為細胞級機器人提供動力 超微電池研發成功

隨著感測器、機械人的尺寸不斷縮小，其動力來源成為一個重要課題。儘管它們採用磁力、電場等方式作為動力來源，但也容易限制其自主性。這次，美國著名大學為細胞大小的自主機械人研發出一種超微型電池。這種機械人的用途包括體內藥物投放、天然氣管道洩漏探測等。

傳統的電池材料，大多使用濕化學製備而無法大幅縮小，而一些鋰電池、陶瓷材料製成的電池也受到體積和效率限制。這些導致多數的微電池尺寸被限制在毫米級、亞平方毫米級上，無法直接給皮升級（pL，萬億分之一公升）或細胞級的機械人使用。

這次，美國麻省理工學院的科學家們透過光刻技術，做出一種高能量密度的超微型電池，讓它可以安置在細胞大小的自主機械人上，使它們有足夠的電力可以在管道、地下、體內和船上等有限環境中自主運行。這篇論文於8月中旬發表在《科學機械人》雜誌上。

研究人員為了創造更自主的微型機械人，他們選用鋅-空氣電池。主要在於這種類型的電池，擁有非常高的能量和能量密度，比許多類型的電池擁有更長的使用壽命。

他們在無塵室，以標準微影技術，在一個2吋（直徑5.08厘米）矽晶圓上，一次性大規模製造約10,000個（100×100陣列）相同設計的皮升級「鋅-空氣電池」。

該種電池最上層是鋅（Zn）陽極（厚度1.5μm）和白金（Pt）陰極組成，嵌入到SU-8（一種抗腐蝕的聚合物）絕緣層上，長寬只有100μm，厚度只有0.002mm（相當於人類頭髮厚度），整體打印在矽晶圓基板上。

當這些電極與空氣中的氧分子相互作用時，鋅會被氧化並釋放流向白金電極的電子，從而產生電流。鋅陽極在反應過程中，電極表面會產生一層磷酸鋅沉澱物（不影響其運作），白金陰極會將水催化成氫氧根離子和氧氣。

實驗人員將100μm大小的鋅-氧電池，放到濃度0.15M的磷酸鹽緩衝鹽水（PBS）等中性水溶液中，以觀察其能產生多少電流、電壓及放電時長。結果顯示，該電池的平均電壓是0.3～0.5V，若放電率從0.1mA/cm增加到0.4mA/cm，其平均輸出功率會隨之增加1～3nW。

另外，該電池的放電時長保持在2,000～3,000秒之間，若放電率增加到0.4mA/cm時，放電時長會縮短至1,000～2,000秒。

另外，實驗人員也製作出50μm、20μm，甚至更小的鋅-氧電池，以觀察該種電池縮小後，是否能夠保持其性能和運用於更小的機械人上。結果顯示，更小的電池也能維持一定性能。

研究人員在確認電池效能後，將其裝到微型機械人上以觀察其整體表現。結果顯示，皮升級鋅-空氣電池足以為微型機械人的電路、感測器、時鐘電路（允許機械人設備追蹤時間）等執行器提供穩定的電力，讓其獲得良好的自主性。

研究人員表示，這款皮升級鋅-空氣電池，比迄今為止所報道的其它微型電池，擁有更高的能量密度，不過電池的功率密度仍有很大的提升空間。未來會朝著這方面發展，讓該種電池能為細胞大小機械人提供更多功能，以便應用到更多領域上。

麻省理工學院化學工程系邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano）教授對該校的新聞室表示：「我們認為這項結果，對機械人技術來說非常有益。我們開始在電池上合成一些零件設備，它們將建立機械人的功能。」

斯特拉諾說：「人為操縱的微型機械人，可以透過外部獲取所需的能量。不過，你想要讓一個小型機械人能夠進入人們無法掌控的空間時，它就需要有一定的自主權，電池就成了必須的了。現在我們正在製造機械人的基本構件，以便機械人能在細胞層面上工作。」

該研究由美國陸軍研究辦公室、美國能源部、美國國家科學基金會、數學工廠（MathWorks）工程獎學金資助。@

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