Robot kehabisan energi jauh sebelum mereka kehabisan pekerjaan yang harus dilakukan – memberi makan mereka bisa mengubahnya
Awal tahun ini, a robot Menyelesaikan setengah maraton di Beijing hanya dalam waktu kurang dari 2 jam dan 40 menit. Itu lebih lambat dari pemenang manusia, yang mencatat waktu lebih dari satu jam – tapi itu masih merupakan prestasi yang luar biasa. Banyak pelari rekreasi akan bangga saat itu. Robot itu menjaga kecepatannya lebih dari 13 mil (21 kilometer).
Tapi itu tidak melakukannya dengan satu tuduhan. Sepanjang jalan, robot harus berhenti dan baterainya ditukar tiga kali. Detail itu, meskipun mudah diabaikan, berbicara banyak tentang tantangan yang lebih dalam dalam robotika: energi.
Robot modern dapat bergerak dengan kelincahan yang luar biasa, meniru penggerak hewan dan mengeksekusi tugas kompleks dengan presisi mekanis. Dalam banyak hal, mereka menyaingi biologi dalam koordinasi dan efisiensi. Tetapi ketika datang ke daya tahan, robot masih gagal. Mereka tidak bosan dengan aktivitas – mereka hanya kehabisan kekuatan.
Sebagai a Peneliti Robotika Berfokus pada sistem energi, saya mempelajari tantangan ini dengan cermat. Bagaimana para peneliti dapat memberikan robot kekuatan tetap dari makhluk hidup – dan mengapa kita Masih jauh dari tujuan itu? Meskipun sebagian besar penelitian robot tentang masalah energi telah berfokus pada baterai yang lebih baik, ada kemungkinan lain: membangun robot yang dimakan.
Robot bergerak dengan baik tetapi kehabisan tenaga
Robot modern sangat pandai bergerak. Berkat penelitian selama beberapa dekade di bidang biomekanik, kontrol motorik dan aktuasi, mesin seperti Boston Dynamics 'Spot dan Atlas Can berjalan, lari dan memanjat dengan kelincahan yang dulu tampak di luar jangkauan. Dalam beberapa kasus, motor mereka bahkan lebih efisien daripada otot hewan.
Tapi daya tahan adalah masalah lain. Spot, misalnya, dapat beroperasi hanya 90 menit dengan biaya penuh. Setelah itu, perlu hampir satu jam untuk mengisi ulang. Runtimes ini jauh dari pergeseran delapan hingga 12 jam yang diharapkan dari pekerja manusia- atau daya tahan multiday dari anjing kereta luncur.
Terkait: Robot gudang baru Amazon memiliki 'rasa sentuhan' yang bisa melihatnya menggantikan pekerja manusia
Masalahnya bukanlah bagaimana robot bergerak – begitulah cara mereka menyimpan energi. Sebagian besar robot mobile saat ini menggunakan baterai lithium-ion, jenis yang sama ditemukan di smartphone dan mobil listrik. Baterai ini dapat diandalkan dan tersedia secara luas, tetapi kinerjanya meningkat dengan lambat: setiap tahun baterai lithium-ion baru sekitar 7% lebih baik daripada generasi sebelumnya. Pada tingkat itu, dibutuhkan satu dekade penuh untuk hanya menggandakan runtime robot.
Hewan menyimpan energi dalam lemak, yang sangat padat energi: hampir 9 kilowatt-jam per kilogram. Total sekitar 68 kWh pada anjing kereta luncur, mirip dengan energi dalam Baterai Lithium-ion Tesla yang bermuatan penuh, sebaliknya, menyimpan sebagian kecil dari itu, sekitar 0,25 kilowatt-jam per kilogram. Bahkan dengan motor yang sangat efisien, robot seperti spot akan membutuhkan baterai puluhan kali lebih kuat dari hari ini untuk mencocokkan daya tahan anjing kereta luncur.
Dan pengisian ulang tidak selalu menjadi pilihan. Di zona bencana, bidang jarak jauh atau misi berdurasi panjang, outlet dinding atau baterai cadangan mungkin tidak terlihat.
Dalam beberapa kasus, desainer robot dapat menambahkan lebih banyak baterai. Tetapi lebih banyak baterai berarti lebih banyak berat, yang meningkatkan energi yang dibutuhkan untuk bergerak. Dalam robot yang sangat mobile, ada keseimbangan yang cermat antara muatan, kinerja, dan daya tahan. Untuk Titikmisalnya, baterai sudah menghasilkan 16% dari beratnya.
Beberapa robot telah digunakan panel suryadan secara teori ini dapat memperpanjang runtime, terutama untuk tugas berdaya rendah atau di lingkungan yang cerah dan cerah. Tetapi dalam praktiknya, tenaga surya memberikan daya yang sangat sedikit relatif terhadap apa yang dibutuhkan robot seluler untuk berjalan, berlari atau terbang dengan kecepatan praktis. Itulah sebabnya pemanenan energi seperti panel surya tetap menjadi solusi niche saat ini, lebih cocok untuk robot stasioner atau ultra-power.
Mengapa itu penting
Ini bukan hanya keterbatasan teknis. Mereka mendefinisikan apa yang bisa dilakukan robot.
Robot penyelamat dengan baterai 45 menit mungkin tidak bertahan cukup lama untuk menyelesaikan pencarian. Robot pertanian yang berhenti untuk mengisi ulang setiap jam tidak dapat memanen tanaman tepat waktu. Bahkan di gudang atau rumah sakit, jaga pendek menambah kompleksitas dan biaya.
Jika robot memainkan peran yang bermakna dalam masyarakat yang membantu orang tua, menjelajahi lingkungan berbahaya dan bekerja bersama manusia, mereka membutuhkan daya tahan untuk tetap aktif selama berjam -jam, bukan menit.
Kimia baterai baru seperti lithium-sulfur Dan udara logam Tawarkan jalan yang lebih menjanjikan ke depan. Sistem ini memiliki kepadatan energi teoritis yang jauh lebih tinggi daripada sel-sel lithium-ion saat ini. Beberapa tingkat pendekatan yang terlihat pada lemak hewani. Ketika dipasangkan dengan aktuator yang secara efisien mengubah energi listrik dari baterai menjadi pekerjaan mekanis, mereka dapat memungkinkan robot untuk mencocokkan atau bahkan melebihi daya tahan hewan dengan lemak tubuh rendah. Tetapi bahkan baterai generasi berikutnya ini memiliki keterbatasan. Banyak yang sulit untuk diisi ulang, menurun dari waktu ke waktu atau rintangan teknik wajah dalam sistem dunia nyata.
Pengisian cepat dapat membantu mengurangi waktu henti. Beberapa baterai yang muncul dapat mengisi ulang dalam hitungan menit daripada jam kerja. Tapi ada trade-off. Pencegahan daya baterai pengisian cepat, meningkatkan panas dan seringkali membutuhkan infrastruktur pengisian daya tinggi dan berdaya tinggi. Bahkan dengan perbaikan, robot pengisian cepat masih perlu sering berhenti. Di lingkungan tanpa akses ke daya jaringan, ini tidak menyelesaikan masalah inti dari energi onboard terbatas. Itulah sebabnya para peneliti mengeksplorasi alternatif seperti robot “pengisian bahan bakar” dengan bahan bakar logam atau bahan kimia – seperti halnya makan hewan – untuk memotong batas pengisian listrik sama sekali.
Di alam, hewan tidak mengisi ulang, mereka makan. Makanan diubah menjadi energi melalui pencernaan, sirkulasi dan respirasi. Lemak menyimpan energi itu, darah menggerakkannya dan otot menggunakannya. Robot masa depan bisa mengikuti cetak biru yang serupa dengan metabolisme sintetis.
Beberapa peneliti membangun sistem yang membiarkan robot Logam “Digest” atau bahan bakar kimia dan menghirup oksigen. Sebagai contoh, sintetis, reaktor kimia seperti lambung dapat mengubah bahan berenergi tinggi seperti aluminium menjadi listrik.
Ini dibangun di atas banyak kemajuan dalam otonomi robot, di mana robot dapat merasakan benda di ruangan dan Arahkan untuk mengambilnyatetapi di sini mereka akan mengambil sumber energi.
Peneliti lain mengembangkan sistem energi berbasis cairan yang beredar seperti darah. Satu contoh awal, ikan robottiga kali lipat kepadatan energinya dengan menggunakan cairan multifungsi, bukan baterai lithium-ion standar. Pergeseran desain tunggal itu memberikan setara dengan 16 tahun perbaikan baterai, bukan melalui kimia baru tetapi melalui pendekatan yang lebih bio yang lebih tinggi. Sistem ini dapat memungkinkan robot untuk beroperasi untuk waktu yang lebih lama, menarik energi dari bahan yang menyimpan lebih banyak energi daripada baterai saat ini.
Pada hewan, sistem energi lebih dari sekadar menyediakan energi. Darah membantu mengatur suhu, memberikan hormon, melawan infeksi dan memperbaiki luka. Metabolisme sintetis dapat melakukan hal yang sama. Robot di masa depan mungkin mengelola panas menggunakan cairan yang bersirkulasi atau menyembuhkan diri mereka sendiri menggunakan bahan yang tersimpan atau dicerna. Alih -alih paket baterai sentral, energi dapat disimpan di seluruh tubuh dalam anggota tubuh, sambungan dan komponen seperti tissuelike.
Pendekatan ini dapat menyebabkan mesin yang tidak hanya tahan lama tetapi lebih mudah beradaptasi, tangguh dan seperti hidup.
Intinya
Robot hari ini dapat melompat dan berlari seperti binatang, tetapi mereka tidak bisa menempuh jarak.
Tubuh mereka cepat, pikiran mereka membaik, tetapi sistem energi mereka belum menyusul. Jika robot akan bekerja bersama manusia dengan cara yang bermakna, kita perlu memberi mereka lebih dari kecerdasan dan ketangkasan. Kita perlu memberi mereka daya tahan.
Artikel yang diedit ini diterbitkan ulang dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Baca Artikel asli.
