发布日期：2024-12-01 20:19    点击次数：55

环球好！今天来了解大容量水母机器东说念主的水性电板——《The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot》发表于《SCIENCE ADVANCES》。念念象一下，在微妙的水来全国，水母机器东说念主微弱地游动人体艺术汤加丽，而这背后的要津就是它独到的水性电板。这个电板可不简单，它不仅为机器东说念主提供能源，还机密地惩办了传统电板在水下机器东说念主应用中的诸多问题。接下来，让咱们潜入了解它的神奇之处。

*本文只作念阅读条记共享*

一、商议配景与革命点

（一）机器东说念主能源近况与挑战

在机器东说念主时间边界，续航身手一直是追求的要津主义。传统上，为了延伸机器东说念主的操作时辰，经常需要增多电板容量。但是，这时常伴跟着一系列问题。举例，当增大机器东说念主尺寸以容纳更高容量的电板时，不仅会裁减其架构想象的解放度，还会增多惯性。这就好比给一个畅通员增多了过多的负重，使其行动变得迟缓，进而裁减了机器东说念主的效能、敏捷性，同期运载资本也会增多。而且，当今大多数机器东说念主的能源系统功能较为单一，只是是为了提供能量给电子建造和电机。

（二）水母机器东说念主的革命灵感

为了克服这些问题，商议东说念主员从当然界中寻找灵感，水母等于一个绝佳的范例。水母主要由“中胶层”组成，这一结构不仅赋予了它躯壳弹性，使其在变形后大概收复时势，还充任了里面骨架来维持躯壳。更紧迫的是，水母大概多功能地行使能量，其“中胶层”中的含纤维卵白微纤维可用于为肌肉提供能源，从而竣事移动和进食。基于此，商议东说念主员弃取了水母时势来想象电板，旨在打造一种既高效又多功能的机器东说念主电源系统。水母时势的钟形结构，相较于其他时势，大概存储遍及的液态电解质，何况具有相对较低的惯性矩，这为提高机器东说念主的性能奠定了基础。

二、施行想象与系统组成

（一）举座系统架构

水母机器东说念主的系统想象机密地交融了多个要津组件。在驱动方面，弃取了氧化还原液流电板（RFB）堆四肢电源系统，电机则充任了驱动系统的中枢，而Teensy3.2微限度器负责统共这个词系统的限度。这三个部分协同使命，如同机器东说念主的“腹黑”“肌肉”和“大脑”，共同驱动机器东说念主畅通。举例，RFB将化学能滚动为电能，为电机提供能源，电机的动弹带动曲轴，进而使中心杆高下畅通，最终驱动绽开在钟形罩内圆周的六个杠杆臂高下舞动，模拟出水母的鼓舞花样。

（二）限度系统想象细节

限度系统在疏通机器东说念主畅通方面起着至关紧迫的作用。RFB堆不仅为电机供电，还为Teensy3.2微限度器和电机驱动器载体提供电力。微限度器和电机驱动器相互配合，精确限度电机的转速，从而竣事对机器东说念主游水速率的精确疏通。在内容测试中，通过将电机占空比莳植为100%，机器东说念主大概达到最高的游水速率。同期，为了确保机器东说念主在水中的浮力均衡，3D打印的气缸室弃取了特殊想象。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）部件和中心杆相兼并，形成了一个用于放手限度模块的空气空间。这一想象有用地增多了机器东说念主的浮力，匡助对消电解液（ρ~1.2 gml-1）与周围水（ρ~1 gml-1）之间的细微密度差。此外，在机器东说念主底部想象了外壳并添加荒谬分量，这不仅有助于保管机器东说念主在水中的赠送姿态，还能凭据特定操作条目限度机器东说念主的场地。

（三）电源系统想象重点

电源系统的想象精致围绕机器东说念主的需求伸开。为了平缓机器东说念主的分量，RFB电源系统弃取了3D打印团聚物（CarbonInc.;LOCTITE 3D IND405 Clear）四肢电板密封材料，使得机器东说念主的总干重从传统不锈钢版块的2207g大幅裁减至574g。统共这个词RFB堆想象成圆柱体时势，直径为12cm，每个RFB单位的厚度为0.55cm，里面包含钛网电流网罗器、碳毡电极、Nafion膜以及3D打印密封件等组件。U形通说念的想象确保了统共阳极电解液（在ZnI₂电板中为阴极电解液）腔室相互绽开，使电解液大概在ZnBr₂电板中顺畅流动。

在惩办RFB系统存在的问题上，商议东说念主员采选了一系列革命步履。针对锌千里积可能导致电板短路的问题，行使石墨烯的性格，使其四肢界面材料，教导锌电结晶沿着电流网罗器平面的优选助长轴进行助长。XRD分析扫尾标明，与未处理的碳毡比拟（I002/I101比例为0.9），石墨烯涂层电极上的锌助长愈加有序，(002)晶面显现更多（比例为1.3）。

在阴极侧，通过电喷雾活性炭来增多有用名义积，促进Br₂的吸歌唱电化学响应，从而有用限制了溴的交叉问题。

三、施行扫尾与性能分析

（一）ZnBr₂液流电板性能发达

1、电板结构与充放电旨趣

ZnBr₂液流电板因其较高的功率密度而被选作水母系统的能源源。单个ZnBr₂ RFB电板单位由阳极、阴极、电解液以及离子交换膜等多个部分组成。在充放电轮回流程中，阳极和阴极分辨发生特定的化学响应。阳极响应为Zn2+ + 2e- → Zn，阴极响应为2Br- - 2e- → Br2，电板举座的电位差为1.8V。

2、性能测试数据与分析

在电板性能测试中，为确保操作安全并幸免Br₂在初始流程中开释，商议东说念主员对电板结构进行了特殊想象，行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。这种想象使得ZnBr₂RFB在高达的电流密度下，大概展现出踏实的充电和放电平台，平均放电电压约为1.6V。

此外，经过矫正的电板界面显赫提高了轮回踏实性，该电板在的电流密度和的容量下，大概踏实初始进步40个轮回，何况永恒保握踏实的放电平台。

在功率密度方面，当电流密度为时，ZnBr₂RFB的功率密度高达。但是，ZnBr₂液流电板也存在一些问题，其毒性和腐蚀性对环境和操作安全组成潜在胁迫，何况阴极响应空间有限，这在一定进度上限制了电板的容量以及机器东说念主的初始时辰。

（二）ZnI₂液流电板性能性格

1、电板建树与使命模式切换

ZnI₂液流电板的建树与ZnBr₂雷同，通常弃取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大概切换阴阳极电解液的流说念，从而充分行使水母钟形罩更大的体积。在初次使用时，ZnI₂RFB四肢原电板初始。具体操作是先在石墨烯涂层阳极电千里积120mA・hour cm-2的Zn，然后使用4MZnI2+1MKI+0.3MI2四肢阴极电解液。在这个流程中，阳极发生响应Zn – 2e- → Zn2+，阴极发生响应I3- + 2e-→3I-。

2、不同阶段性能数据展示

在原电板模式下，ZnI₂ RFB发达出出色的踏实性，在20 mA cm-2的电流密度下，大概握续踏实初始长达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%。但是，需要认确切是，放电深度受到碘侧的限制，因为跟着放电流程的进行，I3-离子浓度逐渐鼓胀，会在碳毡上千里积形成固体碘。由于固体碘是电绝缘体，这会导致过电位快速增多，进而使放电电压下落。

行运的是，由于电千里积Zn的容量较高，可达300mA・hour cm-2，在初次放电后仍有剩余Zn。因此，通过翻开钟形罩上的阀门更换耗尽的阴极电解液，机器东说念主就大概不息初始。

在可充电模式下，ZnI₂RFB的轮回容量约为3A・hour liter⁻¹，何况在进步200个轮回中皆能保握踏实的性能。

在表面电压为1.2V时，ZnI₂RFB的最高功率密度约为100mW cm-2。在内容测试中，当ZnI₂ RFB在初次原电板轮回后进行充电，在后续每个轮回中，电板大概初始约30分钟。

（三）水母游水性能评估

水母机器东说念主的游水性能是掂量统共这个词系统收效与否的要津筹画之一。水母的钟形罩大概存储多达4升的电解液，这为机器东说念主的畅通提供了必要的能源支握。为了竣事游水动作，机器东说念主弃取电机拉动钟形罩的花样。钟形罩由硅胶（Smooth-OnInc.;DragonSkin30）制成，其独到的半球形想象（直径为30cm）使得在一个完好的划水周期中，底部受到的阻力大于顶部，从而产生朝上的推力，推动机器东说念主朝上游动。在为电机供电方面，使用了六个ZnBr₂ RFB电板组成电板堆，该电板堆大概输出9.6V、1.6A的电力，何况弃取鼓胀浓度为15M的ZnBr₂溶液四肢阴极电解液，以最大化电板的容量。当测量水母的游水速率时，商议东说念主员通过追踪钟形罩顶部的位置变化来得回数据。施行扫尾标明，水母机器东说念主大概达到2 cm s-1的高潮速率，从水箱底部高潮到顶部需要花消26.7J的能量。

由于ZnI₂ RFB系统的功率密度低于ZnBr₂，为了提高机器东说念主的游水性能，商议东说念主员弃取了10个ZnI₂电板（五个串联后再并联）的绽开花样。凭据上头给出的能量密度（约11A・hour liter⁻¹）谋划，4升电解液大概提供大致44Wh的总能量存储。在内容测试中，仅由原ZnI₂ RFB供电的水母机器东说念主在游水测试中展现出了令东说念主正式的续航身手，内容游水时长达到了1.5小时。但是，尽管取得了这么的成绩，机器东说念主的内容初始时辰仍然远远低于表面极限（表面初始时辰约为9小时）。

跟着时辰的推移，电板供电功率从5.1W逐渐下落到3W，这主如果由于电解液浓度的裁减导致的。这种浓度裁减可能是由于多种身分形成的，举例流速有限导致的高浓度梯度以及固体碘千里积形成的I3-量减少等。跟着电板的使用，电解液逐渐耗尽，电板大概提供的最大功率也随之裁减，直到无法保管电机的正常初始。为了进一步提高机器东说念主的初始时辰，夙昔的商议不错着眼于优化电板想象，举例通过诊疗电极结构来最小化欧姆电阻，优化电解液传输以提高效能，以及增多电极的名义积和活性等花样来竣事。

（四）能量花消分析

在对水母机器东说念主的能量花消进行潜入分析后发现，在现时的建树下，主要的能量花消源是用于在液流电板的浸透层内改造遍及流体所需的功，这部分能量花消约占电机总功率的95%-98%。这意味着，在机器东说念主的初始流程中，克服流体粘性阻力成为了最主要的能量花消门径。为了提高能量效能，夙昔的想象不错辩论矫正流说念想象，使流体大概在更盛大的区域内流动，从而减少局部的粘性阻力；或者寻找裁减浸透层粘性阻力的方法，举例使用新式材料或矫正浸透层结构等。

四、商辩论断

（一）商议效果追念

本商议收效地将液压能源系统集成到了水母机器东说念主中，竣事了多项紧迫大肆。该机器东说念主具有高体积（Q ~ 11A·hourliter-1）和面积（108mA・hour cm-2）能量密度，初始寿命长达1.5小时，何况其主要组成部分为电化学能量密集的液体（约占机器东说念主分量的90%）。值得一提的是，这是初次将RFB四肢机器东说念主的唯独能源源，同期亦然初次应用可充电原RFB时间。水母钟形罩内电解液的畅通不仅竣事了机器东说念主的快速高潮，而且兼并其低惯性的半球形结构，为提高机器东说念主的耐力和敏捷性提供了一种新的路线，充分展示了能量集成想象理念在机器东说念主边界的刚劲后劲。

（二）RFB化学的上风与应用后劲

RFB化学在本商议中展现出了独到的上风，通过机密地兼并原电板和二次液流电板的建树，收效竣事了高容量和可充电性。其中，ZnI₂电板大概快速更换电解液的性格为机器东说念主的充电花样带来了革命。这种革命的充电花样在搜索和扶直任务等边界具有潜在的通俗应用出路。举例，在复杂的扶直场景中，不错设念念大型轮式或螺旋桨驱动的机器东说念主四肢移动基地，为袖珍、敏捷的卫星机器东说念主提供充电和快速补给处事，从而竣事不同类型机器东说念主之间的高效合作，提高扶直任务的效能和收效能。

五、一齐来作念作念题吧

1、以下对于传统机器东说念主增多电板容量花样的说法，破绽的是（ ）

A. 会裁减架构想象解放度

B. 能普及机器东说念主的敏捷性

C. 会增多机器东说念主的惯性

D. 会提高运载资本

2、在水母机器东说念主的驱动系统中，RFB 的作用是（ ）

A. 径直限度机器东说念主的畅通场地

B. 将电能滚动为化学能

C. 为电机提供能源

D. 疏通电机的转速

3、ZnBr₂液流电板在高电流密度下能保握踏实性能，主要收货于（ ）

A. 密封的阴极电解液和阴极碳毡

B. 高浓度的 ZnBr₂溶液

C. 石墨烯对锌电结晶的教导

99bt

D. 活性炭对溴₂的吸附

4、当今水母机器东说念主初始寿命低于表面极限的主要原因是（ ）

A. ZnI₂原电板放电流程中浓度裁减导致功率密度下落

B. 电板密封材料性能欠安

C. 电机效能过低

D. 机器东说念主外形想象不对理

参考文件：

Xu Liu et al. The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot. Sci. Adv.10人体艺术汤加丽， eadq7430(2024).

---