当电子设备需要自己的电源时，有两种基本选择：电池和能量收集器。电池在内部存储能量，但是它们很重并且供应有限。太阳能电池板等供能设备从其周围环境收集能量。它绕过了电池的一些缺点，但引入了新的缺点，因为它们只能在特定条件下运行，并且不能很快将能量转化为有用的电能。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的最新研究首次以“金属-空气清除剂”的形式弥补了这两种基本技术之间的空白，该技术获得了两全其美的优势。

这种金属空气清除剂的工作原理类似于电池，因为它通过反复破坏并形成一系列化学键来提供动力。但是它也像能量收集器一样工作，因为电力是由其周围环境中的能量提供的：特别是金属和空气清除剂周围空气中的化学键。

结果是电源的功率密度是最好的能量收集器的10倍，能量密度是锂离子电池的 13倍。从长远来看，这种能源可能会成为机器人技术新范式的基础，在机器人技术中，机器通过寻找和“吃掉”金属来保持自身动力，像人类对食物的作用一样，破坏其化学键以获得能量。

在短期内，这项技术已经为两家附属公司提供了动力。宾夕法尼亚大学年度Y-Prize竞赛的获胜者计划使用金属空气清除剂为发展中国家离网房屋的低成本照明灯供电，并为集装箱安装持久耐用的传感器，以对盗窃、损坏甚至人口贩卖发出警报。

研究人员，机械工程和应用力学系的助理教授James Pikul与其实验室成员Min Min和Unnati Joshi一起发表了一项研究，在ACS Energy Letters期刊上证明了其清除剂的能力。

开发金属空气清除剂（MAS）的动机源于以下事实：组成微型机器人的技术和为机器人提供动力的技术在小型化方面根本不匹配。随着各个晶体管尺寸的缩小，芯片在更小更轻的封装中提供了更多的计算能力。但是，当电池变小时，电池并不能以同样的方式受益。材料中化学键的密度是固定的，所以较小的电池必然意味着较少的化学键断裂。

“计算性能和能量存储之间的这种反向关系使得小型设备和机器人很难长时间运行，”Pikul说。“有昆虫那么大的机器人，但它们只能工作一分钟，然后电池就没电了。”更糟糕的是，增加更大的电池并不能使机器人持续更长的时间;增加的质量需要更多的能量来移动，抵消了更大的电池提供的额外能量。打破这种令人沮丧的反向关系的唯一方法是寻找化学键，而不是把它们打包在一起。

“矿车，像那些收集太阳能、热能或振动能的矿车，正在变得越来越好，”Pikul说。“它们通常被用来给没有联网的传感器和电子设备供电，在那里你可能没有人可以换电池。”问题是它们的功率密度很低，这意味着它们无法像电池那样快速地从环境中吸收能量。”“我们的MAS的功率密度是最好的收割机的十倍，以至于我们可以和电池竞争，”他说，“它使用电池化学物质，但没有相应的重量，因为它从环境中提取化学物质。”

和传统电池一样，研究人员的MAS从一个阴极开始，阴极连接到它所供电的设备上。在阴极下方是一块水凝胶板，这是一个由聚合物链构成的海绵状网络，通过其携带的水分子在金属表面和阴极之间传导电子。水凝胶作为电解液，它接触的任何金属表面都可以作为电池的阳极，让电子流向阴极，为连接的设备提供能量。为了研究的目的，研究人员将一辆小型机动车与MAS连接起来。在它后面拖着水凝胶，MAS车辆氧化了它所经过的金属表面，在它的尾迹留下了一层微锈。

为了证明这种方法的有效性，研究人员让他们的MAS车辆在一个铝制的表面上做圆周运动。这辆车配备了一个小蓄水池，不断地将水注入水凝胶中，以防止水凝胶变干。

“能量密度是可用能量与必须携带的重量之比，”Pikul说。“即使考虑到额外的水的重量，MAS的能量密度是锂离子电池的13倍，因为车辆只需要携带水凝胶和负极，而不需要携带提供能量的金属或氧气。”研究人员还在锌和不锈钢上测试了MAS车辆。不同的金属赋予MAS不同的能量密度，这取决于它们的氧化电位。这种氧化反应只发生在离表面100微米的范围内，因此，虽然MAS可能会用尽所有现成的键和重复的行程，但它几乎不会对它所清除的金属造成重大的结构损伤。

由于有这么多可能的用途，研究人员的MAS系统很自然地适合宾夕法尼亚大学的年度y奖，这是一个商业计划竞赛，挑战团队围绕宾夕法尼亚大学工程学院开发的新技术来建立公司。今年的第一名团队“金属之光”(Metal Light)获得了1万美元的奖金，因为他们提议将MAS技术用于发展中国家离网家庭的低成本照明。M-Squared公司以4000美元的收入位居第二，它打算在集装箱中使用mas驱动的传感器。

Pikul说:“在不久的将来，我们会看到我们的MAS将推动物联网技术的发展，就像Metal Light和M-Squared提出的那样。”“但真正吸引我们的，以及这项工作背后的动机，是它如何改变了我们设计机器人的方式。”

Pikul的其他研究大多涉及通过从自然界获取线索来改进技术。例如，他的实验室的高强度、低密度的“金属木材”的灵感来自于树木的细胞结构，他对一只机器狮子鱼的研究包括给它一个液体电池循环系统，这个系统也通过气动驱动它的鳍。研究人员认为他们的MAS利用了一个更基本的生物学概念:食物。

“随着机器人变得更智能、更有能力，我们不再局限于把它们插到墙上。他们现在可以自己寻找能源，就像人类一样，”Pikul说。“有一天，一个需要给电池充电的机器人将只需要找到一些铝，用MAS‘吃’，这将给它足够的能量工作到它的下一顿饭。”