Roboter tar slut på energi långt innan de slutar på jobbet att göra – att mata dem kan förändra det
Tidigare i år, a robot Avslutade en halvmaraton i Peking på knappt 2 timmar och 40 minuter. Det är långsammare än den mänskliga vinnaren, som klockade in på drygt en timme – men det är fortfarande en anmärkningsvärd prestation. Många fritidslöpare skulle vara stolta över den tiden. Roboten höll sin takt i mer än 13 mil (21 kilometer).
Men det gjorde det inte på en enda avgift. På vägen var roboten tvungen att stoppa och få sina batterier bytte tre gånger. Den detalj, medan den är lätt att förbise, talar volymer om en djupare utmaning inom robotik: energi.
Moderna robotar kan röra sig med otrolig smidighet, efterlikna djurens rörelse och utföra komplexa uppgifter med mekanisk precision. På många sätt rivaliserar de biologi i samordning och effektivitet. Men när det gäller uthållighet kommer robotar fortfarande att bli kort. De tröttnar inte från ansträngning – de har helt enkelt slut på makten.
Som en robotforskare Med fokus på energisystem studerar jag denna utmaning noggrant. Hur kan forskare ge robotar livskraften hos levande varelser – och varför är vi Fortfarande så långt från det målet? Även om de flesta robotforskning om energiproblemet har fokuserat på bättre batterier, finns det en annan möjlighet: bygga robotar som äter.
Roboter rör sig bra men slut på ånga
Moderna robotar är anmärkningsvärt bra på att flytta. Tack vare decennier av forskning inom biomekanik, motorisk kontroll och aktivering, maskiner som Boston Dynamics plats och Atlas kan gå, springa och klättra med en smidighet som en gång verkade utom räckhåll. I vissa fall är deras motorer ännu mer effektiva än djurmuskler.
Men uthållighet är en annan fråga. Spot, till exempel, kan fungera för Bara 90 minuter på full avgift. Efter det behöver den nästan en timme för att ladda. Dessa driftstider är långt ifrån de åtta till 12 timmars förändringarna som förväntas av mänskliga arbetare- eller multiday-uthålligheten hos slädhundar.
Släkt: Amazons nya lagerrobot har en ”känsla av beröring” som kan se den ersätta mänskliga arbetare
Frågan är inte hur robotar rör sig – det är hur de lagrar energi. De flesta mobila robotar använder idag litiumjonbatterier, samma typ som finns i smartphones och elbilar. Dessa batterier är pålitliga och allmänt tillgängliga, men deras prestanda förbättras i långsam takt: varje år är nya litiumjonbatterier cirka 7% bättre än föregående generation. I den takt skulle det ta ett helt decennium att bara fördubbla en robots runtime.
Se på
Djur lagrar energi i fett, vilket är utomordentligt energitätt: nästan 9 kilowattimmar per kilo. Det är ungefär 68 kWh totalt i en släde hund, liknande energin i en fulladdad Tesla-modell 3. Litiumjonbatterier, däremot, lagra bara en bråkdel av det, cirka 0,25 kilowattimmar per kilogram. Även med mycket effektiva motorer skulle en robotliknande plats behöva ett batteri dussintals gånger mer kraftfulla än dagens för att matcha uthålligheten hos en släde hund.
Och laddning är inte alltid ett alternativ. I katastrofzoner, avlägsna fält eller på långvariga uppdrag kan ett vägguttag eller ett reservbatteri inte vara någonstans i sikte.
I vissa fall kan robotdesigners lägga till fler batterier. Men fler batterier innebär mer vikt, vilket ökar den energi som krävs för att röra sig. I mycket mobila robotar finns det en noggrann balans mellan nyttolast, prestanda och uthållighet. För Fläcktill exempel utgör batteriet redan 16% av sin vikt.
Vissa robotar har använt solpaneleroch i teorin kan dessa förlänga runtime, särskilt för lågeffektuppgifter eller i ljusa, soliga miljöer. Men i praktiken levererar solenergi mycket lite kraft i förhållande till vad mobila robotar behöver gå, springa eller flyga med praktiska hastigheter. Det är därför energi skörden som solpaneler förblir en nischlösning idag, bättre lämpad för stationära eller ultravåge-kraftrobotar.
Varför det betyder något
Det här är inte bara tekniska begränsningar. De definierar vad robotar kan göra.
En räddningsrobot med ett 45-minutersbatteri kanske inte håller tillräckligt länge för att slutföra en sökning. En gårdsrobot som pausar för att ladda varje timme kan inte skörda grödor i tid. Även i lager eller sjukhus lägger korta körtider komplexitet och kostnad.
Om robotar ska spela meningsfulla roller i samhället som hjälper äldre, utforska farliga miljöer och arbeta tillsammans med människor, behöver de uthålligheten för att hålla sig aktiva i timmar, inte minuter.
Nya batterikemister som litiumsvavel och metallluft Erbjud en mer lovande väg framåt. Dessa system har mycket högre teoretiska energitätheter än dagens litiumjonceller. Vissa tillvägagångssätt som ses i animaliskt fett. När de är parade med ställdon som effektivt konverterar elektrisk energi från batteriet till mekaniskt arbete, kan de göra det möjligt för robotar att matcha eller till och med överskrida uthålligheten hos djur med lågt kroppsfett. Men även dessa nästa generations batterier har begränsningar. Många är svåra att ladda, försämra över tid eller möta tekniska hinder i verkliga system.
Snabbladdning kan bidra till att minska driftstopp. Vissa nya batterier kan ladda på några minuter snarare än timmar. Men det finns avvägningar. Snabb laddning av batteritid, ökar värmen och kräver ofta tung, högeffektinfrastruktur. Även med förbättringar måste en snabbladdningsrobot fortfarande stanna ofta. I miljöer utan tillgång till nätkraft löser detta inte kärnproblemet med begränsad energi ombord. Det är därför forskare undersöker alternativ som ”tankning” robotar med metall eller kemiska bränslen – ungefär som djur äter – för att kringgå gränserna för elektrisk laddning helt och hållet.
I naturen laddas inte djur, de äter. Mat omvandlas till energi genom matsmältning, cirkulation och andning. Fett lagrar den energin, blodet rör sig och musklerna använder det. Framtida robotar kan följa en liknande plan med syntetiska metabolismer.
Vissa forskare bygger system som låter robotar ”Digest” metall eller kemiska bränslen och andas syre. Till exempel kan syntetiska, magliknande kemiska reaktorer omvandla material med hög energi såsom aluminium till elektricitet.
Detta bygger på de många framstegen inom robot autonomi, där robotar kan känna föremål i ett rum och navigera för att hämta demmen här skulle de plocka upp energikällor.
Andra forskare utvecklar vätskebaserade energisystem som cirkulerar som blod. Ett tidigt exempel, en robotfisktredubblade sin energitäthet genom att använda en multifunktionell vätska istället för ett standard litiumjonbatteri. Den enda designskiftet levererade motsvarigheten till 16 års batteriförbättringar, inte genom ny kemi utan genom en mer bioinspirerad strategi. Dessa system kan göra det möjligt för robotar att arbeta under mycket längre tid och dra energi från material som lagrar mycket mer energi än dagens batterier.
Hos djur ger energisystemet mer än bara energi. Blod hjälper till att reglera temperaturen, leverera hormoner, bekämpa infektioner och reparera sår. Syntetiska metabolismer kan göra detsamma. Framtida robotar kan hantera värme med hjälp av cirkulerande vätskor eller läka sig själva med lagrade eller smältade material. I stället för ett centralt batteripaket kan energi förvaras i hela kroppen i lemmar, leder och mjuka, vävnadskomponenter.
Detta tillvägagångssätt kan leda till maskiner som inte bara är längre men mer anpassningsbara, motståndskraftiga och livliga.
Den nedersta raden
Dagens robotar kan hoppa och sprint som djur, men de kan inte gå avstånd.
Deras kroppar är snabba, deras sinnen förbättras, men deras energisystem har inte fångats upp. Om robotar kommer att arbeta tillsammans med människor på meningsfulla sätt, måste vi ge dem mer än intelligens och smidighet. Vi måste ge dem uthållighet.
Denna redigerade artikel publiceras från Konversationen under en Creative Commons -licens. Läs ursprunglig artikel.
