Novo sistema de condução do microactuador poderia dar a Microdrones um salto

Um design inovador de circuitos pode permitir que dispositivos em miniatura, como microdrones e outros microbóticos, sejam alimentados por períodos mais longos e permanecem leves e compactos. Pesquisadores da Universidade da Califórnia San Diego e Cea-Leti desenvolveram uma nova configuração de circuito auto-sustentável-com baterias miniaturizadas de estado sólido-que combina alta densidade de energia com um design ultra leve.

Os resultados serão apresentados na Conferência Internacional de Circuitos de Estado Sólido IEEE (ISSCC 2025), que ocorrerá de 16 a 20 de fevereiro em São Francisco.

Uma aplicação importante prevista para Microdrones é como eles poderiam ajudar os socorristas em casos de desastre. Quando um edifício entra em colapso, por exemplo, os robôs atuais podem ser muito grandes para manobrar nas áreas confinadas resultantes. No entanto, um enxame de pequenos drones que desmaiam asas-tão minúsculo que se pode descansar em uma unha-poderia entrar nos espaços apertados para inspecionar o edifício quanto a riscos químicos ou até procurar pessoas presas.

O dilema do design, no entanto, é que esses dispositivos precisam de poder duradouro para voar por tempo suficiente. Mas, por serem tão pequenos (dezenas de gramas ou, idealmente, menos), carregar uma bateria grande é impraticável. Como resultado, os microdrones atuais só podem voar por alguns minutos.

“Para maximizar o tempo de voo, você precisa minimizar o peso de todos os componentes do sistema, e isso inclui a bateria e todos os eletrônicos necessários para processar a energia”, disse Patrick Mercier, professor do Departamento de Elétrica e Computador Engenharia na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs e co-senior autor do artigo. “É uma troca muito difícil e delicada”.

Fatie e dados

Para se movimentar, a maioria dos microrobôs usa microactuadores piezoelétricos, que traduzem um sinal elétrico para um movimento físico com precisão. No entanto, esses microactuadores precisam de altas tensões para funcionar-assim como dezenas para centenas de volts-enquanto as baterias de íon de lítio de hoje fornecem apenas 4 volts. Aumentar a tensão geralmente requer indutores ou capacitores volumosos, que adicionam peso e volume significativos, tornando -os abaixo do ideal para dispositivos tão pequenos.

Consequentemente, Mercier e sua equipe, incluindo o co-primeiro autor do estudo, Zixiao Lin, um doutorado em engenharia elétrica e de computadores. O aluno da UC San Diego, afastado de pequenas baterias convencionais para algo mais compacto e leve.

“O avanço em nossa abordagem vem da utilização de baterias emergentes de estado sólido, que possuem a capacidade única de diminuir sem sacrificar a densidade de energia”, disse Gaël Pillonnet, diretor científico da divisão de componentes de silício de Cea-Leti e co-senior, autor do artigo .

“Em vez de ter uma bateria maior, poderíamos pegar exatamente a mesma bateria e cortar e cortá -la em 10 ou 20 baterias individuais”, disse Mercier. E cada uma dessas baterias individuais terá a mesma densidade de energia que a maior bateria pai.

Então, com essas baterias cortadas, a equipe construiu um circuito de direção com a chamada configuração da bateria voadora. Diferentemente das configurações de bateria convencionais, que normalmente são fixadas em um arranjo, a bateria voadora oferece versatilidade. Ele permite que o sistema alterne dinamicamente como as unidades de bateria individuais estão conectadas, adaptando -se em tempo real às necessidades de energia de mudança do sistema.

Aqui, as baterias podem ser conectadas em série (onde aumentam as tensões de baterias individuais) ou em paralelo (onde a capacidade total de energia aumenta, mas a tensão permanece a mesma).

Por exemplo, quando o drone precisa de maior tensão para operar seu microactuador, o sistema conecta dinamicamente as baterias individuais em série, empilhando -as passo a passo, até que a tensão necessária seja atingida. E quando menos energia é necessária, as baterias podem ser reorganizadas em paralelo para maximizar a eficiência do armazenamento de energia.

Essa troca entre as configurações em série e paralela ocorre em dezenas de milissegundos, tudo sem o peso de componentes passivos adicionais.

Carga e recarga

O sistema leva a eficiência um passo adiante, incorporando a recuperação de energia. Isso é possível em parte devido à natureza recarregável das baterias de estado sólido e à capacidade do microactuador de funcionar como um capacitor. O microactuador é carregado com alta tensão para acionar e depois descarrega essa energia de volta às baterias, recarregando-as através de um processo de destacamento passo a passo. Como no estágio de carregamento, ele recarrega adiabaticamente – ou seja, sem a transferência de calor – da maneira mais eficiente possível.

Mercier o compara à maneira como a frenagem regenerativa funciona em um veículo híbrido ou elétrico. “Podemos dirigir o microactuador de maneira extremamente eficiente e recuperar parte da energia que entregamos a ela, de modo que a bateria continue a durar ainda mais”, disse ele.

Usando 18 unidades de bateria de uma bateria de estado sólido disponível no mercado, o sistema gerou até 56,1 volts enquanto opera continuamente por mais de 50 horas. Todo o sistema pesava apenas 1,8 gramas.

A equipe alcançou resultados ainda melhores com as baterias de estado sólido mais tumbos desenvolvidas no CEA-Leti para ter maior densidade de energia. Usando essas baterias, o peso do sistema caiu para meros 14 miligramas. “Nossos resultados demonstram que o conceito é escalável para diferentes frequências ou tensões -alvo além da prova inicial de conceito”, disse Pillonnet.

A próxima etapa será testar o sistema de acionamento em um microrobot real. Além disso, a equipe continuará otimizando as baterias de estado sólido e pressionará por saídas de tensão ainda mais altas.