهد. تیم پژوهشی Metal Light با دریافت این جایزه‌‌ی ۱۰ هزار دلاری فرصت یافته است تا طرح خود را برای کاربرد عملی سامانه‌‌های MAS در سیستم روشنایی منازل دور از شبکه در کشورهای درحال توسعه پیاده‌‌سازی کند. تیم پژوهشی M-Squared نیز که با دریافت جایزه‌‌ی ۴ هزار دلاری در جایگاه دوم از این سری رقابت‌‌ها قرار گرفت، قصد دارد از این نوع سامانه‌‌ها در حسگرهای درون محموله‌‌های باربری استفاده کند. پیکول می‌‌افزاید:

در کوتاه‌‌مدت، ما انتظار ظهور فناوری‌‌های اینترنت اشیا مبتنی‌‌بر MAS را خواهیم داشت؛ یعنی چیزی نظیر آنچه تیم‌‌های Metal Light و M-Squared پیشنهاد می‌‌کنند. اما آنچه که برایمان بسیار جذاب است و انگیزه‌‌ی اصلی پشت این تحقیقات محسوب می‌‌شود، تحولی است که این فناوری در طراحی ربات‌‌ها ایجاد خواهد کرد.

روزی فرا خواهد رسید که ربات‌ها با خوردن کمی آلومینیوم بتوانند انرژی لازم را برای کارکردن تا وعده‌‌ی بعدی به‌‌دست آورند

بخش اعظم پژوهش‌‌های جانبی پیکول شامل فناوری‌‌هایی می‌شود که از طبیعت الهام می‌‌گیرند. برای مثال او درمورد مفهومی با نام «چوب فلزی» کار می‌‌کند که هدف از آن ساخت موادی مقاوم و کم‌‌چگالی با الهام از ساختار سلولی چوب درختان است. همچنین طرح دیگر او در ارتباط‌‌با شیرماهی رباتیک، روی استفاده از انواعی باتری‌‌های مایع تمرکز دارد که می‌‌تواند انرژی موردنیاز برای حرکت باله‌‌های ماهی را ازطریق بازوهای پنوماتیک فراهم کند.

علاوه‌‌بر این موارد، پژوهشگران از چشم‌‌انداز کاربرد فناوری MAS در مفهوم زیستی بنیادی‌‌تری سخن می ‌ویند؛ یعنی تولید غذا. پیکول چنین توضیح می‌‌دهد که:

همان‌‌طور که ربات‌‌های ما روبه‌‌روز از هوش بیش‌‌تر و توانایی‌‌های بالاتری برخوردار می‌‌شوند؛ شاید دیگر نیازی نباشد که آن‌‌ها را مستقیما به برق متصل کنیم. آن‌‌ها اکنون خود می‌‌توانند منابع انرژی خود را بیابند؛ همان‌‌گونه که انسان‌‌ها این کار را انجام می‌‌دهند. روزی فرا خواهد رسید که یک ربات با خوردن کمی آلومینیوم بتواند باتری خود را شارژ کند و انرژی لازم را برای کارکردن تا وعده‌‌ی بعدی غذا به‌‌دست آورد.

پژوهش یادشده با حق‌‌امتیاز N00014-19-1-2353 موردحمایت اداره‌‌ی تحقیقات نیروی دریایی قرار گرفته و به‌‌عنوان بخشی از فعالیت‌‌های مرکز نانوتکنولوژی سینگ در جریان است.