一種創(chuàng)新的電路設(shè)計能讓微型設(shè)備（像微型無人機和其他微型機器人）在保持輕巧緊湊的同時，供電時長更久。來自加州大學(xué)圣地亞哥分校和法國原子能委員會電子信息技術(shù)研究所（CEA - Leti）的研究人員開發(fā)出一種新型自持電路配置——以微型固態(tài)電池為特色——把高能量密度和超輕設(shè)計結(jié)合起來。

研究結(jié)果將在電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）2025年國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上展示，該會議于2月16日至20日在舊金山舉行。

微型無人機的一個重要應(yīng)用設(shè)想是，在災(zāi)難情況下如何協(xié)助急救人員。比如建筑物倒塌時，現(xiàn)有的機器人可能太大，無法在產(chǎn)生的狹小區(qū)域內(nèi)操作。然而，一群微小的振翅無人機——小到能停在指甲上——可以進入狹窄空間檢查建筑物內(nèi)的化學(xué)危害，甚至搜尋被困人員。

不過，設(shè)計上的難題是，這些設(shè)備需要持久電力來維持足夠長時間的飛行。但因為它們體積非常小（幾十克，理想情況更小），攜帶大電池不切實際。所以，目前的微型無人機只能飛幾分鐘。

加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院電氣與計算機工程系教授、該論文的共同的資深作者帕特里克·梅西耶（Patrick Mercier）說：“為了讓飛行時間最長，得把系統(tǒng)所有組件的重量減到最小，這包括電池和處理電力所需的所有電子設(shè)備。這是個非常困難又微妙的權(quán)衡。”

切割細分

大多數(shù)微型機器人要移動的話，會使用壓電微致動器，這種致動器將電信號轉(zhuǎn)換為精確控制的物理運動。然而，這些微致動器需要高電壓才能工作——高達數(shù)十到數(shù)百伏——而如今的鋰離子電池僅提供4伏電壓。提升電壓通常需要體積龐大的電感器或電容器，這會大大增加重量和體積，對于如此小的設(shè)備來說并非最佳選擇。

因此，梅西耶（Mercier）及其團隊，包括該研究的共同第一作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校電氣與計算機工程專業(yè)的博士生林子蕭（Zixiao Lin），放棄了傳統(tǒng)的小電池，轉(zhuǎn)而采用更緊湊、更輕便的電池。

法國原子能委員會 - 電子信息技術(shù)研究所（CEA - Leti）硅元件部門的科學(xué)主任、該論文的共同資深作者蓋爾·皮隆內(nèi)（Ga?l Pillonnet）表示：“我們的方法的突破在于利用新興的固態(tài)電池，這種電池具有在不犧牲能量密度的情況下縮小體積的獨特能力。”

梅西耶說：“我們不必使用一個較大的電池，而是可以將完全相同的電池切割分解成10個、20個或更多個單獨的電池。”并且，每個單獨的電池都會和較大的母電池具有相同的能量密度。

然后，利用這些切開的電池，該團隊構(gòu)建了一個具有所謂“飛行電池”配置的驅(qū)動電路。與通常固定為一種排列方式的傳統(tǒng)電池設(shè)置不同，飛行電池具有多功能性。它使系統(tǒng)能夠動態(tài)地切換單個電池單元的連接方式，實時適應(yīng)系統(tǒng)不斷變化的能量需求。

在這里，電池可以串聯(lián)（單個電池的電壓相加），也可以并聯(lián)（總能量容量增加但電壓不變）。

例如，當無人機需要更高的電壓來驅(qū)動其微型執(zhí)行器時，系統(tǒng)會動態(tài)地將單個電池串聯(lián)起來，逐步疊加，直至達到所需電壓。而當需要較少電力時，電池可以重新并聯(lián)排列，以最大限度地提高儲能效率。

這種串聯(lián)和并聯(lián)配置之間的轉(zhuǎn)換在幾十毫秒內(nèi)就能完成，并且不需要額外無源元件的重量。

充電與再充電

該系統(tǒng)通過納入能量回收功能，進一步提高了效率。這在一定程度上是因為固態(tài)電池可再充電的特性以及微致動器可充當電容器的能力才得以實現(xiàn)的。微致動器被充電至高電壓來啟動，然后將能量釋放回電池，通過逐步拆解過程對電池進行再充電。就像在充電階段一樣，它以絕熱方式（也就是無熱傳遞）盡可能高效地再充電。

梅西耶把它比作混合動力或電動汽車中的再生制動原理。他說：“我們可以非常高效地驅(qū)動微致動器，并回收我們提供給它的部分能量，這樣電池的續(xù)航時間就會更長。”

該系統(tǒng)使用18個早期市面上能買到的固態(tài)電池單元，在連續(xù)運行50多個小時的情況下能產(chǎn)生高達56.1伏的電壓。整個系統(tǒng)呢，僅重1.8克。

該團隊使用法國原子能委員會 - 電子信息技術(shù)實驗室（CEA - Leti）定制開發(fā)的、能量密度更高的更小型固態(tài)電池取得了更好的成果。使用這些電池呀，系統(tǒng)的重量就降到了僅14毫克。皮隆內(nèi)說：“我們的成果呢，表明這個概念能擴展到初始概念驗證之外的不同目標頻率或者電壓。”

下一步將是在實際的微型機器人中測試驅(qū)動系統(tǒng)。除此之外，他們將繼續(xù)優(yōu)化固態(tài)電池，并努力實現(xiàn)更高的電壓輸出。