Quando os eletra´nicos precisam de suas próprias fontes de energia, existem duas opções ba¡sicas: baterias e colheitadeiras. As baterias armazenam energia internamente, mas são pesadas e tem um suprimento limitado. Colheitadeiras, como painanãis solares, coletam energia de seus ambientes. Isso contorna algumas das desvantagens das baterias, mas introduz novas, pois elas são podem operar em determinadas condições e não podem transformar essa energia em energia útil muito rapidamente.

Novas pesquisas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilva¢nia estãopreenchendo a lacuna entre essas duas tecnologias fundamentais pela primeira vez na forma de um "limpador de metais e ar" que tira o melhor dos dois mundos.

Esse limpador de metal-ar funciona como uma bateria, pois fornece energia quebrando e formando repetidamente uma sanãrie de ligações químicas. Mas também funciona como uma colheitadeira, na medida em que a energia éfornecida pela energia em seu ambiente: especificamente, as ligações químicas no metal e no ar ao redor do limpador de metais e ar.

O resultado éuma fonte de energia que possui 10 vezes mais densidade de energia que os melhores coletores de energia e 13 vezes mais densidade de energia que as baterias de a­on-la­tio.

A longo prazo, esse tipo de fonte de energia pode ser a base para um novo paradigma na roba³tica, onde as ma¡quinas se mantem energizadas ao procurar e "comer" metal, quebrando suas ligações químicas a  energia, como os humanos fazem com a comida.

No curto prazo, essa tecnologia já estãoalimentando um par de empresas derivadas. Os vencedores da competição anual do Praªmio Y de Penn estãoplanejando usar catadores de ar meta¡lico para alimentar luzes de baixo custo para residaªncias fora da rede no mundo em desenvolvimento e sensores de longa duração para contaªineres de transporte que possam alertar contra roubo, danos ou atéhumanos tra¡fico.

Os pesquisadores, James Pikul, professor assistente do Departamento de Engenharia Meca¢nica e Meca¢nica Aplicada, juntamente com Min Wang e Unnati Joshi, membros de seu laboratório, publicaram um estudo demonstrando as capacidades de seus catadores na revista ACS Energy Letters .

A motivação para o desenvolvimento de seu limpador de metal e ar, ou MAS, surgiu do fato de que as tecnologias que compõem os cérebros dos robôs e as tecnologias que os alimentam são fundamentalmente incompata­veis quando se trata de miniaturização.

Amedida que o tamanho dos transistores individuais diminui, os chips fornecem mais poder de computação em pacotes menores e mais leves. Mas as baterias não se beneficiam da mesma maneira quando ficam menores; a densidade das ligações químicas em um material éfixa; portanto, baterias menores significam necessariamente menos ligações a serem quebradas.

"Essa relação invertida entre desempenho da computação e armazenamento de energia dificulta a operação de dispositivos e robôs de pequena escala por longos períodos", diz Pikul. "Existem robôs do tamanho de insetos, mas eles são podem operar por um minuto antes que a bateria fique sem energia".

Pior ainda, adicionar uma bateria maior não permitira¡ que um roba´ dure mais; a massa adicionada leva mais energia para se mover, negando a energia extra fornecida pela bateria maior. A única maneira de quebrar esse frustrante relacionamento invertido éprocurar ligações químicas, em vez de empacota¡-las.

"As colheitadeiras, como as que coletam energia solar, tanãrmica ou vibracional, estãomelhorando", diz Pikul. "Eles costumam ser usados ​​para alimentar sensores e eletra´nicos que estãofora da rede e onde vocêpode não ter ninguanãm por perto para trocar as baterias. O problema éque eles tem baixa densidade de energia, o que significa que não podem tirar energia do ambiente. tão rápido quanto uma bateria pode entrega¡-lo. "

"Nosso MAS tem uma densidade de potaªncia dez vezes melhor que as melhores colheitadeiras, a ponto de podermos competir com as baterias", diz ele, "estãousando a química da bateria, mas não tem o peso associado, porque estãoconsumindo esses produtos qua­micos" do meio ambiente ".

Como uma bateria tradicional, o MAS dos pesquisadores comea§a com um ca¡todo conectado ao dispositivo que estãosendo alimentado. Debaixo do ca¡todo, háuma placa de hidrogel, uma rede esponjosa de cadeias polimanãricas que conduz elanãtrons entre asuperfÍcie do metal e o ca¡todo atravanãs das moléculas de águaque ele carrega. Com o hidrogel atuando como eletra³lito, qualquersuperfÍcie meta¡lica que ele toque funciona como a¢nodo de uma bateria, permitindo que os elanãtrons fluam para o ca¡todo e energizem o dispositivo conectado.

Para os propósitos de seu estudo, os pesquisadores conectaram um pequeno vea­culo motorizado ao MAS. Arrastando o hidrogel atrás dele, o vea­culo MAS oxidou assuperfÍcies meta¡licas por onde passava, deixando uma camada microsca³pica de ferrugem.

Para demonstrar a eficiência dessa abordagem, os pesquisadores conduziram o vea­culo MAS em ca­rculos em umasuperfÍcie de aluma­nio. O vea­culo foi equipado com um pequeno reservata³rio que continuamente absorve águano hidrogel para impedir que ele seque.

"Densidade energanãtica éa razãoentre a energia dispona­vel e o peso que deve ser transportado", diz Pikul. "Mesmo considerando o peso da águaextra, o MAS tinha 13 vezes a densidade de energia de uma bateria de a­on de la­tio porque o vea­culo são precisa transportar o hidrogel e o ca¡todo, e não o metal ou oxigaªnio que fornece a energia".

Os pesquisadores também testaram os vea­culos MAS em zinco e aa§o inoxida¡vel. Metais diferentes da£o ao MAS diferentes densidades de energia, dependendo do seu potencial de oxidação.

Essa reação de oxidação ocorre apenas a 100 ma­crons dasuperfÍcie, portanto, embora o MAS possa usar todas as ligações prontamente disponí­veis com repetidas viagens, hápouco risco de causar danos estruturais significativos ao metal que estãoeliminando.

Com tantos usos possa­veis, o sistema MAS dos pesquisadores foi um ajuste natural para o Y-Prize anual da Penn, uma competição de planos de nega³cios que desafia as equipes a construir empresas em torno de tecnologias nascentes desenvolvidas na Penn Engineering. A equipe de primeiro lugar deste ano, Metal Light, ganhou US $ 10.000 por sua proposta de usar a tecnologia MAS em iluminação de baixo custo para residaªncias fora da rede nospaíses em desenvolvimento. A M-Squared, que ganhou US $ 4.000 em segundo lugar, pretende usar sensores movidos a MAS em contaªineres.

"No curto prazo, vemos nosso MAS alimentando tecnologias da Internet das Coisas, como o que Metal Light e M-Squared propaµem", diz Pikul. "Mas o que foi realmente interessante para nós, e a motivação por trás deste trabalho, écomo ele muda a maneira como pensamos em projetar robôs".

Muitas das outras pesquisas de Pikul envolvem o aprimoramento da tecnologia, seguindo pistas do mundo natural. Por exemplo, a "madeira meta¡lica" de alta resistência e baixa densidade de seu laboratório foi inspirada na estrutura celular das a¡rvores, e seu trabalho em um peixe-lea£o roba³tico envolvia fornecer a ele um sistema circulata³rio com bateria la­quida que também atuava pneumaticamente suas barbatanas.

Os pesquisadores vaªem o MAS como se baseando em um conceito biola³gico ainda mais fundamental: comida.

"Amedida que obtemos robôs mais inteligentes e capazes, não precisamos mais nos restringir a conecta¡-los a uma parede. Agora eles podem encontrar fontes de energia para si mesmos, assim como os humanos", diz Pikul. "Um dia, um roba´ que precisa recarregar suas baterias precisara¡ encontrar um pouco de aluma­nio para 'comer' com um MAS, o que daria energia suficiente para que ele funcionasse atéa próxima refeição".