Una pequeña batería diseñada por ingenieros del MIT podría permitir el despliegue de robots autónomos del tamaño de una célula para la administración de medicamentos dentro del cuerpo humano, así como otras aplicaciones como la localización de fugas en tuberías de gasoline.
La nueva batería, que mide 0,1 milímetros de largo y 0,002 milímetros de grosor (aproximadamente el grosor de un cabello humano), puede capturar oxígeno del aire y utilizarlo para oxidar el zinc, creando una corriente con un potencial de hasta 1 voltio. Los investigadores demostraron que eso es suficiente para alimentar un pequeño circuito, sensor o actuador.
“Creemos que esto será muy útil para la robótica”, cube Michael Strano, profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT y autor principal del estudio. “Estamos construyendo funciones robóticas en la batería y comenzando a unir estos componentes en dispositivos”.
Ge Zhang PhD ’22 y Sungyun Yang, un estudiante graduado del MIT, son los autores principales del artículo, que aparece en Robótica científica.
Alimentado por baterías
Durante varios años, el laboratorio de Strano ha estado trabajando en pequeños robots que pueden detectar y responder a estímulos en su entorno. Uno de los principales desafíos al desarrollar robots tan pequeños es asegurarse de que tengan suficiente potencia.
Otros investigadores han demostrado que pueden alimentar dispositivos a microescala utilizando energía photo voltaic, pero la limitación de ese enfoque es que los robots deben tener un láser u otra fuente de luz apuntándolos en todo momento. Estos dispositivos se conocen como “marionetas” porque están controlados por una fuente de energía externa. Colocar una fuente de energía, como una batería, dentro de estos pequeños dispositivos podría permitirles viajar mucho más lejos.
“Los sistemas de marionetas realmente no necesitan una batería porque obtienen toda la energía que necesitan del exterior”, cube Strano. “Pero si quieres que un pequeño robotic pueda entrar en espacios a los que de otro modo no podrías acceder, necesita tener un mayor nivel de autonomía. Una batería es esencial para algo que no va a estar atado al mundo exterior. “
Para crear robots que pudieran volverse más autónomos, el laboratorio de Strano decidió utilizar un tipo de batería conocida como batería de zinc-aire. Estas baterías, que tienen una vida útil más larga que muchos otros tipos de baterías debido a su alta densidad de energía, se utilizan a menudo en audífonos.
La batería que diseñaron consiste en un electrodo de zinc conectado a un electrodo de platino, incrustado en una tira de un polímero llamado SU-8, que se usa comúnmente para microelectrónica. Cuando estos electrodos interactúan con las moléculas de oxígeno del aire, el zinc se oxida y libera electrones que fluyen hacia el electrodo de platino, creando una corriente.
En este estudio, los investigadores demostraron que esta batería podría proporcionar suficiente energía para alimentar un actuador, en este caso, un brazo robótico que se puede subir y bajar. La batería también podría alimentar un memristor, un componente eléctrico que puede almacenar recuerdos de eventos cambiando su resistencia eléctrica, y un circuito de reloj, que permite a los dispositivos robóticos realizar un seguimiento del tiempo.
La batería también proporciona suficiente energía para hacer funcionar dos tipos diferentes de sensores que cambian su resistencia eléctrica cuando encuentran sustancias químicas en el medio ambiente. Uno de los sensores está hecho de disulfuro de molibdeno atómicamente delgado y el otro de nanotubos de carbono.
“Estamos fabricando los componentes básicos para desarrollar funciones a nivel celular”, cube Strano.
Enjambres robóticos
En este estudio, los investigadores utilizaron un cable para conectar su batería a un dispositivo externo, pero en trabajos futuros planean construir robots en los que la batería se incorpore a un dispositivo.
“Esto constituirá el núcleo de muchos de nuestros esfuerzos robóticos”, afirma Strano. “Se puede construir un robotic alrededor de una fuente de energía, algo así como se puede construir un automóvil eléctrico alrededor de una batería”.
Uno de esos esfuerzos gira en torno al diseño de pequeños robots que podrían inyectarse en el cuerpo humano, donde podrían buscar un sitio objetivo y luego liberar un fármaco como la insulina. Para su uso en el cuerpo humano, los investigadores prevén que los dispositivos estarían hechos de materiales biocompatibles que se romperían una vez que ya no fueran necesarios.
Los investigadores también están trabajando para aumentar el voltaje de la batería, lo que podría permitir aplicaciones adicionales.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y una beca de ingeniería MathWorks.
