Lorsque l'électronique a besoin de ses propres sources d'alimentation, il existe deux options de base :les batteries et les moissonneuses. Les batteries stockent l'énergie en interne, mais sont donc lourds et ont un approvisionnement limité. Moissonneurs, comme les panneaux solaires, capter l'énergie de leur environnement. Cela contourne certains des inconvénients des batteries mais en introduit de nouveaux, en ce qu'ils ne peuvent fonctionner que dans certaines conditions et ne peuvent pas transformer cette énergie en puissance utile très rapidement.

De nouvelles recherches de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie comblent pour la première fois le fossé entre ces deux technologies fondamentales sous la forme d'un "purgeur métal-air" qui tire le meilleur des deux mondes.

Ce récupérateur métal-air fonctionne comme une batterie, en ce qu' il fournit de l'énergie en rompant et en formant de manière répétée une série de liaisons chimiques. Mais il fonctionne aussi comme une moissonneuse, en ce que l'énergie est fournie par l'énergie de son environnement :en particulier, les liaisons chimiques dans le métal et l'air entourant le piégeur métal-air.

Le résultat est une source d'alimentation qui a 10 fois plus de densité de puissance que les meilleurs récupérateurs d'énergie et 13 fois plus de densité d'énergie que les batteries lithium-ion.

À long terme, ce type de source d'énergie pourrait être la base d'un nouveau paradigme en robotique, où les machines s'alimentent en cherchant et en « mangeant » du métal, briser ses liaisons chimiques pour l'énergie comme les humains le font avec la nourriture.

À court terme, cette technologie alimente déjà deux entreprises dérivées. Les gagnants du concours annuel Y-Prize de Penn prévoient d'utiliser des récupérateurs métal-air pour alimenter des lumières à faible coût pour les maisons hors réseau dans les pays en développement et des capteurs durables pour les conteneurs d'expédition qui pourraient alerter en cas de vol, dommages ou encore la traite des êtres humains.

Les chercheurs, James Pikul, professeur adjoint au Département de génie mécanique et mécanique appliquée, avec Min Wang et Unnati Joshi, membres de son laboratoire, a publié une étude démontrant les capacités de leur charognard dans la revue Lettres énergétiques ACS .

La motivation pour développer leur piégeur métal-air, ou MAS, découle du fait que les technologies qui composent le cerveau des robots et les technologies qui les alimentent sont fondamentalement inadaptées en matière de miniaturisation.

À mesure que la taille des transistors individuels diminue, les puces fournissent plus de puissance de calcul dans des boîtiers plus petits et plus légers. Mais les batteries ne bénéficient pas de la même manière lorsqu'elles deviennent plus petites; la densité des liaisons chimiques dans un matériau est fixe, donc des batteries plus petites signifient nécessairement moins de liaisons à rompre.

"Cette relation inversée entre les performances de calcul et le stockage d'énergie rend très difficile le fonctionnement des appareils et des robots à petite échelle pendant de longues périodes, " dit Pikul. " Il y a des robots de la taille d'insectes, mais ils ne peuvent fonctionner qu'une minute avant que leur batterie ne soit à court d'énergie."

Pire encore, l'ajout d'une batterie plus grosse ne permettra pas à un robot de durer plus longtemps; la masse ajoutée prend plus d'énergie pour se déplacer, annulant l'énergie supplémentaire fournie par la plus grande batterie. La seule façon de briser cette relation inversée frustrante est de rechercher des liaisons chimiques, plutôt que de les emballer.

"Les cueilleurs, comme ceux qui collectent l'énergie solaire, énergie thermique ou vibrationnelle, vont mieux, " dit Pikul. "Ils sont souvent utilisés pour alimenter des capteurs et des appareils électroniques qui ne sont pas connectés au réseau et où vous n'avez peut-être personne pour échanger les batteries. Le problème est qu'ils ont une faible densité de puissance, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas extraire l'énergie de l'environnement aussi vite qu'une batterie peut la fournir. »

"Notre MAS a une densité de puissance dix fois supérieure aux meilleures abatteuses, au point que nous pouvons rivaliser avec les batteries, " il dit, "Il utilise la chimie de la batterie, mais n'a pas le poids associé, parce qu'il prend ces produits chimiques de l'environnement.

Comme une batterie traditionnelle, le MAS des chercheurs commence par une cathode qui est câblée à l'appareil qu'elle alimente. Sous la cathode se trouve une plaque d'hydrogel, un réseau spongieux de chaînes polymères qui conduit les électrons entre la surface métallique et la cathode via les molécules d'eau qu'elle transporte. Avec l'hydrogel agissant comme un électrolyte, toute surface métallique qu'elle touche fonctionne comme l'anode d'une batterie, permettant aux électrons de circuler vers la cathode et d'alimenter l'appareil connecté.

Aux fins de leur étude, les chercheurs ont connecté un petit véhicule motorisé au MAS. En faisant glisser l'hydrogel derrière, le véhicule MAS a oxydé les surfaces métalliques sur lesquelles il a circulé, laissant une couche microscopique de rouille dans son sillage.

Pour démontrer l'efficacité de cette approche, les chercheurs ont fait tourner leur véhicule MAS en rond sur une surface en aluminium. Le véhicule était équipé d'un petit réservoir qui aspirait en continu l'eau dans l'hydrogel pour l'empêcher de se dessécher.

"La densité énergétique est le rapport entre l'énergie disponible et le poids à transporter, " dit Pikul. " Même en tenant compte du poids de l'eau supplémentaire, le MAS avait 13 fois la densité énergétique d'une batterie lithium-ion car le véhicule n'a qu'à transporter l'hydrogel et la cathode, et non le métal ou l'oxygène qui fournissent l'énergie."

Les chercheurs ont également testé les véhicules MAS sur du zinc et de l'acier inoxydable. Différents métaux donnent au MAS différentes densités d'énergie, en fonction de leur potentiel d'oxydation.

Cette réaction d'oxydation n'a lieu qu'à moins de 100 microns de la surface, ainsi, alors que le MAS peut utiliser tous les liens facilement disponibles avec des voyages répétés, il y a peu de risque qu'il cause des dommages structurels importants au métal qu'il récupère.

Avec autant d'utilisations possibles, le système MAS des chercheurs était un ajustement naturel pour le Y-Prize annuel de Penn, un concours de plans d'affaires qui met les équipes au défi de créer des entreprises autour des technologies naissantes développées chez Penn Engineering. L'équipe qui a remporté la première place cette année, Lumière en métal, gagné 10 $, 000 pour leur proposition d'utiliser la technologie MAS dans l'éclairage à faible coût des maisons hors réseau dans les pays en développement. M-carré, qui a gagné 4 $, 000 à la deuxième place, a l'intention d'utiliser des capteurs alimentés par MAS dans des conteneurs d'expédition.

"À court terme, nous voyons notre MAS alimenter les technologies de l'Internet des objets, comme ce que proposent Metal Light et M-Squared, " dit Pikul. " Mais ce qui était vraiment convaincant pour nous, et la motivation derrière ce travail, c'est en quoi cela change notre façon de penser la conception de robots."

Une grande partie des autres recherches de Pikul consiste à améliorer la technologie en s'inspirant du monde naturel. Par exemple, la haute résistance de son laboratoire, Le "bois métallique" à faible densité s'inspire de la structure cellulaire des arbres, et son travail sur un poisson-lion robotisé consistait à lui donner un système circulatoire à batterie liquide qui actionnait également pneumatiquement ses nageoires.

Les chercheurs voient leur SMA comme s'appuyant sur un concept biologique encore plus fondamental :l'alimentation.

« Au fur et à mesure que nous obtenons des robots plus intelligents et plus capables, nous n'avons plus à nous limiter à les brancher dans un mur. Ils peuvent désormais trouver eux-mêmes des sources d'énergie, comme le font les humains, " dit Pikul. " Un jour, un robot qui a besoin de recharger ses batteries aura juste besoin de trouver de l'aluminium pour "manger" avec un MAS, ce qui lui donnerait assez de puissance pour qu'il travaille jusqu'à son prochain repas."