水母形状电池：助力机器人性能提升

大家好！今天来了解大容量水母机器人的水性电池——《The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot》发表于《SCIENCE ADVANCES》。想象一下，在神秘的水下世界，水母机器人轻盈地游动，而这背后的关键就是它独特的水性电池。这个电池可不简单，它不仅为机器人提供动力，还巧妙地解决了传统电池在水下机器人应用中的诸多问题。接下来，让我们深入了解它的神奇之处。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与创新点

（一）机器人能源现状与挑战

在机器人技术领域，续航能力一直是追求的关键目标。传统上，为了延长机器人的操作时间，通常需要增加电池容量。然而，这往往伴随着一系列问题。例如，当增大机器人尺寸以容纳更高容量的电池时，不仅会降低其架构设计的自由度，还会增加惯性。这就好比给一个运动员增加了过多的负重，使其行动变得迟缓，进而降低了机器人的效率、敏捷性，同时运输成本也会增加。而且，目前大多数机器人的能源系统功能较为单一，仅仅是为了提供能量给电子设备和电机。

（二）水母机器人的创新灵感

为了克服这些问题，研究人员从自然界中寻找灵感，水母便是一个绝佳的范例。水母主要由“中胶层”构成，这一结构不仅赋予了它身体弹性，使其在变形后能够恢复形状，还充当了内部骨架来支撑身体。更重要的是，水母能够多功能地利用能量，其“中胶层”中的含纤维蛋白微纤维可用于为肌肉提供动力，从而实现移动和进食。基于此，研究人员选择了水母形状来设计电池，旨在打造一种既高效又多功能的机器人电源系统。水母形状的钟形结构，相较于其他形状，能够存储大量的液态电解质，并且具有相对较低的惯性矩，这为提高机器人的性能奠定了基础。

二、实验设计与系统构成

（一）整体系统架构

水母机器人的系统设计巧妙地融合了多个关键组件。在驱动方面，采用了氧化还原液流电池（RFB）堆作为电源系统，电机则充当了驱动系统的核心，而Teensy3.2微控制器负责整个系统的控制。这三个部分协同工作，如同机器人的“心脏”“肌肉”和“大脑”，共同驱动机器人运动。例如，RFB将化学能转化为电能，为电机提供动力，电机的转动带动曲轴，进而使中心杆上下运动，最终驱动连接在钟形罩内圆周的六个杠杆臂上下摆动，模拟出水母的推进方式。

（二）控制系统设计细节

控制系统在调节机器人运动方面起着至关重要的作用。RFB堆不仅为电机供电，还为Teensy3.2微控制器和电机驱动器载体提供电力。微控制器和电机驱动器相互配合，精确控制电机的转速，从而实现对机器人游泳速度的精准调节。在实际测试中，通过将电机占空比设置为100%，机器人能够达到最高的游泳速度。同时，为了确保机器人在水中的浮力平衡，3D打印的气缸室采用了特殊设计。其直径为6cm、高度为7cm，使用高模量聚氨酯（CarbonInc.; RPU70）材料制作，并与中空硅聚氨酯（Carbon3DInc.; SIL30）部件和中心杆相结合，形成了一个用于放置控制模块的空气空间。这一设计有效地增加了机器人的浮力，帮助抵消电解液（ρ~1.2 gml-1）与周围水（ρ~1 gml-1）之间的轻微密度差。此外，在机器人底部设计了外壳并添加额外重量，这不仅有助于维持机器人在水中的直立姿态，还能根据特定操作要求控制机器人的方向。

（三）电源系统设计要点

电源系统的设计紧密围绕机器人的需求展开。为了减轻机器人的重量，RFB电源系统采用了3D打印聚合物（CarbonInc.;LOCTITE 3D IND405 Clear）作为电池密封材料，使得机器人的总干重从传统不锈钢版本的2207g大幅降低至574g。整个RFB堆设计成圆柱体形状，直径为12cm，每个RFB单元的厚度为0.55cm，内部包含钛网电流收集器、碳毡电极、Nafion膜以及3D打印密封件等组件。U形通道的设计确保了所有阳极电解液（在ZnI₂电池中为阴极电解液）腔室相互连接，使电解液能够在ZnBr₂电池中顺畅流动。

在解决RFB系统存在的问题上，研究人员采取了一系列创新措施。针对锌沉积可能导致电池短路的问题，利用石墨烯的特性，使其作为界面材料，引导锌电结晶沿着电流收集器平面的优选生长轴进行生长。XRD分析结果表明，与未处理的碳毡相比（I002/I101比例为0.9），石墨烯涂层电极上的锌生长更加有序，(002)晶面暴露更多（比例为1.3）。

在阴极侧，通过电喷雾活性炭来增加有效表面积，促进Br₂的吸附和电化学反应，从而有效限制了溴的交叉问题。

三、实验结果与性能分析

（一）ZnBr₂液流电池性能表现

1、电池结构与充放电原理

ZnBr₂液流电池因其较高的功率密度而被选作水母系统的动力源。单个ZnBr₂ RFB电池单元由阳极、阴极、电解液以及离子交换膜等多个部分组成。在充放电循环过程中，阳极和阴极分别发生特定的化学反应。阳极反应为Zn2+ + 2e- → Zn，阴极反应为2Br- - 2e- → Br2，电池整体的电位差为1.8V。

2、性能测试数据与分析

在电池性能测试中，为确保操作安全并避免Br₂在运行过程中释放，研究人员对电池结构进行了特殊设计，即将阴极电解液和阴极碳毡密封为固定电极，使其在RFB中无流动。这种设计使得ZnBr₂RFB在高达的电流密度下，能够展现出稳定的充电和放电平台，平均放电电压约为1.6V。

此外，经过改进的电池界面显著提高了循环稳定性，该电池在的电流密度和的容量下，能够稳定运行超过40个循环，并且始终保持稳定的放电平台。

在功率密度方面，当电流密度为时，ZnBr₂RFB的功率密度高达。然而，ZnBr₂液流电池也存在一些问题，其毒性和腐蚀性对环境和操作安全构成潜在威胁，并且阴极反应空间有限，这在一定程度上限制了电池的容量以及机器人的运行时间。

（二）ZnI₂液流电池性能特点

1、电池配置与工作模式切换

ZnI₂液流电池的配置与ZnBr₂类似，同样采用了石墨烯和活性炭修饰电极。但与ZnBr₂不同的是，I₂的安全性更高，这使得ZnI₂ RFB能够切换阴阳极电解液的流道，从而充分利用水母钟形罩更大的体积。在首次使用时，ZnI₂RFB作为原电池运行。具体操作是先在石墨烯涂层阳极电沉积120mA・hour cm-2的Zn，然后使用4MZnI2+1MKI+0.3MI2作为阴极电解液。在这个过程中，阳极发生反应Zn – 2e- → Zn2+，阴极发生反应I3- + 2e-→3I-。

2、不同阶段性能数据展示

在原电池模式下，ZnI₂ RFB表现出出色的稳定性，在20 mA cm-2的电流密度下，能够持续稳定运行长达5小时。其能量密度约为11A・hour liter⁻¹，面积功率密度约为110 mA hour cm-2，放电深度达到约69%。然而，需要注意的是，放电深度受到碘侧的限制，因为随着放电过程的进行，I3-离子浓度逐渐饱和，会在碳毡上沉积形成固体碘。由于固体碘是电绝缘体，这会导致过电位快速增加，进而使放电电压下降。

幸运的是，由于电沉积Zn的容量较高，可达300mA・hour cm-2，在首次放电后仍有剩余Zn。因此，通过打开钟形罩上的阀门更换耗尽的阴极电解液，机器人就能够继续运行。

在可充电模式下，ZnI₂RFB的循环容量约为3A・hour liter⁻¹，并且在超过200个循环中都能保持稳定的性能。

在理论电压为1.2V时，ZnI₂RFB的最高功率密度约为100mW cm-2。在实际测试中，当ZnI₂ RFB在首次原电池循环后进行充电，在后续每个循环中，电池能够运行约30分钟。

（三）水母游泳性能评估

水母机器人的游泳性能是衡量整个系统成功与否的关键指标之一。水母的钟形罩能够存储多达4升的电解液，这为机器人的运动提供了必要的动力支持。为了实现游泳动作，机器人采用电机拉动钟形罩的方式。钟形罩由硅胶（Smooth-OnInc.;DragonSkin30）制成，其独特的半球形设计（直径为30cm）使得在一个完整的划水周期中，底部受到的阻力大于顶部，从而产生向上的推力，推动机器人向上游动。在为电机供电方面，使用了六个ZnBr₂ RFB电池组成电池堆，该电池堆能够输出9.6V、1.6A的电力，并且采用饱和浓度为15M的ZnBr₂溶液作为阴极电解液，以最大化电池的容量。当测量水母的游泳速度时，研究人员通过跟踪钟形罩顶部的位置变化来获取数据。实验结果表明，水母机器人能够达到2 cm s-1的上升速度，从水箱底部上升到顶部需要消耗26.7J的能量。

由于ZnI₂ RFB系统的功率密度低于ZnBr₂，为了提高机器人的游泳性能，研究人员采用了10个ZnI₂电池（五个串联后再并联）的连接方式。根据上面给出的能量密度（约11A・hour liter⁻¹）计算，4升电解液能够提供大约44Wh的总能量存储。在实际测试中，仅由原ZnI₂ RFB供电的水母机器人在游泳测试中展现出了令人瞩目的续航能力，实际游泳时长达到了1.5小时。然而，尽管取得了这样的成绩，机器人的实际运行时间仍然远远低于理论极限（理论运行时间约为9小时）。

随着时间的推移，电池供电功率从5.1W逐渐下降到3W，这主要是由于电解液浓度的降低导致的。这种浓度降低可能是由于多种因素造成的，例如流速有限导致的高浓度梯度以及固体碘沉积造成的I3-量减少等。随着电池的使用，电解液逐渐耗尽，电池能够提供的最大功率也随之降低，直到无法维持电机的正常运行。为了进一步提高机器人的运行时间，未来的研究可以着眼于优化电池设计，例如通过调整电极结构来最小化欧姆电阻，优化电解液传输以提高效率，以及增加电极的表面积和活性等方式来实现。

（四）能量消耗分析

在对水母机器人的能量消耗进行深入分析后发现，在当前的配置下，主要的能量消耗源是用于在液流电池的渗透层内转移大量流体所需的功，这部分能量消耗约占电机总功率的95%-98%。这意味着，在机器人的运行过程中，克服流体粘性阻力成为了最主要的能量消耗环节。为了提高能量效率，未来的设计可以考虑改进流道设计，使流体能够在更广阔的区域内流动，从而减少局部的粘性阻力；或者寻找降低渗透层粘性阻力的方法，例如使用新型材料或改进渗透层结构等。

四、研究结论

（一）研究成果总结

本研究成功地将液压动力系统集成到了水母机器人中，实现了多项重要突破。该机器人具有高体积（Q ~ 11A·hourliter-1）和面积（108mA・hour cm-2）能量密度，运行寿命长达1.5小时，并且其主要组成部分为电化学能量密集的液体（约占机器人重量的90%）。值得一提的是，这是首次将RFB作为机器人的唯一动力源，同时也是首次应用可充电原RFB技术。水母钟形罩内电解液的运动不仅实现了机器人的快速上升，而且结合其低惯性的半球形结构，为提高机器人的耐力和敏捷性提供了一种新的途径，充分展示了能量集成设计理念在机器人领域的巨大潜力。

（二）RFB化学的优势与应用潜力

RFB化学在本研究中展现出了独特的优势，通过巧妙地结合原电池和二次液流电池的配置，成功实现了高容量和可充电性。其中，ZnI₂电池能够快速更换电解液的特性为机器人的充电方式带来了创新。这种创新的充电方式在搜索和救援任务等领域具有潜在的广泛应用前景。例如，在复杂的救援场景中，可以设想大型轮式或螺旋桨驱动的机器人作为移动基地，为小型、敏捷的卫星机器人提供充电和快速补给服务，从而实现不同类型机器人之间的高效协作，提高救援任务的效率和成功率。

五、一起来做做题吧

1、以下关于传统机器人增加电池容量方式的说法，错误的是（）

A. 会降低架构设计自由度

B. 能提升机器人的敏捷性

C. 会增加机器人的惯性

D. 会提高运输成本

2、在水母机器人的驱动系统中，RFB 的作用是（）

A. 直接控制机器人的运动方向

B. 将电能转化为化学能

C. 为电机提供动力

D. 调节电机的转速

3、ZnBr₂液流电池在高电流密度下能保持稳定性能，主要得益于（）