全球好！今天来了解大容量水母机器东说念主的水性电板——《The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot》发表于《SCIENCE ADVANCES》。念念象一下，在深重的水来全国，水母机器东说念主微弱地游动，而这背后的环节就是它特有的水性电板。这个电板可不苟简，它不仅为机器东说念主提供能源，还巧妙地科罚了传统电板在水下机器东说念主应用中的诸多问题。接下来，让咱们长远了解它的神奇之处。

*本文只作念阅读条记共享*

一、盘问布景与改进点

（一）机器东说念主能源近况与挑战

在机器东说念主工夫畛域，续航智商一直是追求的环节主义。传统上，为了延迟机器东说念主的操作期间，频繁需要加多电板容量。但是，这往往伴跟着一系列问题。举例，当增大机器东说念主尺寸以容纳更高容量的电板时，不仅会镌汰其架构瞎想的解放度，还会加多惯性。这就好比给一个指示员加多了过多的负重，使其行动变得迟缓，进而镌汰了机器东说念主的效力、敏捷性，同期运载资本也会加多。而且，现在大多数机器东说念主的能源系统功能较为单一，只是是为了提供能量给电子开荒和电机。

（二）水母机器东说念主的改进灵感

为了克服这些问题，盘问东说念主员从当然界中寻找灵感，水母等于一个绝佳的法式。水母主要由“中胶层”组成，这一结构不仅赋予了它身体弹性，使其在变形后约略规复局面，还充任了里面骨架来相沿身体。更遑急的是，水母约略多功能地应用能量，其“中胶层”中的含纤维卵白微纤维可用于为肌肉提供能源，从而终了迁移和进食。基于此，盘问东说念主员选拔了水母局面来瞎想电板，旨在打造一种既高效又多功能的机器东说念主电源系统。水母局面的钟形结构，相较于其他局面，约略存储大王人的液态电解质，况兼具有相对较低的惯性矩，这为提高机器东说念主的性能奠定了基础。

二、本质瞎想与系统组成

（一）举座系统架构

水母机器东说念主的系统瞎想巧妙地交融了多个环节组件。在驱动方面，给与了氧化还原液流电板（RFB）堆手脚电源系统，电机则充任了驱动系统的中枢，而Teensy3.2微适度器肃肃通盘系统的适度。这三个部分协同责任，如同机器东说念主的“腹黑”“肌肉”和“大脑”，共同驱动机器东说念主指示。举例，RFB将化学能滚动为电能，为电机提供能源，电机的动弹带动曲轴，进而使中心杆高下指示，最终驱动齐集在钟形罩内圆周的六个杠杆臂高下舞动，模拟出水母的鼓动神情。

（二）适度系统瞎想细节

适度系统在调度机器东说念主指示方面起着至关遑急的作用。RFB堆不仅为电机供电，还为Teensy3.2微适度器和电机驱动器载体提供电力。微适度器和电机驱动器互尽头合，精确适度电机的转速，从而终了对机器东说念主游水速率的精确调度。在骨子测试中，通过将电机占空比确立为100%，机器东说念主约略达到最高的游水速率。同期，为了确保机器东说念主在水中的浮力均衡，3D打印的气缸室给与了异常瞎想。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，形成了一个用于舍弃适度模块的空气空间。这一瞎想灵验地加多了机器东说念主的浮力，匡助对消电解液（ρ~1.2 gml-1）与周围水（ρ~1 gml-1）之间的微弱密度差。此外，在机器东说念主底部瞎想了外壳并添加罕见分量，这不仅有助于督察机器东说念主在水中的站立姿态，还能凭证特定操作条目适度机器东说念主的标的。

（三）电源系统瞎想重点

电源系统的瞎想雅致围绕机器东说念主的需求张开。为了松弛机器东说念主的分量，RFB电源系统辖受了3D打印团聚物（CarbonInc.;LOCTITE 3D IND405 Clear）手脚电板密封材料，使得机器东说念主的总干重从传统不锈钢版块的2207g大幅镌汰至574g。通盘RFB堆瞎想成圆柱体局面，直径为12cm，每个RFB单位的厚度为0.55cm，里面包含钛网电流积贮器、碳毡电极、Nafion膜以及3D打印密封件等组件。U形通说念的瞎想确保了所有阳极电解液（在ZnI₂电板中为阴极电解液）腔室互相齐集，使电解液约略在ZnBr₂电板中顺畅流动。

在科罚RFB系统存在的问题上，盘问东说念主员选用了一系列改进步伐。针对锌千里积可能导致电板短路的问题，应用石墨烯的脾气，使其手脚界面材料，引导锌电结晶沿着电流积贮器平面的优选滋长轴进行滋长。XRD分析结果标明，与未处理的碳毡比较（I002/I101比例为0.9），石墨烯涂层电极上的锌滋长愈加有序，(002)晶面披露更多（比例为1.3）。

在阴极侧，通过电喷雾活性炭来加多灵验名义积，促进Br₂的吸歌颂电化学反馈，从而灵验甩掉了溴的交叉问题。

三、本质结果与性能分析

（一）ZnBr₂液流电板性能发扬

1、电板结构与充放电旨趣

ZnBr₂液流电板因其较高的功率密度而被选作水母系统的能源源。单个ZnBr₂ RFB电板单位由阳极、阴极、电解液以及离子交换膜等多个部分组成。在充放电轮回进程中，阳极和阴极划分发生特定的化学反馈。阳极反馈为Zn2+ + 2e- → Zn，阴极反馈为2Br- - 2e- → Br2，电板举座的电位差为1.8V。

2、性能测试数据与分析

在电板性能测试中，为确保操作安全并幸免Br₂在驱动进程中开释，盘问东说念主员对电板结构进行了异常瞎想，行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。这种瞎想使得ZnBr₂RFB在高达的电流密度下，约略展现出雄厚的充电和放电平台，平均放电电压约为1.6V。

此外，经过校阅的电板界面显赫提高了轮回雄厚性，该电板在的电流密度和的容量下，约略雄厚驱动跳跃40个轮回，况兼长期保抓雄厚的放电平台。

在功率密度方面，当电流密度为时，ZnBr₂RFB的功率密度高达。但是，ZnBr₂液流电板也存在一些问题，其毒性和腐蚀性对环境和操作安全组成潜在拦截，况兼阴极反馈空间有限，这在一定进度上甩掉了电板的容量以及机器东说念主的驱动期间。

（二）ZnI₂液流电板性能特色

1、电板建立与责任款式切换

ZnI₂液流电板的建立与ZnBr₂访佛，相同给与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约略切换阴阳极电解液的流说念，从而充分应用水母钟形罩更大的体积。在初次使用时，ZnI₂RFB手脚原电板驱动。具体操作是先在石墨烯涂层阳极电千里积120mA・hour cm-2的Zn，然后使用4MZnI2+1MKI+0.3MI2手脚阴极电解液。在这个进程中，阳极发生反馈Zn – 2e- → Zn2+，阴极发生反馈I3- + 2e-→3I-。

2、不同阶段性能数据展示

在原电板款式下，ZnI₂ RFB发扬出出色的雄厚性，在20 mA cm-2的电流密度下，约略抓续雄厚驱动长达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%。但是，需要贵重的是，放电深度受到碘侧的甩掉，因为跟着放电进程的进行，I3-离子浓度慢慢实足，会在碳毡上千里积形成固体碘。由于固体碘是电绝缘体，这会导致过电位快速加多，进而使放电电压下落。

运气的是，由于电千里积Zn的容量较高，可达300mA・hour cm-2，在初次放电后仍有剩余Zn。因此，通过掀开钟形罩上的阀门更换耗尽的阴极电解液，机器东说念主就约略陆续驱动。

在可充电款式下，ZnI₂RFB的轮回容量约为3A・hour liter⁻¹，况兼在跳跃200个轮回中王人能保抓雄厚的性能。

在表面电压为1.2V时，ZnI₂RFB的最高功率密度约为100mW cm-2。在骨子测试中，当ZnI₂ RFB在初次原电板轮回后进行充电，在后续每个轮回中，电板约略驱动约30分钟。

（三）水母游水性能评估

水母机器东说念主的游水性能是推测通盘系统得手与否的环节目的之一。水母的钟形罩约略存储多达4升的电解液，这为机器东说念主的指示提供了必要的能源支抓。为了终了游水动作，机器东说念主给与电机拉动钟形罩的神情。钟形罩由硅胶（Smooth-OnInc.;DragonSkin30）制成，其特有的半球形瞎想（直径为30cm）使得在一个完竣的划水周期中，底部受到的阻力大于顶部，从而产生进取的推力，推动机器东说念主进取游动。在为电机供电方面，使用了六个ZnBr₂ RFB电板组成电板堆，该电板堆约略输出9.6V、1.6A的电力，况兼给与实足浓度为15M的ZnBr₂溶液手脚阴极电解液，以最大化电板的容量。当测量水母的游水速率时，盘问东说念主员通过追踪钟形罩顶部的位置变化来取得数据。本质结果标明，水母机器东说念主约略达到2 cm s-1的飞腾速率，从水箱底部飞腾到顶部需要破钞26.7J的能量。

由于ZnI₂ RFB系统的功率密度低于ZnBr₂，为了提高机器东说念主的游水性能，盘问东说念主员给与了10个ZnI₂电板（五个串联后再并联）的齐集神情。凭证上头给出的能量密度（约11A・hour liter⁻¹）缠绵，4升电解液约略提供大要44Wh的总能量存储。在骨子测试中，仅由原ZnI₂ RFB供电的水母机器东说念主在游水测试中展现出了令东说念主属目的续航智商，骨子游水时长达到了1.5小时。但是，尽管取得了这么的成绩，机器东说念主的骨子驱动期间仍然远远低于表面极限（表面驱动期间约为9小时）。

跟着期间的推移，电板供电功率从5.1W慢慢下落到3W，这主若是由于电解液浓度的镌汰导致的。这种浓度镌汰可能是由于多种身分形成的，举例流速有限导致的高浓度梯度以及固体碘千里积形成的I3-量减少等。跟着电板的使用，电解液慢慢耗尽，电板约略提供的最大功率也随之镌汰，直到无法督察电机的普遍驱动。为了进一步提高机器东说念主的驱动期间，改日的盘问不错着眼于优化电板瞎想，举例通过调停电极结构来最小化欧姆电阻，优化电解液传输以提高效力，以及加多电极的名义积和活性等神情来终了。

（四）能量破钞分析

在对水母机器东说念主的能量破钞进行长远分析后发现，在现时的建立下，主要的能量破钞源是用于在液流电板的浸透层内改动大王人流体所需的功，这部分能量破钞约占电机总功率的95%-98%。这意味着，在机器东说念主的驱动进程中，克服流体粘性阻力成为了最主要的能量破钞要领。为了提高能量效力，改日的瞎想不错辩论校阅流说念瞎想，使流体约略在更广阔的区域内流动，从而减少局部的粘性阻力；或者寻找镌汰浸透层粘性阻力的方法，举例使用新式材料或校阅浸透层结构等。

四、盘问论断

（一）盘问后果转头

本盘问得手地将液压能源系统集成到了水母机器东说念主中，终赫然多项遑急打破。该机器东说念主具有高体积（Q ~ 11A·hourliter-1）和面积（108mA・hour cm-2）能量密度，驱动寿命长达1.5小时，况兼其主要组成部分为电化学能量密集的液体（约占机器东说念主分量的90%）。值得一提的是，这是初次将RFB手脚机器东说念主的独一能源源，同期亦然初次应用可充电原RFB工夫。水母钟形罩内电解液的指示不仅终赫然机器东说念主的快速飞腾，而且结合其低惯性的半球形结构，为提高机器东说念主的耐力和敏捷性提供了一种新的阶梯，充分展示了能量集成瞎想理念在机器东说念主畛域的纷乱后劲。

（二）RFB化学的上风与应用后劲

RFB化学在本盘问中展现出了特有的上风，通过巧妙地结合原电板和二次液流电板的建立，得手终赫然高容量和可充电性。其中，ZnI₂电板约略快速更换电解液的脾气为机器东说念主的充电神情带来了改进。这种改进的充电神情在搜索和扶植任务等畛域具有潜在的芜俚应用出息。举例，在复杂的扶植场景中，不错设念念大型轮式或螺旋桨驱动的机器东说念主手脚迁移基地，为袖珍、敏捷的卫星机器东说念主提供充电和快速补给就业，从而终了不同类型机器东说念主之间的高效结合，提高扶植任务的效力和得手率。

五、一齐来作念作念题吧

1、以下对于传统机器东说念主加多电板容量神情的说法，舛错的是（ ）

A. 会镌汰架构瞎想解放度

B. 能提高机器东说念主的敏捷性

C. 会加多机器东说念主的惯性

D. 会提高运载资本

2、在水母机器东说念主的驱动系统中，RFB 的作用是（ ）

A. 平直适度机器东说念主的指示标的

B. 将电能滚动为化学能

C. 为电机提供能源

D. 调度电机的转速

3、ZnBr₂液流电板在高电流密度下能保抓雄厚性能，主要收获于（ ）

A. 密封的阴极电解液和阴极碳毡

B. 高浓度的 ZnBr₂溶液

C. 石墨烯对锌电结晶的引导

D. 活性炭对溴₂的吸附

4、现在水母机器东说念主驱动寿命低于表面极限的主要原因是（ ）

A. ZnI₂原电板放电进程中浓度镌汰导致功率密度下落

B. 电板密封材料性能欠安

C. 电机效力过低

D. 机器东说念主外形瞎想不对理

参考文件：

Xu Liu et al. The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot. Sci. Adv.10, eadq7430(2024).