Микродроны обретают выносливость: учёные создали сверхлёгкую систему питания для длительных полётов

19.02.2025 09:18:00 | iXBT.com

Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего и CEA-Leti разработали схему питания, которая может значительно увеличить время работы миниатюрных устройств, таких как микродроны и другие микророботы. Новая конфигурация самоподдерживающейся схемы, использующая миниатюрные твердотельные батареи, сочетает в себе высокую плотность энергии с ультралёгкой конструкцией.

Результаты исследования представлены на Международной конференции по твердотельным схемам IEEE (ISSCC 2025), которая проходит с 16 по 20 февраля в Сан-Франциско.

Одно из важных применений микродронов – помощь спасателям в случае стихийных бедствий. Например, при обрушении здания обычные роботы могут оказаться слишком большими для маневрирования в образовавшихся узких пространствах. Однако рой крошечных дронов с машущими крыльями – настолько маленьких, что один из них может поместиться на ногте – смог бы проникнуть в тесные пространства для проверки здания на наличие химических опасностей или для поиска попавших в ловушку людей.

Соавтор исследования Патрик Мерсье (слева), профессор кафедры электротехники и вычислительной техники, и соавтор Цзысяо Линь, аспирант кафедры электротехники, оба из Калифорнийского университета в Сан-Диего, проверяют систему привода на испытательной платформе. Источник: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

Проблема заключается в том, что эти устройства нуждаются в долговременном питании для достаточно длительного полёта. Но из-за их малых размеров (десятки граммов или в идеале меньше) использование большой батареи непрактично. В результате современные микродроны могут летать всего несколько минут.

«Чтобы максимально увеличить время полёта, необходимо минимизировать вес всех компонентов системы, включая батарею и всю электронику, необходимую для обработки энергии», – говорит соавтор исследования Патрик Мерсье, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Для передвижения большинство микророботов используют пьезоэлектрические микроприводы, которые преобразуют электрический сигнал в физическое движение. Однако эти микроприводы требуют высокого напряжения для работы – до десятков и сотен вольт, в то время как современные литий-ионные батареи обеспечивают только 4 вольта. Повышение напряжения обычно требует громоздких индукторов или конденсаторов, которые значительно увеличивают вес и объём, что делает их неоптимальными для таких маленьких устройств.

Поэтому Мерсье и его команда отказались от обычных маленьких батарей в пользу чего-то более компактного и лёгкого.

«Вместо одной большой твердотельной батареи мы можем взять ту же самую батарею и разрезать её на 10, 20 или более отдельных батарей», – объясняет Мерсье. При этом каждая из этих отдельных батарей будет иметь такую же плотность энергии, как и более крупная исходная.

Затем, используя эти разрезанные батареи, команда создала схему управления с так называемой конфигурацией «летающей батареи». В отличие от обычных установок, которые обычно имеют фиксированную компоновку, «летающая батарея» позволяет системе динамически переключать способ соединения отдельных батарейных блоков, адаптируясь в реальном времени к меняющимся энергетическим потребностям системы.

Здесь батареи могут быть соединены либо последовательно (когда напряжения отдельных батарей складываются), либо параллельно (когда увеличивается общая ёмкость энергии, но напряжение остаётся прежним).

Например, когда дрону требуется более высокое напряжение для работы микропривода, система динамически соединяет отдельные батареи последовательно, наращивая их шаг за шагом, пока не будет достигнуто требуемое напряжение. А когда требуется меньше энергии, батареи могут быть перестроены параллельно для максимальной эффективности хранения энергии.

Это переключение между последовательными и параллельными конфигурациями происходит за десятки миллисекунд, без дополнительного веса пассивных компонентов.

Система повышает эффективность ещё на один шаг, включая восстановление энергии. Это стало возможным отчасти благодаря перезаряжаемой природе твердотельных батарей и способности микропривода функционировать как конденсатор. Микропривод заряжается до высокого напряжения для приведения в действие, а затем разряжает эту энергию обратно в батареи, перезаряжая их посредством пошагового процесса разборки. Как и на стадии зарядки, он перезаряжается адиабатически – без передачи тепла – наиболее эффективным способом.

Используя 18 батарейных блоков из ранней коммерчески доступной твердотельной батареи, система генерировала до 56,1 вольт, работая непрерывно более 50 часов. Вес всей системы составил всего 1,8 грамма.

Команда достигла ещё лучших результатов с крошечными твердотельными батареями, специально разработанными в CEA-Leti для повышения плотности энергии. С использованием этих батарей вес системы снизился до всего 14 миллиграммов.

Следующим шагом будет тестирование системы привода в реальном микророботе. В дальнейшем команда продолжит оптимизацию твердотельных батарей и будет стремиться к ещё более высоким выходным напряжениям.

Подробнее