Hasta ahora, las investigaciones dirigidas a encontrar la manera de alimentar pequeños dispositivos a microescala se han basado en el empleo de energía solar. Sin embargo, este método tiene una importante limitación: los robots necesitan tener un láser u otra fuente de luz dirigida constantemente hacia ellos.
Por esta razón, estos dispositivos se llaman ‘marionetas’ debido a su dependencia de una fuente de energía externa. Incorporar una fuente de energía interna, como una batería, en estos pequeños dispositivos podría darles la libertad de desplazarse a mayores distancias.
La nueva batería de Zinc-Aire
"Los sistemas de marionetas realmente no requieren una batería porque obtienen toda su energía del entorno", explica Michael Strano, profesor de Ingeniería Química en el MIT y autor principal del estudio, en un comunicado. "Sin embargo, si se desea que un robot pequeño pueda acceder a espacios que de otro modo serían inaccesibles, es fundamental que tenga un mayor grado de autonomía. Para un dispositivo que no esté conectado al exterior, una batería es indispensable".
El laboratorio de Strano ha estado investigando durante varios años en la creación de diminutos robots capaces de detectar y reaccionar ante estímulos del entorno. Uno de los retos más importantes en el desarrollo de robots tan pequeños es garantizar que dispongan de suficiente energía.
Con el objetivo de desarrollar robots con mayor autonomía, el equipo del laboratorio de Strano optó por utilizar baterías de zinc-aire. Estas baterías son conocidas por su alta densidad de energía, lo que les proporciona una vida útil más prolongada en comparación con otros tipos de baterías, y se emplean frecuentemente en audífonos.
La batería tiene unas dimensiones de 0,1 milímetros de largo y 0,002 milímetros de grosor (similar al grosor de un cabello humano). Es capaz de extraer oxígeno del aire y usarlo para oxidar zinc, generando una corriente con un potencial de hasta 1 voltio. Este voltaje es suficiente para alimentar un pequeño circuito, sensor o actuador, según demostraron los investigadores. Este avance ha sido publicado en la revista Science Robotics.
"Creemos que esto será de gran utilidad para la robótica", afirmó. "Estamos integrando funciones robóticas directamente en la batería y comenzando a ensamblar estos componentes para crear dispositivos", añade.
La batería diseñada por el equipo consta de un electrodo de zinc conectado a otro de platino, ambos integrados en una tira de polímero SU-8, un material comúnmente utilizado en microelectrónica. Al interactuar los electrodos con moléculas de oxígeno presentes en el aire, el zinc se oxida, liberando electrones que se dirigen hacia el electrodo de platino, generando así una corriente eléctrica.
En el estudio, los investigadores demostraron que esta batería es capaz de suministrar suficiente energía para alimentar un actuador, como un brazo robótico capaz de moverse hacia arriba y hacia abajo. Además, la batería puede energizar un memristor, un componente eléctrico que almacena información cambiando su resistencia eléctrica, y un circuito de reloj, que permite a los dispositivos robóticos mantener un registro del tiempo.
La batería también genera suficiente energía para operar dos tipos distintos de sensores que modifican su resistencia eléctrica al detectar sustancias químicas en el entorno. Uno de estos sensores está compuesto de disulfuro de molibdeno con un grosor atómico, mientras que el otro utiliza nanotubos de carbono.
En este estudio, los investigadores conectaron su batería a un dispositivo externo mediante un cable, pero en futuros trabajos tienen la intención de diseñar robots en los que la batería esté integrada directamente en el dispositivo.
"Esto será fundamental para muchos de nuestros proyectos robóticos", afirma Strano. "Se puede desarrollar un robot en torno a una fuente de energía, de manera similar a cómo se construye un coche eléctrico en torno a su batería."
Uno de los proyectos en desarrollo se centra en el diseño de pequeños robots capaces de ser inyectados en el cuerpo humano. Estos robots podrían localizar un sitio específico y administrar un medicamento, como la insulina. Para su uso interno, los investigadores planean que los dispositivos estén fabricados con materiales biocompatibles que se desintegren una vez que ya no sean necesarios. Además, el equipo está trabajando en aumentar el voltaje de la batería para ampliar sus posibles aplicaciones.
