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大家好！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》。思象一下，在阴事的水来宇宙，水母机器东说念主细小地游动，而这背后的重要就是它私有的水性电板。这个电板可不浅易，它不仅为机器东说念主提供能源，还巧妙地料理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，让咱们真切了解它的神奇之处。
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一、盘问配景与篡改点
（一）机器东说念主能源近况与挑战
在机器东说念主技艺边界，续航才能一直是追求的重要目的。传统上，为了延迟机器东说念主的操作时候，每每需要增多电板容量。关系词，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摆脱度，还会增多惯性。这就好比给一个畅通员增多了过多的负重，使其活动变得迟缓，进而镌汰了机器东说念主的效劳、敏捷性，同期运载资本也会增多。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建造和电机。
（二）水母机器东说念主的篡改灵感
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规范。水母主要由“中胶层”组成，这一结构不仅赋予了它体魄弹性，使其在变形后大要还原局势，还充任了里面骨架来撑捏体魄。更迫切的是，水母大要多功能地运用能量，其“中胶层”中的含纤维卵白微纤维可用于为肌肉提供能源，从而兑现出动和进食。基于此，盘问东说念主员遴荐了水母局势来瞎想电板，旨在打造一种既高效又多功能的机器东说念主电源系统。水母局势的钟形结构，相较于其他局势，大要存储大都的液态电解质，何况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、履行瞎想与系统组成
（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重要组件。在驱动方面，选择了氧化还原液流电板（RFB）堆行动电源系统，电机则充任了驱动系统的中枢，而Teensy3.2微适度器阐明通盘系统的适度。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畅通。举例，RFB将化学能升沉为电能，为电机提供能源，电机的动掸带动曲轴，进而使中心杆高下畅通，最终驱动相连在钟形罩内圆周的六个杠杆臂高下舞动，模拟出水母的鼓励格局。
（二）适度系统瞎想细节
适度系统在退换机器东说念主畅通方面起着至关迫切的作用。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相称合，精确适度电机的转速，从而兑现对机器东说念主拍浮速率的精确退换。在本体测试中，通过将电机占空比缔造为100%，机器东说念主大要达到最高的拍浮速率。同期，为了确保机器东说念主在水中的浮力均衡，3D打印的气缸室选择了特别瞎想。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）部件和中心杆相集合，形成了一个用于遗弃适度模块的空气空间。这一瞎想有用地增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）之间的细微密度差。此外，在机器东说念主底部瞎想了外壳并添加稀奇分量，这不仅有助于保管机器东说念主在水中的矗立姿态，还能证据特定操作条款适度机器东说念主的标的。
（三）电源系统瞎想重点
电源系统的瞎想精良围绕机器东说念主的需求伸开。为了简略机器东说念主的分量，RFB电源系统选择了3D打印团员物（CarbonInc.;LOCTITE 3D IND405 Clear）行动电板密封材料，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堆瞎想成圆柱体局势，直径为12cm，每个RFB单位的厚度为0.55cm，里面包含钛网电流辘集器、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）腔室互相相连，使电解液大要在ZnBr₂电板中顺畅流动。
在料理RFB系统存在的问题上，盘问东说念主员选择了一系列篡改方法。针对锌千里积可能导致电板短路的问题，运用石墨烯的本性，使其行动界面材料，勾搭锌电结晶沿着电流辘集器平面的优选助长轴进行助长。XRD分析终局标明，与未处理的碳毡比拟（I002/I101比例为0.9），石墨烯涂层电极上的锌助长愈加有序，(002)晶面表露更多（比例为1.3）。
在阴极侧，通过电喷雾活性炭来增多有用名义积，促进Br₂的吸赞好意思电化学反馈，从而有用截止了溴的交叉问题。
三、履行终局与性能分析
（一）ZnBr₂液流电板性能走漏
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。在充放电轮回历程中，阳极和阴极分辩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在启动历程中开释，盘问东说念主员对电板结构进行了特别瞎想，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，大要展现出踏实的充电和放电平台，平均放电电压约为1.6V。
此外，经过校正的电板界面显耀提高了轮回踏实性，该电板在的电流密度和的容量下，大要踏实启动逾越40个轮回，何况遥远保捏踏实的放电平台。
在功率密度方面，当电流密度为时，ZnBr₂RFB的功率密度高达。关系词，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胁迫，何况阴极反馈空间有限，这在一定进度上截止了电板的容量以及机器东说念主的启动时候。
（二）ZnI₂液流电板性能特色
1、电板树立与责任模式切换
ZnI₂液流电板的树立与ZnBr₂近似，相通选择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大要切换阴阳极电解液的流说念，从而充分运用水母钟形罩更大的体积。在初次使用时，ZnI₂RFB行动原电板启动。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行动阴极电解液。在这个历程中，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
在原电板模式下，ZnI₂ RFB走漏出出色的踏实性，在20 mA cm-2的电流密度下，大要捏续踏实启动长达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%。关系词，需要缓慢的是，放电深度受到碘侧的截止，因为跟着放电历程的进行，I3-离子浓度徐徐充足，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增多，进而使放电电压下落。
庆幸的是，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，通过怒放钟形罩上的阀门更换耗尽的阴极电解液，机器东说念主就大要不时启动。
在可充电模式下，ZnI₂RFB的轮回容量约为3A・hour liter⁻¹，何况在逾越200个轮回中都能保捏踏实的性能。
在表面电压为1.2V时，ZnI₂RFB的最高功率密度约为100mW cm-2。在本体测试中，当ZnI₂ RFB在初次原电板轮回后进行充电，在后续每个轮回中，电板大要启动约30分钟。
（三）水母拍浮性能评估
水母机器东说念主的拍浮性能是揣测通盘系统凯旋与否的重要斟酌之一。水母的钟形罩大要存储多达4升的电解液，这为机器东说念主的畅通提供了必要的能源支捏。为了兑现拍浮动作，机器东说念主选择电机拉动钟形罩的格局。钟形罩由硅胶（Smooth-OnInc.;DragonSkin30）制成，其私有的半球形瞎想（直径为30cm）使得在一个好意思满的划水周期中，底部受到的阻力大于顶部，从而产生朝上的推力，推动机器东说念主朝上游动。在为电机供电方面，使用了六个ZnBr₂ RFB电板组成电板堆，该电板堆大要输出9.6V、1.6A的电力，何况选择充足浓度为15M的ZnBr₂溶液行动阴极电解液，以最大化电板的容量。当测量水母的拍浮速率时，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。履行终局标明，水母机器东说念主大要达到2 cm s-1的高潮速率，从水箱底部高潮到顶部需要花费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拍浮性能，盘问东说念主员选择了10个ZnI₂电板（五个串联后再并联）的相连格局。证据上头给出的能量密度（约11A・hour liter⁻¹）计划，4升电解液大要提供苟简44Wh的总能量存储。在本体测试中，仅由原ZnI₂ RFB供电的水母机器东说念主在拍浮测试中展现出了令东说念主空洞的续航才能，本体拍浮时长达到了1.5小时。关系词，尽管取得了这么的成绩，机器东说念主的本体启动时候仍然远远低于表面极限（表面启动时候约为9小时）。
跟着时候的推移，电板供电功率从5.1W徐徐下落到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变成的，举例流速有限导致的高浓度梯度以及固体碘千里积变成的I3-量减少等。跟着电板的使用，电解液徐徐耗尽，电板大要提供的最大功率也随之镌汰，直到无法保管电机的平淡启动。为了进一步提高机器东说念主的启动时候，改日的盘问不错着眼于优化电板瞎想，举例通过诊疗电极结构来最小化欧姆电阻，优化电解液传输以提高效劳，以及增多电极的名义积和活性等格局来兑现。
（四）能量花费分析
在对水母机器东说念主的能量花费进行真切分析后发现，在面前的树立下，主要的能量花费源是用于在液流电板的渗入层内转变大都流体所需的功，这部分能量花费约占电机总功率的95%-98%。这意味着，在机器东说念主的启动历程中，克服流体粘性阻力成为了最主要的能量花费法式。为了提高能量效劳，改日的瞎想不错推敲校正流说念瞎想，使流体大要在更广袤的区域内流动，从而减少局部的粘性阻力；或者寻找镌汰渗入层粘性阻力的方法，举例使用新式材料或校正渗入层结构等。
四、盘问论断
（一）盘问效劳回来
本盘问凯旋地将液压能源系统集成到了水母机器东说念主中，兑现了多项迫切打破。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，启动寿命长达1.5小时，何况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行动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技艺。水母钟形罩内电解液的畅通不仅兑现了机器东说念主的快速高潮，而且集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门道，充分展示了能量集成瞎想理念在机器东说念主边界的宏大后劲。
（二）RFB化学的上风与应用后劲
RFB化学在本盘问中展现出了私有的上风，通过巧妙地集合原电板和二次液流电板的树立，凯旋兑现了高容量和可充电性。其中，ZnI₂电板大要快速更换电解液的本性为机器东说念主的充电格局带来了篡改。这种篡改的充电格局在搜索和挽回任务等边界具有潜在的平庸应用前程。举例，在复杂的挽回场景中，不错设思大型轮式或螺旋桨驱动的机器东说念主行动出动基地，为袖珍、敏捷的卫星机器东说念主提供充电和快速补给作事，从而兑现不同类型机器东说念主之间的高效合作，提高挽回任务的效劳和凯旋率。
五、一王人来作念作念题吧
1、以下对于传统机器东说念主增多电板容量格局的说法，无理的是（ ）
A. 会镌汰架构瞎想摆脱度
B. 能擢升机器东说念主的敏捷性
C. 会增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畅通标的
B. 将电能升沉为化学能
C. 为电机提供能源
D. 退换电机的转速
3、ZnBr₂液流电板在高电流密度下能保捏踏实性能，主要成绩于（ ）
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勾搭
D. 活性炭对溴₂的吸附
4、现在水母机器东说念主启动寿命低于表面极限的主要原因是（ ）
A. ZnI₂原电板放电历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. 电机效劳过低
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).