要讓機械人跑完馬拉松，得用啥樣的電池？|中科院物理所

圖源：北京亦庄微信公眾號

看來，機械人馬拉松考驗的不僅是操控性能，續航能力也很關鍵。機械人要徹底替代人類，怎麼能沒有充足的能源呢？

特斯拉機械人的參數來源：tesla

我們在網上看到的機械人表演後空翻，看似輕巧，實則背後對電池性能有着極高要求——瞬間放電倍率甚至可達到50c，這相當於普通電池日常使用放電倍率的100倍以上。但即便如此，目前機械人的日常續航仍只有2小時左右，遠無法滿足未來更複雜的任務需求（一般複雜任務需達到5c以上放電倍率）。

機械人翻跟頭來源：unitree.com

機械人的能耗主要來自機械運動，尤其是垂直方向的舉升和劇烈加速動作能耗最高，比如「後空翻」，其短時間內的功率需求巨大。電池太重，會大大降低機械人的靈活性；電池容量不足，則限制了機械人的實際使用範圍。未來的研究方向包括：一是提升電池的能量密度，二是利用機械人自身結構分佈式儲能。也就是讓單個電池存儲的能量更多和用更多電池存儲更多能量的區別。

能量密度，即單位質量電池能存儲的能量，決定了機械人能否長時間運行甚至勝任更多複雜任務。近年來，科學家們正積極研究下一代電池技術，比如固態電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等。

固態電池是指用固態電解質替代傳統鋰離子電池的液態電解質，解決了金屬鋰在負極應用中的安全性問題，其能量密度可高達500wh/kg。

不同類型電池的能量密度來源：nature.com

而鋰空氣電池則更進一步，理論質量能量密度甚至能達到1000wh/kg以上，這意味着機械人可以長時間運行而不頻繁充電。鋰空氣電池工作原理非常獨特：空氣中的氧氣與鋰原子反應生成超氧化鋰（lio_₂）或過氧化鋰（li_₂o_₂）。然而，鋰空氣電池仍面臨諸多技術挑戰，例如反應產物在電池中積累後對電池性能的負面影響，目前仍停留在實驗室研發階段。

除了單純提高電池能量密度外，科學家們還另闢蹊徑，提出了多功能結構電池的概念——將電池「穿」在機械人身上，甚至直接成為機械人軀體的一部分。這樣，機械人身上任何位置都可以作為儲能單元，極大地增加了機械人可攜帶的能量。

將仿生結構電池應用於機械人來源：science.org

研究人員開發出了一種柔性鋅空氣電池，類似於衣服，可以與機械人甚至昆蟲外殼結合。這種仿生結構電池，不僅提供能源，還幫助機械人行走和平衡，實現真正的「一衣多用」。

這種分佈式能源架構非常接近人體結構：人體能量分佈在脂肪（長期能量儲備）、肌肉中的糖原（短期快速供能）以及線粒體atp（三磷酸腺苷，極短期瞬時供能）三種形式之中。如果機械人也採用類似的多元儲能系統，就能更好地滿足複雜任務需求。

人體內和人形機械人的分佈式能源架構對比圖。來源：wiley.com

人形機械人需要電池來提供能夠平穩運行或慢走的大部分能量，面對高強度短時需求，鋰電池往往無能為力，於是超級電容器成為了重要的輔助設備。超級電容器雖然能量密度低於鋰電池，但其能夠快速大電流放電，滿足機械人瞬時的功率需求。

鋰離子電池和超級電容器的儲能特性來源：sciencedirect.com

此外，想像一下機械人在偏遠山區執行任務，電量耗盡卻找不到充電樁的窘境，那麼就只能從環境中不斷地收集能量。為此，科學家開始關注環境能量收集技術。納米摩擦發電機可將振動機械能轉為電能，柔性太陽能電池則利用太陽光發電。這又進一步拓展了機械人的可利用能量，相當於之前的方案是把能源攜帶在身上，現在的方案是把能源存在整個空間中。

還有一種微生物燃料電池（mfc）——通過特殊的電活性微生物代謝有機物質產生電子，進而生成電能。

生物質發電示意圖來源：wiley.com

在微生物燃料電池中，微生物在陽極厭氧分解有機物產生電子，電子通過外部電路傳遞至陰極，質子通過溶液或膜遷移，與電子在陰極區結合氧氣生成水，完成電路並釋放電能。這意味着機械人未來或許真的能夠「靠吃飯」充電！

微生物燃料電池及其原理來源：知乎@無心