【ZiDongHua 之“方案應(yīng)用場”收錄關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 鋰離子電池 人形機(jī)器人 儲能系統(tǒng)】
　　
　　要讓機(jī)器人跑完馬拉松，得用啥樣的電池？|科到了
　　
　　作者：秦坤 | 中國科學(xué)院大學(xué)
　　
　　培養(yǎng)單位：中國科學(xué)院物理研究所
　　
　　審核：索鎏敏 研究員  | 中國科學(xué)院物理研究所
　　
　　不久前的機(jī)器人馬拉松比賽大家看到了嗎，想象未來有一天硅基生物回望這一歷史性的時(shí)刻，或許會無奈地感嘆：“沒想到，機(jī)器人最初的瓶頸竟然是電池續(xù)航問題！”
 
　　
　　圖源：北京亦莊微信公眾號
　　
　　看來，機(jī)器人馬拉松考驗(yàn)的不僅是操控性能，續(xù)航能力也很關(guān)鍵。機(jī)器人要徹底替代人類，怎么能沒有充足的能源呢？
　　
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　　機(jī)器人也有“續(xù)航焦慮”
　　
　　現(xiàn)在市面上的人形機(jī)器人續(xù)航通常只有2小時(shí)左右。試想有一天，你買的機(jī)器人做飯1小時(shí)，掃地拖地30分鐘，就在洗碗時(shí)突然“不支棱”了，碎碗滿地不說，你還要費(fèi)勁把它搬去充電。與其說是續(xù)航焦慮，小編更愿意戲稱之為“支棱焦慮”。
　　
　　以特斯拉的人形機(jī)器人Optimus為例，其電池容量達(dá)2.3kWh。如果換算成常用的5號堿性電池（1.5V，單個(gè)容量約2.3Ah），需要約660節(jié)，總重約16kg。而使用21700型號鋰離子電池（5Ah，3.6V），則僅需130節(jié)，總重量約為9kg。由此可見，鋰離子電池的質(zhì)量能量密度（Wh/kg）幾乎是干電池的近兩倍。目前商業(yè)化鋰離子電池的質(zhì)量能量密度普遍在150-260Wh/kg之間，這就是機(jī)器人更傾向使用鋰電池的原因。
 
　　
　　特斯拉機(jī)器人的參數(shù)來源：Tesla
　　
　　我們在網(wǎng)上看到的機(jī)器人表演后空翻，看似輕巧，實(shí)則背后對電池性能有著極高要求——瞬間放電倍率甚至可達(dá)到50C，這相當(dāng)于普通電池日常使用放電倍率的100倍以上。但即便如此，目前機(jī)器人的日常續(xù)航仍只有2小時(shí)左右，遠(yuǎn)無法滿足未來更復(fù)雜的任務(wù)需求（一般復(fù)雜任務(wù)需達(dá)到5C以上放電倍率）。
 
　　
　　機(jī)器人翻跟頭來源：unitree.com
　　
　　機(jī)器人的能耗主要來自機(jī)械運(yùn)動(dòng)，尤其是垂直方向的舉升和劇烈加速動(dòng)作能耗最高，比如“后空翻”，其短時(shí)間內(nèi)的功率需求巨大。電池太重，會大大降低機(jī)器人的靈活性；電池容量不足，則限制了機(jī)器人的實(shí)際使用范圍。未來的研究方向包括：一是提升電池的能量密度，二是利用機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)分布式儲能。也就是讓單個(gè)電池存儲的能量更多和用更多電池存儲更多能量的區(qū)別。
　　
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　　能量密度：電池革命的關(guān)鍵
　　
　　能量密度，即單位質(zhì)量電池能存儲的能量，決定了機(jī)器人能否長時(shí)間運(yùn)行甚至勝任更多復(fù)雜任務(wù)。近年來，科學(xué)家們正積極研究下一代電池技術(shù)，比如固態(tài)電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等。
　　
　　固態(tài)電池是指用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解質(zhì)，解決了金屬鋰在負(fù)極應(yīng)用中的安全性問題，其能量密度可高達(dá)500Wh/kg。
　　
　　不同類型電池的能量密度來源：nature.com
　　
　　而鋰空氣電池則更進(jìn)一步，理論質(zhì)量能量密度甚至能達(dá)到1000Wh/kg以上，這意味著機(jī)器人可以長時(shí)間運(yùn)行而不頻繁充電。鋰空氣電池工作原理非常獨(dú)特：空氣中的氧氣與鋰原子反應(yīng)生成超氧化鋰（LiO?）或過氧化鋰（Li?O?）。然而，鋰空氣電池仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，例如反應(yīng)產(chǎn)物在電池中積累后對電池性能的負(fù)面影響，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
　　
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　　穿在身上的能源：仿生結(jié)構(gòu)電池
　　
　　除了單純提高電池能量密度外，科學(xué)家們還另辟蹊徑，提出了多功能結(jié)構(gòu)電池的概念——將電池“穿”在機(jī)器人身上，甚至直接成為機(jī)器人軀體的一部分。這樣，機(jī)器人身上任何位置都可以作為儲能單元，極大地增加了機(jī)器人可攜帶的能量。
　　
　　將仿生結(jié)構(gòu)電池應(yīng)用于機(jī)器人來源：science.org
　　
　　研究人員開發(fā)出了一種柔性鋅空氣電池，類似于衣服，可以與機(jī)器人甚至昆蟲外殼結(jié)合。這種仿生結(jié)構(gòu)電池，不僅提供能源，還幫助機(jī)器人行走和平衡，實(shí)現(xiàn)真正的“一衣多用”。
　　
　　這種分布式能源架構(gòu)非常接近人體結(jié)構(gòu)：人體能量分布在脂肪（長期能量儲備）、肌肉中的糖原（短期快速供能）以及線粒體ATP（三磷酸腺苷，極短期瞬時(shí)供能）三種形式之中。如果機(jī)器人也采用類似的多元儲能系統(tǒng)，就能更好地滿足復(fù)雜任務(wù)需求。
　　
　　人體內(nèi)和人形機(jī)器人的分布式能源架構(gòu)對比圖。來源：wiley.com
　　
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　　電池之外的能源新勢力
　　
　　人形機(jī)器人需要電池來提供能夠平穩(wěn)運(yùn)行或慢走的大部分能量，面對高強(qiáng)度短時(shí)需求，鋰電池往往無能為力，于是超級電容器成為了重要的輔助設(shè)備。超級電容器雖然能量密度低于鋰電池，但其能夠快速大電流放電，滿足機(jī)器人瞬時(shí)的功率需求。
　　
　　鋰離子電池和超級電容器的儲能特性來源：sciencedirect.com
　　
　　此外，想象一下機(jī)器人在偏遠(yuǎn)山區(qū)執(zhí)行任務(wù)，電量耗盡卻找不到充電樁的窘境，那么就只能從環(huán)境中不斷地收集能量。為此，科學(xué)家開始關(guān)注環(huán)境能量收集技術(shù)。納米摩擦發(fā)電機(jī)可將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，柔性太陽能電池則利用太陽光發(fā)電。這又進(jìn)一步拓展了機(jī)器人的可利用能量，相當(dāng)于之前的方案是把能源攜帶在身上，現(xiàn)在的方案是把能源存在整個(gè)空間中。
　　
　　還有一種微生物燃料電池（MFC）——通過特殊的電活性微生物代謝有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生電子，進(jìn)而生成電能。
　　
　　生物質(zhì)發(fā)電示意圖來源：wiley.com
　　
　　在微生物燃料電池中，微生物在陽極厭氧分解有機(jī)物產(chǎn)生電子，電子通過外部電路傳遞至陰極，質(zhì)子通過溶液或膜遷移，與電子在陰極區(qū)結(jié)合氧氣生成水，完成電路并釋放電能。這意味著機(jī)器人未來或許真的能夠“靠吃飯”充電！
　　
　　微生物燃料電池及其原理來源：知乎@無心
　　
　　綜上所述，機(jī)器人想要真正步入智能化時(shí)代，必須同時(shí)解決能源問題，否則再厲害的機(jī)器人也“支棱”不起來。希望未來的機(jī)器人，不再被電池束縛，自由地完成更多人類期望的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)器人革命。