南洋理工李洪/王一凡Device：电化学气动电池助力自主移动机器人
南洋理工李洪/王一凡Device：电化学气动电池助力自主移动机器人
物质科学
Physical science
近日，来自新加坡南洋理工的李洪教授团队与王一凡教授团队合作研究，提出了一种电化学气动电池（Electrochemical Pneumatic Battery, EPB），能够利用电化学氧化还原反应产生气压和真空（负压）。该文首先研究了EPB的电池性能，还展示了EPB的几种可能的应用，强调了其在机器人应用中作为替代气源的潜力，并扩展了气动机器人设计和功能的范围。2024年9月20日，相关研究成果以“Electrochemical pneumatic battery for untethered robotics”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Device上。
研究亮点
- 首次采用基于锌氧电化学原理的电池制作用于机器人系统的可重复使用的气源，具有轻量化、柔性好、静音等特点。
- 创新地结合该电池材料平面化、易裁剪的特性，成功实现紧凑的“材机电一体化”机器人执行器，包括正压、负压驱动器和变刚度部件。
- 本研究提出的电化学气动电池（Electrochemical Pneumatic Battery, EPB）对气动软体机器人、可穿戴设备、自主移动机器人系统的研发有积极促进作用。
研究简介
气动机器人利用加压气体来产生运动和进行系统控制，其气源通常是气泵或者储气设备。尽管气动机器人已经被广泛研究，其柔顺性的驱动特点被软体机器人和可穿戴设备研究所青睐，但大部分机器人都被气源的体积、重量、噪音和能耗问题而制约，难以实现轻量化、柔顺化和自主能量采集。这些根本问题在发展气动软体机器人、可穿戴设备、自主无人系统等方向时变得尤其明显，突破它们变得极具挑战性。
近日，来自新加坡南洋理工的李洪教授团队与王一凡教授团队合作研究，提出了一种电化学气动电池（Electrochemical Pneumatic Battery, EPB），能够利用电化学氧化还原反应产生气压和真空（负压）。它使用无毒害材料和可控的电化学过程确保了电池使用过程的安全性，而无电机的设计保证了使用过程中的安静。EPB在放电时可以同时为机器人提供电力和部分真空动力，在充电时可以提供正气压动力。由于电池本身采用平面正负极材料，这种电池可以很好地被设计成各种软体机器人执行机构以提供所需的刚性或柔性，实现紧凑的材料-电控系统一体化，且这种电池材料适合大规模自动化生产，具有商业可行性。本文首先研究了EPB的电池性能，还展示了EPB的几种可能的应用，强调了其在机器人应用中作为替代气源的潜力，并扩展了气动机器人设计和功能的范围（如图1所示）。
图1：基于EPB的机器人应用展示。
气驱动作为自动化和机器人主流驱动方式之一，具有柔性好、洁净、配置相对简单等特点，不仅在工业机器人系统中具有广泛应用，且在软体机器人和可穿戴设备中也有不少研究，形成了大量气驱执行机构。然而，气驱的弊端也很明显，作为系统工作的基石，气源往往是由电机气泵提供。这些气泵往往笨重且工作噪音大，不能很好地和软体机器人和自主移动机器人结合。气源的问题成为了制约气驱机器人在这些新领域深入发展的一个重要瓶颈。纵观现有对气源问题的研究，已有部分工作在尝试采用新的方法为机器人提供气源，如采用人工肌肉构成的气泵、相变材料和爆炸等化学反应的气源。然而，它们普遍缺乏可控性和安全性，需要较高的电压或者剧烈不稳定的化学反应才能产生足够大的气压或足够多的气体。在这项工作中，我们设计了一种基于锌氧化还原反应的锌-空气电池，它利用可逆的金属-空气电池机制来提供电力和气动动力，包括正压和负压。这种电化学气动电池安静、紧凑且无需连接外部设备，如图2所示。
图2：EPB的基本概念和组成。
我们设计了实验来验证和刻画EPB在电化学和气体产生方面的性能，如图3所示。EPB在充电时可以释放氧气，在充电时可以吸收氧气。在常压、恒定电流的情况下，氧气的体积与时间成正比。我们的EPB具有约95%的法拉第效率，其气压范围可达-0.98（真空）至3.9个大气压。我们还测试了EPB的循环充放电性能。在5 mA/cm2恒定电流下，EPB可以循环充放电135次而不影响其性能。为了进一步提升EPB的电化学性能，我们用纳米压印技术制备表面布满纳米线的锌电极，该电极进一步提高了EPB的各项电化学性能和气体储存能力。
图3：EPB的电化学性能测试。
基于EPB出色的电化学表现和稳定、安全、可控的气体控制能力，我们设计并实施了两种不同的气源。一种延续了传统机器人行业中对气源的使用习惯，我们将EPB制作成电池包，并成功驱动工业中常见的气动夹爪和基于阻塞效应的变刚度护腕（图4）。另一种则考虑到EPB电极材料平面化易加工的特点，将电池本身作为机器人执行器的结构材料整合在一起，实现了紧凑的层阻塞变刚度部件、气囊执行器和折纸执行器（图4）。
图4：基于EPB的机器人气源和新型执行机构。