Chế tạo thành công pin Zinc-air có kích thước nhỏ hơn hạt cát, dùng cho robot siêu nhỏ

Hạn chế lớn nhất của robot tí hon là kích thước, robot càng nhỏ càng khó phát triển các bộ phận. Một trong những thách thức lớn nhất của ngành này liên quan đến ngồn cấp năng lượng: pin. Việc tạo ra những viên pin có kích thước siêu nhỏ nhưng lại chứa nguồn năng lượng dự trữ lớn đang là mục tiêu của nhiều ngành công nghệ, đặc biệt là công nghệ robot.

Tuần này, MIT đã giới thiệu những viên pin siêu nhỏ, có thể cho phép triển khai các robot tự động có kích thước bằng tế bào để đưa thuốc vào bên trong cơ thể con người, cũng như các ứng dụng khác như xác định vị trí rò rỉ trong đường ống dẫn khí. 

Pin mới dài 0,1 mm và dày 0,002 mm — gần bằng độ dày của một sợi tóc người — có thể thu được oxy từ không khí và sử dụng nó để oxy hóa kẽm, tạo ra dòng điện có điện thế lên tới 1 volt. Các nhà nghiên cứu cho biết, điều đó đủ để cung cấp năng lượng cho một mạch điện nhỏ, cảm biến hoặc bộ truyền động.

“Chúng tôi nghĩ điều này sẽ rất có lợi cho ngành robot,” giáo sư Michael Strano, tác giả chính của bài báo, giải thích. “Chúng tôi đang xây dựng các chức năng robot trên pin và bắt đầu lắp ráp các thành phần này thành các thiết bị.”

Trong nhiều năm, phòng thí nghiệm của Strano đã nghiên cứu những chú rô-bốt nhỏ có thể cảm nhận và phản ứng với các kích thích trong môi trường của chúng. Một trong những thách thức lớn trong việc phát triển những chú rô-bốt nhỏ như vậy là đảm bảo rằng chúng có đủ năng lượng.

Các nhà nghiên cứu khác đã chỉ ra, họ có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị siêu nhỏ bằng năng lượng mặt trời, nhưng hạn chế của phương pháp này là các robot phải luôn có tia laser hoặc nguồn sáng khác hướng về phía chúng. Các thiết bị như vậy được gọi là "marionette" vì chúng được điều khiển bởi nguồn điện bên ngoài. Việc đặt một nguồn điện như pin bên trong các thiết bị nhỏ này có thể giúp chúng hoạt động lâu hơn, đi xa hơn trong các mục tiêu nhiệm vụ.

“Các hệ thống này thực sự không cần pin vì chúng lấy toàn bộ năng lượng cần thiết từ bên ngoài,” Strano nói. “Nhưng nếu bạn muốn một con rô-bốt nhỏ có thể tiến vào những không gian mà bạn không thể tiếp cận được, thì nó cần phải có mức độ tự chủ cao hơn. Pin là thứ cần thiết cho thứ gì đó không bị ràng buộc với thế giới bên ngoài”, các nhà khoa học cho biết.

Để tạo ra những con robot có thể trở nên tự chủ hơn, phòng thí nghiệm của Strano đã quyết định sử dụng một loại pin được gọi là pin Zinc-air. Những loại pin này có tuổi thọ dài hơn nhiều loại pin khác do mật độ năng lượng cao, thường được sử dụng trong máy trợ thính.

Pin mà họ thiết kế bao gồm một điện cực kẽm được kết nối với một điện cực bạch kim, được nhúng vào một dải polyme gọi là SU-8, thường được sử dụng cho vi điện tử. Khi các điện cực này tương tác với các phân tử oxy từ không khí, kẽm bị oxy hóa và giải phóng các electron chảy đến điện cực bạch kim, tạo ra dòng điện.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng loại pin này có thể cung cấp đủ năng lượng để cấp điện cho một bộ truyền động — trong trường hợp này là một cánh tay rô-bốt có thể nâng lên và hạ xuống. Pin cũng có thể cấp điện cho một memristor, một thành phần điện có thể lưu trữ ký ức về các sự kiện bằng cách thay đổi điện trở của nó, và một mạch đồng hồ, cho phép các thiết bị robot theo dõi thời gian.

Pin cũng cung cấp đủ năng lượng để chạy hai loại cảm biến khác nhau có khả năng thay đổi điện trở khi gặp hóa chất trong môi trường. Một trong những cảm biến được làm từ molypden disulfide mỏng nguyên tử và loại còn lại được làm từ ống nano carbon.

Strano cho biết: “Chúng tôi đang tạo ra những khối xây dựng cơ bản để hình thành các chức năng ở cấp độ tế bào”.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng một sợi dây để kết nối pin với một thiết bị bên ngoài, nhưng trong tương lai, họ có kế hoạch chế tạo những robot có pin được tích hợp vào một thiết bị.

Một trong những nỗ lực đó xoay quanh việc thiết kế những con rô-bốt nhỏ có thể tiêm vào cơ thể người, nơi chúng có thể tìm kiếm vị trí mục tiêu và sau đó giải phóng một số loại thuốc như insulin. Để sử dụng trong cơ thể người, các nhà nghiên cứu hình dung rằng các thiết bị sẽ được làm bằng vật liệu tương thích sinh học có thể vỡ ra khi chúng không còn cần thiết nữa.
Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu cách tăng điện áp của pin, điều này có thể cho phép triển khai thêm nhiều ứng dụng khác.