盡管它們是科幻電影和陰謀論的主要內(nèi)容，但在現(xiàn)實生活中，被電池和電子設(shè)備壓得喘不過氣來的微型飛行微型機器人一直在努力走得很遠。但是，一種稱為“飛行電池”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路和輕型固態(tài)電池的新組合可以讓這些機器人真正起飛，有可能從一個重達毫克的系統(tǒng)為微型機器人供電數(shù)小時。

微型機器人可能是一項重要的技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)被埋在瓦礫中的人，或者在其他危險情況下偵察前方。但這是一項艱巨的工程挑戰(zhàn)，加州大學(xué)圣地亞哥分校 （University of California， San Diego） 的電氣和計算機工程教授帕特里克·梅西爾 （Patrick Mercier） 說。Mercier 的學(xué)生 Zixiao Lin 上個月在 IEEE 國際固態(tài)電路會議 （ISSCC） 上介紹了這種新電路?！澳阌羞@些非常小的機器人，你希望它們在野外能持續(xù)盡可能長的時間，”Mercier 說。“最好的方法是使用鋰離子電池，因為它們具有最好的能量密度。但有一個基本問題，即執(zhí)行器需要的電壓比電池能夠提供的電壓高得多。

Mercier 解釋說，鋰電池可以提供大約 4 伏特的電壓，但微型機器人的壓電致動器需要數(shù)十到數(shù)百伏特的電壓。包括 Mercier 自己的團隊在內(nèi)的研究人員已經(jīng)開發(fā)了升壓轉(zhuǎn)換器等電路來提高電壓。但是，由于它們需要相對較大的電感器或一堆電容器，因此它們會增加太多的質(zhì)量和體積，通常占用的空間與電池本身一樣多。

法國國家電子實驗室 CEA-Leti 開發(fā)的一種新型固態(tài)電池提供了一種潛在的解決方案。這些電池是采用半導(dǎo)體加工技術(shù)制成的薄膜材料堆棧，包括鈷酸鋰和氮氧磷鋰，可以切割成微小的電池。一個 0.33 立方毫米、0.8 毫克的電池可以存儲 20 微安小時的電量，或每升約 60 安培小時。（鋰離子耳塞式電池可提供超過 100 Ah/L 的容量，但大約是其 1,000 倍。位于法國格勒諾布爾的 CEA-Leti 基于該技術(shù)的衍生公司 Inject Power 正準(zhǔn)備在 2026 年底開始批量生產(chǎn)。

動態(tài)堆疊電池

由于固態(tài)電池可以切割成微小的電池，研究人員認(rèn)為他們可以使用不需要電容器或電感器的電路來實現(xiàn)高電壓。相反，該電路會主動重新排列許多微型電池之間的連接，將它們從并聯(lián)移動到串行，然后再返回。

想象一下，一個微型無人機通過拍打連接到壓電致動器的機翼來移動。它的電路板上有十幾個固態(tài)微型電池。每個電池都是由四個晶體管組成的電路的一部分。這些充當(dāng)開關(guān)，可以動態(tài)地改變與該電池鄰居的連接，使其要么是并聯(lián)的，因此它們共享相同的電壓，要么是串行的，因此它們的電壓被添加。

開始時，所有電池都并聯(lián)，提供的電壓遠不足以觸發(fā)執(zhí)行器。然后，UCSD 團隊構(gòu)建的 2 平方毫米 IC 開始打開和關(guān)閉晶體管開關(guān)。這將重新排列單元之間的連接，以便前兩個單元串行連接，然后是三個，然后是四個，依此類推。在百分之幾秒內(nèi)，電池全部串聯(lián)起來，電壓已經(jīng)向致動器上堆積了大量的電荷，以至于它把微型機器人的翅膀折斷了。然后 IC 展開該過程，使電池再次并聯(lián)，一次一個。

“飛電池”中的集成電路總面積為 2 平方毫米。帕特里克·梅西耶

絕熱充電

為什么不一次串聯(lián)每個電池，而不是通過這種斜坡上升和下降方案呢？一句話，效率。

只要電池序列化和并聯(lián)以足夠低的頻率完成，系統(tǒng)就會絕熱充電。也就是說，它的功率損失被最小化。

但 Mercier 說，這是執(zhí)行器觸發(fā)后發(fā)生的事情，“真正的魔力就在這里”。電路中的壓電致動器就像一個電容器，儲存能量。“就像汽車中的再生制動一樣，我們可以回收存儲在該執(zhí)行器中的一些能量?！庇捎诿總€電池都未堆疊，因此剩余儲能系統(tǒng)的電壓低于執(zhí)行器，因此一些電荷會流回電池中。

加州大學(xué)圣地亞哥分校團隊實際上測試了兩種固態(tài)微型電池——東京 TDK 的 1.5 伏陶瓷版本 （CeraCharge 1704-SSB） 和 CEA-Leti 的 4 V 定制設(shè)計。使用 1.6 克 TDK 電池時，電路達到 56.1 伏特，并提供每克 79 毫瓦的功率密度，但使用 0.014 克定制存儲時，最高電壓為 68 V，并表現(xiàn)出 4,500 mW/g 的功率密度。

Mercier 計劃與機器人合作伙伴一起測試該系統(tǒng)，同時他的團隊和 CEA-Leti 致力于改進飛行電池系統(tǒng)的封裝、小型化和其他特性。需要工作的一個重要特性是微型電池的內(nèi)阻。“挑戰(zhàn)在于，堆疊的越多，串聯(lián)電阻就越高，因此我們可以運行系統(tǒng)的頻率就越低，”他說。

盡管如此，Mercier 似乎看好飛行電池讓微型機器人保持高空飛行的機會。“具有電荷恢復(fù)和無被動的絕熱充電：這是有助于增加飛行時間的兩個勝利。”