Un nouveau type de batterie structurelle pourrait améliorer considérablement l’efficacité énergétique des robots, en simulant les fonctions d’une réserve de graisse biologique
Les robots d’aujourd’hui sont déjà capables de réaliser des exploits incroyables, qu’il s’agisse de garder des moutons en Nouvelle-Zélande ou de livrer des fournitures médicales au Rwanda. Ils pourraient atteindre des sommets encore plus élevés si certains de leurs matériaux structurels servaient également à stocker de l’énergie, un peu comme la graisse des animaux. Les scientifiques ont maintenant démontré cette approche avec une batterie multifonctionnelle qui sert aussi de matériau structurel à un robot en forme de scorpion. Ils estiment que cette technologie pourrait fournir aux futurs robots une puissance jusqu’à 72 fois supérieure à celle des configurations actuelles.
Les travaux ont été menés par des ingénieurs de l’université du Michigan qui étudiaient le potentiel des piles au zinc non toxiques et bon marché pour alimenter une nouvelle génération de dispositifs robotiques. Ces batteries transfèrent des ions d’hydroxyde entre une électrode de zinc et une cathode à air via une membrane faite d’un gel polymère à base d’eau et des nanofibres d’aramide utilisées dans les gilets en Kevlar, une conception qui ouvre des possibilités multifonctionnelles intéressantes.
L’équipe a utilisé la dernière version de sa batterie en zinc comme matériau structurel pour de petits robots en forme de scorpions et de vers. Les batteries ont été câblées dans les moteurs des robots, puis enroulées autour d’eux pour protéger les composants délicats qui s’y trouvent. Dans cette configuration, la batterie biomorphique multifonctionnelle servait à la fois de composant structurel des robots et de source d’énergie, avec des performances similaires aux batteries au lithium typiques utilisées aujourd’hui.
« Aucune autre batterie structurelle n’est comparable, en termes de densité énergétique, aux batteries au lithium de pointe actuelles », explique Nicholas Kotov, responsable de la recherche. « Nous avons amélioré notre version précédente de batteries structurelles au zinc sur 10 mesures différentes, dont certaines sont 100 fois meilleures, pour y parvenir ».
Selon le chercheur, à l’heure actuelle, les robots sont souvent conçus pour accueillir des batteries qui occupent environ 20 % de l’espace disponible à bord et contribuent à environ 20 % de leur poids total. Selon l’équipe, la densité énergétique des batteries structurelles pourrait changer la donne à cet égard, et pourrait doubler la portée des robots de livraison, par exemple. Mais il est possible qu’ils puissent aller beaucoup plus loin que cela.
« Mais ce n’est pas la limite », déclare Mingqiang Wang, premier auteur de l’étude. « Nous estimons que les robots pourraient avoir une capacité de puissance 72 fois supérieure si leur extérieur était remplacé par des piles au zinc, par rapport à une seule pile au lithium-ion ».
Cela pourrait non seulement s’appliquer aux robots actuels construits pour des applications telles que la livraison ou la logistique d’entrepôt, mais pourrait aussi influencer le développement de machines beaucoup plus petites à l’échelle microscopique, où les batteries typiques sont trop grosses et inefficaces pour faire le travail. Tout cela en tirant les leçons des systèmes énergétiques du monde naturel.
Les batteries qui peuvent remplir une double fonction – stocker la charge et protéger les « organes » du robot – reproduisent la multifonctionnalité des tissus adipeux servant à stocker l’énergie dans les créatures vivantes », explique Ahmet Emre, doctorant en génie biomédical dans le laboratoire de Nicolas Kotov.
https://robotics.sciencemag.org/content/5/45/eaba1912
