В роборыбе объединили гидравлический привод и проточный аккумулятор

Cameron Aubin et al. / Nature, 2019

Американские инженеры разработали роборыбу, в которой актуаторы и аккумуляторы реализованы в виде единых систем. Внутри робота располагаются трубки и камеры, заполненные жидкостью, которая одновременно выступает в качестве электролита проточного аккумулятора и рабочей жидкости гидравлических приводов, отвечающих за движение плавников, рассказывают авторы статьи в Nature.

Обычно инженеры используют в роботах и других машинах в качестве источников движения электродвигатели. Некоторые же пытаются воспроизводить механизмы, найденные у животных. К примеру, в сфере инженерных наук и материаловедения есть достаточно широкое направление, занимающееся созданием искусственных мышц, способных сокращаться или расширяться под действием электрического тока, света, нагревания или давления. Однако мышцы — это не единственный механизм движения, используемый животными. Например, некоторые пауки используют гидравлические приводы — они распрямляют конечности, увеличивая давление гемолимфы в них.

Роберт Шеперд (Robert Shepherd) и его коллеги из Корнеллского университета и Пенсильванского университета применили в своем роботе-рыбе гидравлические приводы, но использовали достаточно интересную конструкцию, благодаря которой им удалось избавиться от отдельного аккумулятора. Инженеры использовали схему проточного аккумулятора, в котором электролит циркулирует по системе трубок и подается в область с электродами, разделенную на две части ионообменной мембраной. В этом роботе установлено два таких аккумулятора. В передней части робота установлено два насоса для перекачивания электролита — по одному на каждый аккумулятор. Один из аккумуляторов связан с полостями в спинном и грудных плавниках, а второй с полостями в хвостовом плавнике.

Катоды, аноды и разделяющие их мембраны установлены в плавниках. В качестве материала электродов инженеры использовали угледордный войлокообразный материал, в который вплетали никелевую или стальную проволоку — в зависимости от того, анод это или катод. Электролитом в аккумуляторах выступает водно-спиртовой раствор иодида цинка. Принцип работы аккумулятора основан на окислительно-восстановительном взаимодействии ионов цинка и иода. При разрядке цинк, скопившийся на аноде, окисляется и в виде ионов переходит через мембрану в электролит, отдавая при этом электрон в электрическую цепь. На катоде при этом электроды из цепи восстанавливают ионы I3- до I-.


Насосы в такой конструкции выполняют сразу две функции. Во-первых, они обеспечивают равномерную концентрацию ионов возле электродов благодаря движению жидкости. Во-вторых, они позволяют роботу двигать плавниками. Эксперименты показали, что благодаря движениям хвостового плавника робот может плыть со скоростью 1,56 длины тела в минуту. Кроме того, робот может двигать грудными плавниками.

За управление роботом отвечает плата Arduino Uno. Стоит отметить, что для питания насосов инженеры установили в роботе отдельные аккумуляторы и преобразователь напряжения до 12 вольт. Расчеты авторов показывают, что максимальная теоретическая плотность энергии раствора иодида цинка составляет 332 ватт-часов на литр, что, например, вдвое меньше аналогичного показателя литий-ионных аккумуляторов электромобиля Tesla Model S. Реальные измерения показали плотность мощности на уровне 124 ватт-часов на литр. Исходя из этого инженеры подсчитали, что робот может плыть, постоянно двигая плавниками, в течение 36,7 часа.

В прошлом году ученые из США и Саудовской Аравии использовали конструкцию проточного аккумулятора при создании гибридного устройства для накопления солнечной энергии. Оно состоит из нескольких слоев, между которыми происходят окислительно-восстановительные реакции, причем их ход зависит от того, какие электроды (от аккумулятора или солнечной панели) используются в момент времени. Средняя эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, отдаваемую проточным аккумулятором на протяжении десяти циклов, оказалась равной 14,1 процента.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.