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。

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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（I ₀₀₂ /I ₁₀₁ 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Zn ²⁺ + 2 ^e- → Zn，阴极反应为2Br ^- - 2e ^- → Br ₂ ，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4MZnI ₂ +1MKI+0.3MI ₂ 作为阴极电解液。在这个过程中，阳极发生反应Zn – 2e- → Zn ²⁺ ，阴极发生反应I ₃ ^- + 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，I ₃ ^- 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