Os robôs ficam sem energia muito antes de ficarem sem trabalho. Alimentá -los pode mudar isso

No início deste ano, um robô completou uma meia maratona em Pequim em pouco menos de 2 horas e 40 minutos. Isso é mais lento que o vencedor humano, que chegou a pouco mais de uma hora – mas ainda é um feito notável. Muitos corredores recreativos seriam orgulhosos dessa época. O robô manteve seu ritmo por mais de 21 milhas (21 quilômetros).

Mas não o fez com uma única carga. Ao longo do caminho, o robô teve que parar e ter suas baterias trocadas três vezes. Esse detalhe, embora fácil de ignorar, fala muito sobre um desafio mais profundo na robótica: energia.

Os robôs modernos podem se mover com uma incrível agilidade, imitando locomoção de animais e executando tarefas complexas com precisão mecânica. De muitas maneiras, eles rivalizam com a biologia em coordenação e eficiência. Mas quando se trata de resistência, os robôs ainda ficam aquém. Eles não se cansam do esforço – simplesmente ficam sem energia.

Como pesquisador de robótica focado em sistemas de energia, estudo esse desafio de perto. Como os pesquisadores podem dar aos robôs o poder de permanência das criaturas vivas – e por que ainda estamos tão longe desse objetivo? Embora a maioria das pesquisas sobre robótica sobre o problema de energia tenha se concentrado em melhores baterias, há outra possibilidade: construir robôs que comem.

Os robôs se movem bem, mas ficam sem vapor

Os robôs modernos são notavelmente bons em se mover. Graças a décadas de pesquisa em biomecânica, controle motor e atuação, máquinas como o ponto de Boston Dynamics e o Atlas podem caminhar, correr e subir com uma agilidade que antes parecia fora de alcance. Em alguns casos, seus motores são ainda mais eficientes que os músculos animais.

Mas a resistência é outra questão. O Spot, por exemplo, pode operar por apenas 90 minutos com uma carga completa. Depois disso, precisa de quase uma hora para recarregar. Esses tempos de execução estão muito longe dos turnos de 8 a 12 horas esperados dos trabalhadores humanos-ou da resistência de vários dias de cães de trenó.

A questão não é como os robôs se movem – é assim que eles armazenam energia. Hoje, a maioria dos robôs móveis usa baterias de íons de lítio, o mesmo tipo encontrado em smartphones e carros elétricos. Essas baterias são confiáveis ​​e amplamente disponíveis, mas seu desempenho melhora em um ritmo lento: a cada ano, as novas baterias de íons de lítio são cerca de 7% melhores que a geração anterior. Nesse ritmo, levaria uma década inteira para apenas dobrar o tempo de execução de um robô.

Os animais armazenam energia em gordura, que é extraordinariamente densiva de energia: quase 9 quilowatts-hora por quilograma. Isso representa cerca de 68 kWh em um cão de trenó, semelhante à energia em uma Tesla Modelo 3 totalmente carregada, baterias de íon de lítio, por contraste, armazenam apenas uma fração disso, cerca de 0,25 quilowatt-hours por quilograma. Mesmo com motores altamente eficientes, um robô como o Spot precisaria de uma bateria dezenas de vezes mais poderosa que a de hoje para combinar com a resistência de um cão de trenó.

E recarregar nem sempre uma opção. Nas zonas de desastre, campos remotos ou missões de longa duração, uma tomada de parede ou uma bateria sobressalente podem não estar à vista.

Em alguns casos, os designers de robôs podem adicionar mais baterias. Mas mais baterias significam mais peso, o que aumenta a energia necessária para se mover. Em robôs altamente móveis, há um equilíbrio cuidadoso entre carga útil, desempenho e resistência. Por exemplo, por exemplo, a bateria já representa 16% de seu peso.

Alguns robôs usaram painéis solares e, em teoria, eles podem estender o tempo de execução, especialmente para tarefas de baixa potência ou em ambientes brilhantes e ensolarados. Mas, na prática, a energia solar oferece muito pouco poder em relação ao que os robôs móveis precisam andar, correr ou voar em velocidades práticas. É por isso que a colheita de energia como painéis solares continua sendo uma solução de nicho hoje, mais adequada para robôs estacionários ou ultra-baixos.

Por que isso importa

Essas não são apenas limitações técnicas. Eles definem o que os robôs podem fazer.

Um robô de resgate com uma bateria de 45 minutos pode não durar o suficiente para concluir uma pesquisa. Um robô da fazenda que faz uma pausa para recarregar a cada hora não pode colher colheitas a tempo. Mesmo em armazéns ou hospitais, os horários curtos adicionam complexidade e custo.

Para que os robôs desempenhem papéis significativos na sociedade, ajudando os idosos, explorando ambientes perigosos e trabalhando ao lado dos seres humanos, eles precisam da resistência para permanecer ativos por horas, não minutos.

Novas químicas de bateria, como lítio-sulfur e metal-ar, oferecem um caminho mais promissor a seguir. Esses sistemas têm densidades teóricas de energia muito mais altas do que as células de íons de lítio atuais. Alguns níveis de abordagem observados na gordura animal. Quando combinados com atuadores que convertem com eficiência energia elétrica da bateria para o trabalho mecânico, eles podem permitir que os robôs correspondam ou até excedam a resistência de animais com baixa gordura corporal.

Mas mesmo essas baterias de próxima geração têm limitações. Muitos são difíceis de recarregar, se degradar ao longo do tempo ou faciais de engenharia em sistemas do mundo real.

O carregamento rápido pode ajudar a reduzir o tempo de inatividade. Algumas baterias emergentes podem recarregar em minutos, em vez de horas. Mas há compensações. O carregamento rápido faz a duração da bateria, aumenta o calor e geralmente requer infraestrutura pesada de carregamento de alta potência. Mesmo com melhorias, um robô de carregamento rápido ainda precisa parar com frequência. Em ambientes sem acesso à energia da grade, isso não resolve o problema central da energia limitada a bordo. É por isso que os pesquisadores estão explorando alternativas como “reabastecer” robôs com combustíveis metálicos ou químicos – assim como os animais comem – para ignorar os limites do carregamento elétrico.

Uma alternativa: metabolismo robótico

Na natureza, os animais não recarregam, comem. Os alimentos são convertidos em energia através da digestão, circulação e respiração. A gordura armazena que a energia, o sangue o move e os músculos o usam. Robôs futuros podem seguir um plano semelhante com metabolismos sintéticos.

Alguns pesquisadores estão construindo sistemas que permitem que os robôs “digerem” combustíveis metal ou químicos e respirem oxigênio. Por exemplo, reatores químicos sintéticos e estomacais podem converter materiais de alta energia, como alumínio em eletricidade.

Isso se baseia nos muitos avanços na autonomia do robô, onde os robôs podem sentir objetos em uma sala e navegar para buscá -los, mas aqui eles estariam pegando fontes de energia.

Outros pesquisadores estão desenvolvendo sistemas de energia baseados em fluidos que circulam como sangue. Um exemplo inicial, um peixe robótico triplicou sua densidade de energia usando um fluido multifuncional em vez de uma bateria padrão de íon de lítio. Essa mudança de design único entregou o equivalente a 16 anos de melhorias na bateria, não através de uma nova química, mas através de uma abordagem mais bioinspirada. Esses sistemas podem permitir que os robôs operem por um tempo muito mais longo, extraindo energia de materiais que armazenam muito mais energia do que as baterias de hoje.

Nos animais, o sistema de energia faz mais do que apenas fornecer energia. O sangue ajuda a regular a temperatura, fornecer hormônios, combater infecções e reparar feridas. Os metabolismos sintéticos podem fazer o mesmo. Robôs futuros podem gerenciar o calor usando fluidos circulantes ou se curar usando materiais armazenados ou digeridos. Em vez de uma bateria central, a energia pode ser armazenada em todo o corpo em membros, articulações e componentes macios do tipo tecido.

Essa abordagem pode levar a máquinas que não são apenas mais duradouras, mas mais adaptáveis, resistentes e realistas.

A linha inferior

Os robôs de hoje podem pular e correr como animais, mas não podem ir longe.

Seus corpos são rápidos, suas mentes estão melhorando, mas seus sistemas de energia não se alcançaram. Se os robôs vão trabalhar ao lado dos seres humanos de maneiras significativas, precisaremos dar a eles mais do que inteligência e agilidade. Precisamos dar a eles resistência.

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