作者：秦坤 | 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 培養(yǎng)單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所 審核：索鎏敏 研究員 | 中國(guó)科學(xué)院物理研究所

不久前的機(jī)器人馬拉松比賽大家看到了嗎，想象未來(lái)有一天硅基生物回望這一歷史性的時(shí)刻，或許會(huì)無(wú)奈地感嘆：“沒(méi)想到，機(jī)器人最初的瓶頸竟然是電池續(xù)航問(wèn)題！”

圖源：北京亦莊微信公眾號(hào)

看來(lái)，機(jī)器人馬拉松考驗(yàn)的不僅是操控性能，續(xù)航能力也很關(guān)鍵。機(jī)器人要徹底替代人類(lèi)，怎么能沒(méi)有充足的能源呢？

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機(jī)器人也有“續(xù)航焦慮”

現(xiàn)在市面上的人形機(jī)器人續(xù)航通常只有2小時(shí)左右。試想有一天，你買(mǎi)的機(jī)器人做飯1小時(shí)，掃地拖地30分鐘，就在洗碗時(shí)突然“不支棱”了，碎碗滿地不說(shuō)，你還要費(fèi)勁把它搬去充電。與其說(shuō)是續(xù)航焦慮，小編更愿意戲稱(chēng)之為“支棱焦慮”。

以特斯拉的人形機(jī)器人Optimus為例，其電池容量達(dá)2.3kWh。如果換算成常用的5號(hào)堿性電池（1.5V，單個(gè)容量約2.3Ah），需要約660節(jié)，總重約16kg。而使用21700型號(hào)鋰離子電池（5Ah，3.6V），則僅需130節(jié)，總重量約為9kg。由此可見(jiàn)，鋰離子電池的質(zhì)量能量密度（Wh/kg）幾乎是干電池的近兩倍。目前商業(yè)化鋰離子電池的質(zhì)量能量密度普遍在150-260Wh/kg之間，這就是機(jī)器人更傾向使用鋰電池的原因。

特斯拉機(jī)器人的參數(shù)來(lái)源：Tesla

我們?cè)诰W(wǎng)上看到的機(jī)器人表演后空翻，看似輕巧，實(shí)則背后對(duì)電池性能有著極高要求——瞬間放電倍率甚至可達(dá)到50C，這相當(dāng)于普通電池日常使用放電倍率的100倍以上。但即便如此，目前機(jī)器人的日常續(xù)航仍只有2小時(shí)左右，遠(yuǎn)無(wú)法滿足未來(lái)更復(fù)雜的任務(wù)需求（一般復(fù)雜任務(wù)需達(dá)到5C以上放電倍率）。

機(jī)器人翻跟頭來(lái)源：unitree.com

機(jī)器人的能耗主要來(lái)自機(jī)械運(yùn)動(dòng)，尤其是垂直方向的舉升和劇烈加速動(dòng)作能耗最高，比如“后空翻”，其短時(shí)間內(nèi)的功率需求巨大。電池太重，會(huì)大大降低機(jī)器人的靈活性；電池容量不足，則限制了機(jī)器人的實(shí)際使用范圍。未來(lái)的研究方向包括：一是提升電池的能量密度，二是利用機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)分布式儲(chǔ)能。也就是讓單個(gè)電池存儲(chǔ)的能量更多和用更多電池存儲(chǔ)更多能量的區(qū)別。

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能量密度：電池革命的關(guān)鍵

能量密度，即單位質(zhì)量電池能存儲(chǔ)的能量，決定了機(jī)器人能否長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行甚至勝任更多復(fù)雜任務(wù)。近年來(lái)，科學(xué)家們正積極研究下一代電池技術(shù)，比如固態(tài)電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等。

固態(tài)電池是指用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解質(zhì)，解決了金屬鋰在負(fù)極應(yīng)用中的安全性問(wèn)題，其能量密度可高達(dá)500Wh/kg。

不同類(lèi)型電池的能量密度來(lái)源：nature.com

而鋰空氣電池則更進(jìn)一步，理論質(zhì)量能量密度甚至能達(dá)到1000Wh/kg以上，這意味著機(jī)器人可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不頻繁充電。鋰空氣電池工作原理非常獨(dú)特：空氣中的氧氣與鋰原子反應(yīng)生成超氧化鋰（LiO?）或過(guò)氧化鋰（Li?O?）。然而，鋰空氣電池仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，例如反應(yīng)產(chǎn)物在電池中積累后對(duì)電池性能的負(fù)面影響，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

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穿在身上的能源：仿生結(jié)構(gòu)電池

除了單純提高電池能量密度外，科學(xué)家們還另辟蹊徑，提出了多功能結(jié)構(gòu)電池的概念——將電池“穿”在機(jī)器人身上，甚至直接成為機(jī)器人軀體的一部分。這樣，機(jī)器人身上任何位置都可以作為儲(chǔ)能單元，極大地增加了機(jī)器人可攜帶的能量。

將仿生結(jié)構(gòu)電池應(yīng)用于機(jī)器人來(lái)源：

研究人員開(kāi)發(fā)出了一種柔性鋅空氣電池，類(lèi)似于衣服，可以與機(jī)器人甚至昆蟲(chóng)外殼結(jié)合。這種仿生結(jié)構(gòu)電池，不僅提供能源，還幫助機(jī)器人行走和平衡，實(shí)現(xiàn)真正的“一衣多用”。

這種分布式能源架構(gòu)非常接近人體結(jié)構(gòu)：人體能量分布在脂肪（長(zhǎng)期能量?jī)?chǔ)備）、肌肉中的糖原（短期快速供能）以及線粒體ATP（三磷酸腺苷，極短期瞬時(shí)供能）三種形式之中。如果機(jī)器人也采用類(lèi)似的多元儲(chǔ)能系統(tǒng)，就能更好地滿足復(fù)雜任務(wù)需求。

人體內(nèi)和人形機(jī)器人的分布式能源架構(gòu)對(duì)比圖。來(lái)源：wiley.com

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電池之外的能源新勢(shì)力

人形機(jī)器人需要電池來(lái)提供能夠平穩(wěn)運(yùn)行或慢走的大部分能量，面對(duì)高強(qiáng)度短時(shí)需求，鋰電池往往無(wú)能為力，于是超級(jí)電容器成為了重要的輔助設(shè)備。超級(jí)電容器雖然能量密度低于鋰電池，但其能夠快速大電流放電，滿足機(jī)器人瞬時(shí)的功率需求。

鋰離子電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性來(lái)源：sciencedirect.com

此外，想象一下機(jī)器人在偏遠(yuǎn)山區(qū)執(zhí)行任務(wù)，電量耗盡卻找不到充電樁的窘境，那么就只能從環(huán)境中不斷地收集能量。為此，科學(xué)家開(kāi)始關(guān)注環(huán)境能量收集技術(shù)。納米摩擦發(fā)電機(jī)可將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，柔性太陽(yáng)能電池則利用太陽(yáng)光發(fā)電。這又進(jìn)一步拓展了機(jī)器人的可利用能量，相當(dāng)于之前的方案是把能源攜帶在身上，現(xiàn)在的方案是把能源存在整個(gè)空間中。

還有一種微生物燃料電池（MFC）——通過(guò)特殊的電活性微生物代謝有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生電子，進(jìn)而生成電能。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖來(lái)源：wiley.com

在微生物燃料電池中，微生物在陽(yáng)極厭氧分解有機(jī)物產(chǎn)生電子，電子通過(guò)外部電路傳遞至陰極，質(zhì)子通過(guò)溶液或膜遷移，與電子在陰極區(qū)結(jié)合氧氣生成水，完成電路并釋放電能。這意味著機(jī)器人未來(lái)或許真的能夠“靠吃飯”充電！

微生物燃料電池及其原理來(lái)源：知乎@無(wú)心

綜上所述，機(jī)器人想要真正步入智能化時(shí)代，必須同時(shí)解決能源問(wèn)題，否則再厲害的機(jī)器人也“支棱”不起來(lái)。希望未來(lái)的機(jī)器人，不再被電池束縛，自由地完成更多人類(lèi)期望的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)器人革命。

參考文獻(xiàn)

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https://www.zhihu.com/question/13205823990/answer/109801018385

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