Die Zink-Luft-Batterie der MIT-Forschenden ist 0,1 Millimeter im Quadrat und nur 0,02 Millimeter dick. (Bild: MIT)
Eine winzige Batterie, die von MIT-Forschenden entwickelt wurde, könnte den Einsatz von zellgroßen, autonomen Robotern für die Verabreichung von Medikamenten im menschlichen Körper sowie andere Anwendungen wie die Ortung von Lecks in Gaspipelines ermöglichen. Die neue Batterie, die 0,1 Millimeter lang und 0,002 Millimeter dick ist - etwa so dick wie ein menschliches Haar - kann Sauerstoff aus der Luft aufnehmen und ihn zur Oxidation von Zink verwenden, wodurch ein Strom von bis zu 1 Volt erzeugt wird. Das reicht aus, um einen kleinen Schaltkreis, einen Sensor oder ein Stellglied mit Strom zu versorgen, wie die Forscher zeigten.
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"Wir glauben, dass dies der Robotik sehr helfen wird", sagt Michael Strano, Professor für Chemical Engineering am MIT und Hauptautor der Studie. "Wir bauen Roboterfunktionen in die Batterie ein und beginnen damit, diese Komponenten zu Geräten zusammenzufügen. Seit mehreren Jahren arbeitet Stranos Labor an winzigen Robotern, die Reize in ihrer Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren können. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung solcher winzigen Roboter ist es, sicherzustellen, dass sie über genügend Energie verfügen.
Andere Forschansätze haben gezeigt, dass sich mikroskopisch kleine Geräte mit Solarenergie betreiben lassen. Die Einschränkung dieses Ansatzes besteht aber darin, dass die Roboter ständig einen Laser oder eine andere Lichtquelle auf sich gerichtet haben müssen. Solche Geräte werden als "Marionetten" bezeichnet, weil sie von einer externen Energiequelle gesteuert werden. Durch den Einbau einer Energiequelle wie einer Batterie in diese winzigen Geräte könnten sie viel weiter umherwandern.
Wenn man will, dass ein kleiner Roboter in Räume vordringt, zu denen man sonst keinen Zugang hätte, muss er ein höheres Maß an Autonomie haben. Um Roboter zu entwickeln, die autonomer werden können, entschied sich das Labor von Strano für die Verwendung eines Batterietyps, der als Zink-Luft-Batterie bekannt ist. Diese Batterien, die aufgrund ihrer hohen Energiedichte eine längere Lebensdauer als viele andere Batterietypen haben, werden häufig in Hörgeräten verwendet.
Die von frn MIT-Forschenden entwickelte Batterie besteht aus einer Zinkelektrode, die mit einer Platinelektrode verbunden ist, die in einen Streifen eines Polymers namens SU-8 eingebettet ist, das üblicherweise für die Mikroelektronik verwendet wird. Wenn diese Elektroden mit Sauerstoffmolekülen aus der Luft interagieren, wird das Zink oxidiert und setzt Elektronen frei, die zur Platinelektrode fließen und so einen Strom erzeugen.
In ihrer Studie haben die Forschenden gezeigt, dass diese Batterie genug Energie liefern kann, um einen Aktor zu betreiben - in diesem Fall einen winzigen Roboterarm, der sich heben und senken lässt. Die Batterie liefert auch genug Energie, um zwei verschiedene Arten von Sensoren zu betreiben, die ihren elektrischen Widerstand ändern, wenn sie auf Chemikalien in der Umgebung treffen. Einer der Sensoren besteht aus atomar dünnem Molybdändisulfid, der andere aus Kohlenstoff-Nanoröhren.