仿生分布式能源赋能机器人

机器人与使能技术中的仿生分布式能源

鲁德拉·穆克吉、普里扬卡·甘古利和拉文德·达希亚*

1. 引言

机器人技术已从在结构化环境中执行简单的拾取和放置任务，大幅发展到在充满不确定性的各种真实世界环境和地形中运行。这些进步通常受到生物系统的启发。因此，该领域已从执行预编程工业任务的简单机械臂，发展到能够利用多种感知模态自主执行广泛任务的类人/类动物机器人或假肢装置。

机器人技术的进步与功能材料、传感、驱动、通信技术以及人工智能等领域的发展密切相关，这些领域的共同进步使得机器人能够在很大程度上模仿生物系统的形态和功能。例如，大面积触觉皮肤或电子皮肤（e‐skin）的实现使机器人能够像动物一样利用全身的触觉反馈在非结构化或杂乱环境中工作。同样，小型化且强大的执行器和电子元件推动了灵巧手和敏捷机器人的开发。近年来，3D/4D打印也为具有复杂形状和柔软结构的敏感化机器人的开发开辟了道路。因此，机器人技术的进步紧密跟随电子硬件、先进材料和制造等其他领域的技术发展。然而，有一个关键领域仍存在挑战。

机器人技术似乎在很大程度上忽略了这一技术趋势，即为机器人提供电力所需的能量。

可靠的能源对于自主机器人在市电不易获得的环境中的平稳运行至关重要。事实上，当今大多数应用都要求机器人具备自主性，因此它们必须完全依赖电池作为电力来源。分析当前技术水平可以发现，尽管电池技术取得了重大进展，但在机器人中采用先进能量解决方案方面却进展甚微。从1966年第一台自主轮式机器人夏基到过去30年开发的最先进人形机器人，再到2018年的四足MIT猎豹机器人，自主机器人所使用的电池仅在轻质和能量密度方面有所提升（图1）。

相比之下，储能技术本身已从笨重且易泄漏的液体电解质系统发展为印刷电池、具有安全电解质的柔性超级电容器（SCs）以及精巧的基于纺织品的设备。电池技术在功率重量比、外形因素、寿命、耐用性（热和化学）等方面均有所改进，如今，柔性、可拉伸和印刷电池正受到越来越多的关注与探索。

机器人的能量需求也可以通过收集可再生能源或环境能量来满足。在这方面，

电池供电的自主机器人的演变，从人形机器人到最近其他动物的仿生机器人。多年来，机器人变得越来越轻，其所使用的电池也随之减轻； 事实上，后者在很大程度上促成了机器人整体重量的降低。一直保持不变的一点是集中式能源，即电池位于一个集中位置，例如背包中。相反，生物系统具有分布式能源。近年来，在a）能量生成/采集和c）储能技术方面的重大进展，为机器人技术带来了新一轮革命的希望——这一次通过受生物启发的分布式能源实现。在这方面的一个初步例子是d）太阳能电子皮肤，它既能产生能量，又能提供触觉感知（无需额外的触摸传感器）。e）分布式能源也正在可穿戴设备中得到探索。a) TENG：经许可转载。[ 23 ]版权所有2020年，自然出版集团。b) MIT猎豹机器人：经许可转载。[ 13 ]版权所有2018年，电气与电子工程师协会。P2, 阿西莫：经许可转载。[ 14 ]版权所有2010年，维基媒体共享资源。托罗：经许可转载。[ 15 ]版权所有2014年，电气与电子工程师协会。OceanOne：经许可转载。[ 16 ]版权所有2016年，电气与电子工程师协会。c) 镍电池：经许可转载。 [ 18 ]版权所有2013年，爱思唯尔。柔性超级电容器：经许可转载。[ 20 ]版权所有2020年，威利‐VCN。d) 经许可转载。 [ 27 ]版权所有2021，电气与电子工程师协会。e) 经许可转载。 [ 29 ]版权所有2021，自然出版集团。)

已探索了各种机制，如热电、热释电、压电、摩擦纳米发电机能量收集以及光伏电池（图1）。[23–26]这些能量收集器产生的能量通常与机器人的功率需求相比微不足道。尽管最近报道的基于太阳能电池的电子皮肤或太阳能皮肤在成人手掌大小区域上可产生适度的能量（380毫瓦级[27]），但在实现完全能量自主性方面仍有很长的路要走。此外，如前所述，当前机器人技术中使用能源的方式非常集中。例如，人形机器人采用背包式电池设计，这带来了许多设计限制，例如结构不平衡，第2节将对此进行进一步讨论。与此形成鲜明对比的是，

生物系统以去中心化或分布式方式收集、储存和利用能量，就像皮肤等感觉器官一样。[28]能量生成与储能能力及其架构极大地影响着机器人系统的尺寸、重量和自主性。在这方面，机器人技术可从柔性及可共形的能量器件等能源技术中获益匪浅，这些器件能够实现分布式架构。

尽管可穿戴系统等应用已从分布式能源中受益（图1），[29]但机器人技术领域的重点主要还是通过使用低功耗电子器件、神经形态计算、事件驱动方法、电源管理策略等策略来提高能源效率。[1,4,30]迄今为止，关于机器人相关主题的各类综述

供能主要集中在能源效率、柔性能量收集器及其集成上。[31]这一观察结果也得到了图2中图表的支持，这些图表展示了2000–2020年间与机器人技术和储能装置（如电池或超级电容器）相关的出版物。在过去20年中，这些学科各自的研究论文累计数量显著：“机器人技术”——335,633篇（关键词：robot），“电池和超级电容器”——900,148篇（关键词：battery或supercapacitor），而关于机器人中的能源这一概念却未受到太多关注（例如，关键词“energy”和“robot”的论文仅有2340篇，关键词“distributedenergy”和“robot”的论文仅有20篇）。少数讨论机器人中能源问题的论文主要涉及高效更换/充电电池的方法、[32]能量回收、[33]等主题。也有少量报告研究了仿生电池在机器人上的高效布局，[34]例如直接放置在运动部件（执行器）上方以提高能源效率。然而，目前尚无机器人领域的论文探索使用最先进的柔性或可拉伸、纤维基或生物基电池来实现分布式能源架构。

显然，先进电池技术在机器人领域的采用进展缓慢。在这方面，若不采用新型电池架构，分布式能源的实现似乎遥不可及，甚至不可能。

本篇关于机器人技术中分布式能源的首篇综述旨在弥合当前先进机器人技术与能源技术之间的技术差距。为此，我们介绍了具有适用于机器人技术特点的最新储能装置、能量收集器以及能源相关技术，特别是能够实现分布式能源架构的技术。我们还讨论了机器人技术如何从采用最新的能量存储或能量收集技术中受益。借鉴生物世界中的分布式能源模式，第2节的讨论聚焦于机器人技术中的分布式能源架构及其在提升能量方面的优势

密度、更少的设计复杂性、改善的机体动力学以及运行可靠性。接着在第3节中讨论了电池或超级电容器等储能装置的最新趋势，并通过一些实例说明其在机器人技术中实现分布式能源架构的潜力。机器人中的能量问题若不涉及能量收集器则不完整，这在第4节中进行了阐述，内容涵盖振动、光学或生物能量收集方案。本节简要介绍了柔性压电和摩擦纳米发电机（PENGs/TENGs）、3D打印生物燃料电池，以及薄膜太阳能电池（钙钛矿电池、太阳能皮肤等）的相关实例，这些技术在分布式能量收集中展现出巨大前景。分布式能源发电与存储自身面临诸多挑战，本文综述中对此进行了广泛讨论。第5节重点探讨了其中部分挑战，并提出了潜在解决方案以及在不同领域自主机器人所面临的新机遇。第6节总结了本综述的主要成果，强调类生物能源分配对于自主机器人高效持续运行至关重要。我们预期，本综述将全面展示分布式能源为机器人技术带来的未来机遇，并阐明该方法在其他领域的应用价值，例如用于可控刚度的软体人工肌肉可穿戴系统，以满足康复等应用需求。

2. 分布式能源与生物启发

本节探讨了分布式能源架构相较于当前机器人技术中使用的集中式方案（如电池背包）的优势。位于集中位置的笨重能量装置会对机器人的设计带来多种限制。例如，重心（Cg）的位置对机器人的运动和稳定性具有显著影响。[35]电池通常是机器人本体上最重的部件，将其安装在特定位置可能导致Cg发生不利偏移。图3展示了无人机在不同位置安装电池的方案，说明了这一问题。将电池放置在上半部分会使系统的

位置稳定性，但在前飞过程中会使无人机变得不稳定。相比之下，底部安装的电池虽然稳定了前飞状态，但牺牲了位置稳定性。若将电池在整个无人机机体上均匀分布，则可实现理想的Cg，并为系统同时提供位置和速度稳定性。分布式能源方案在生物系统中已经存在，使其具有高度的能量效率和结构稳定性。[36]图4展示了人体内能量的分布式收集、储能以及消耗能量的分布式组件，及其在机器人技术中可实现的类比对应部分。碳水化合物、脂肪和蛋白质提供的原始燃料以及氧化剂（即氧气）通过血管在人体内持续循环，以支持能量架构的运行。这些燃料被转化为三个不同的池：1）葡萄糖池，用于满足能量需求（如肌肉和大脑），并补充糖原储存；2）游离脂肪酸池，当葡萄糖池无法满足所需能量时，用于补充额外能量；3）氨基酸池，通常用于人体的修复功能，但在需要时也可转化为葡萄糖。这些能量池与人体的化学感应主干共同维持着体内的能量平衡。自主机器人系统，特别是水下机器人和液压驱动机器人，有可能采用此类体内布置方式，以向各个模块分配电力。[37]

人体内的能量存储可根据其提供的能量数量和持续时间分为三个层次：1）以脂肪组织中的甘油三酯形式存在的高密度大规模储能；[38]22）以肝脏和肌肉中的糖原（即化学能）形式存在的现场快速能量；[39]3）以线粒体中的三磷酸腺苷（ATP）分子形式存在的微观细胞级能量。[40]这三种途径如表1所示，并与机器人技术中类似的能量解决方案一并进行描述。

2.1. 基于甘油三酯的高密度大规模储能：

人体内的高密度大规模储能是通过甘油三酯这种高能量密度材料实现的，

经许可转载。[43]版权所有2021, LifeMap Sciences Inc. d) 经许可转载。[140]版权所有2019, 威利‐VCN。 e) 经许可转载。[20]版权所有2020, 威利‐VCN。)

储能形式	能量密度 [ 千焦/克 1 ]	位置	类似的能量存储	机器人技术设备
甘油三酯在脂肪细胞[38]	38	分布式全部身体表面	分布式可拉伸的或基于纤维的电池
糖原簇[39]	4.2	肌肉周围	超级电容器
ATP在线粒体[40]	0.05	细胞内	MESD和生物电池‐ 驱动的纳米机器人

其储能高达38 kJ/g1，即 50倍于当今商用锂离子电池（能量密度为0.7 kJ/g1[42]）。储存在脂肪细胞中的甘油三酯小滴被战略性地分布在全身的肌肉结构（随意肌和不随意肌）中（图1a）。当需要时（例如，当肌肉通过分泌如脂肪甘油三酯脂酶[ATGL],等酶发出信号时），甘油三酯通过脂解作用[44]转化为葡萄糖，并随后被线粒体用于产生能量（见第2.3节）。除了能量存储外，脂肪组织还在身体重要器官上起到保护层（减震器）的作用。这种分布式能量存储方式强烈启发了将仿生的、可拉伸的或纤维基电池分布在机器人全身，以实现分布式能源供给，并推动机器人设计方式的范式转变。

此类电池架构需要具备机械、化学和热耐久性，理想情况下，电池本身可构成机器人的外壳或外罩。固态锌空气和锂空气电池可能适用于此类设计。

2.2 利用糖原储存实现现场快速供能

人体内的快速现场能量由糖原提供，糖原由葡萄糖分子通过糖异生（聚合）形成，可支持人体平均长达24小时。糖原主要储存在肝脏和骨骼肌中，能够提供快速的现场能量，但其能量密度（4.2kJ gm1）[45]低于三酰甘油。当血液中的葡萄糖水平低于参考值时，糖原会分解为其单体，并向血液中释放平均12万个葡萄糖分子。[46]

人体内的这种能量存储形式似乎旨在短时间内增加肌肉的能量需求，就像混合动力汽车在加速时使用超级电容器或超大电容一样。对于配备现场超大电容模块的机器人技术而言，类似的策略可能同样具有应用价值。

安装在各个部件（例如关节）以满足或增强局部能量需求。

2.3 线粒体中通过ATP实现微型化分布式储能

人体含有 30万亿个细胞。每个细胞都有自己的微型储能单元，称为线粒体，它不仅能够以三磷酸腺苷（ATP）的形式储存能量，还具备从其直接环境（即细胞质）中合成三磷酸腺苷（ATP）的机制。三磷酸腺苷（ATP）是体内最终的能量货币。当需要时，三磷酸腺苷（ATP）中的磷酸键断裂，释放出微量能量（0.06kJ/gm1）。[47]与此类似，目前有两种快速发展的技术有望作为机器人领域中类似于人体三磷酸腺苷（ATP）的存在，它们分别是微型储能装置（MESDs）[48]和生物电池[49]。通过模仿线粒体的设计，纳米机器人（例如用于靶向药物递送的纳米机器人）可以在其表面涂覆活性材料，以持续吸收并储存环境能量，从而实现完全的能量自主型机器人。

与生物系统不同，机器人采用集中式电源结构（图5），通过背包式能量存储装置（由电池单元、超级电容器或燃料电池组构成）为机体上的所有设备供电。如图5所示，在机器人中引入生物有机体类型的分布式能源架构将带来诸多优势，并可能引发机器人设计方式的范式转变。在机器人技术中实现去中心化或分布式能源的一些优势包括：1）更高的运行可靠性。在集中式系统中，唯一的电源或主传输线路一旦受损，可能导致整个系统瘫痪；而在分布式能源系统中，类似的故障仅会影响机器人的部分组件运行。2）分布式系统的能源效率预期更高，因为电力传输过程中的欧姆损耗更低。例如，需要供电的部件可直接放置在分布式能源模块上方，如图5所示。此外，在规格方面也具有更大的柔性。

根据本地电力需求选择能量器件，从而无需额外的组件（如转换器和变压器）。3）类似于人体中的脂肪组织，通过适当的外壳封装，柔性电源模块还能吸收部分外部冲击，保护机器人本体。4）将电源置于机器人本体的外周，更便于更换，并有助于提升系统的无线充电能力。然而，分布式供电系统可能仍无法满足某些先进机器人系统的高功率需求。在这种情况下，可以采用一种混合系统作为当前中央电池系统的替代方案，该系统同时包含较小的中央电池和分布式电源模块。

此时，分布式模块可作为主要电源，当需要增强电力时，中央电池再投入运行。这种混合机制本质上类似于当人体血糖水平低于一定限度时，肝脏向血液中释放葡萄糖的过程。下文将讨论一些有望在机器人技术中实现类人分布式能源架构的能量存储和能量收集装置实例。

3. 储能技术：

稳定且高效率的储能解决方案是机器人长时间自主运行的关键，决定了其尺寸、重量和工作机理的限制。[24]如第1节所述，当前的自主机器人依赖于局部背包式电池。目前最新的柔性可打印的电池形态和超级电容器尚未在机器人技术中得到应用。本节将介绍现有的一些新型电池和超级电容器技术，这些技术有望轻松集成到机器人设计中，以实现分布式能源架构的概念，如图4和图5所示。

各种电源技术的比较分析 o f 各种电源技术以及 b) 质量能量密度和体积能量密度值 in 不同电池类型的比较。 a) 经许可转载经许可转载。[ 51 ]版权所有2020年，爱思唯尔。 b) 经许可转载。 [ 42 ]版权所有2020年，爱思唯尔。)

图6a显示了各种能源的能量密度和功率密度谱。在比能量较高的区域是燃料电池，其能量浓度高达1000瓦时每千克1，但每千克的输出功率较低（<10瓦特每千克1）。[50,51]在比功率的低端

位于光谱另一端的是超级电容器（SCs），其可在短时间内释放出巨大能量（1000瓦特/千克1），但仅能存储<10瓦时/千克1的能量。根据机器人或其部件的功能需求，由上述多种技术组成的混合能源结构可能是最优选择。例如，机械手通常由电池或燃料电池供电，同时可借助超级电容器提供短时能量爆发。无人机（UAV）可能是可变功率需求的最佳范例，因此也为集成多种能量收集与储能技术提供了机会。无人机在起飞或进行剧烈机动时需要大量电力，而在稳定飞行期间所需电力较少。超大电容器能够满足其功率激增的需求，但如图6a所示，无法长时间持续供能。与此同时，高能量密度电池虽可提供长时间持续供能，但在起飞阶段却难以满足其电力需求。电池与超级电容器的结合则可同时满足系统所需的电力和能量水平。常用的锂聚合物电池可支持约90分钟的飞行时间[52]。考虑到燃料电池更高的能量密度，它们可以在不增加无人机重量的情况下实现更长的飞行时间，并且还可受益于准即时燃料补充。下一节中讨论的太阳能电池与电池及超级电容器的集成，可进一步提升系统的自主性[53]

图6b显示了当前自主机器人中常用电池类型的质量能量密度和体积能量密度值。[42]表2列出了当前最先进的仿人机器人所采用的电池技术。例如，仿人机器人TALOS能够利用扭矩传感器反馈在复杂的工业和研究环境中抓取材料。它使用一块1080瓦时的锂离子电池，可持续行走1.5小时，或在待机状态下运行3小时。[54]

另一款用于水下探索的遥控水下航行器（ROV） OCEAN ONE，具备在海洋环境中直观的触觉交互能力，其机器人尾部周围装有八个大型电池，为推进器提供电力。[16]对于需要高能量容量但低电力损耗的应用，大型铅酸电池可提供高能量密度。

机器人	电力规格和运行时间	功能	Ref.
TALOS	单节锂离子电池，1080瓦时，1.5小时运动、抓握		[54]
OceanOne尾部区域的单节电池	水下探索		[16]
Pepper	锂离子电池30.0安时/795瓦时，12小时通用用途		[141]
马纳夫	锂聚合物，1小时	通用用途	[142]
波比	锂聚合物，11.1伏特(V)，1800毫安时	通用用途	[143]
TORO	LiFePO4 48V,6.6安时	通用用途	[15]
NimbRo‐OP	锂聚合物，14.8伏特(V)，3.6安时	通用用途	[144]
COMAN	锂离子电池，2.5小时	通用用途	[145]
阿西莫	锂离子，51.8伏特，1.5小时	通用用途	[14]
REEM‐C	两块48伏特锂离子电池，3小时	通用用途	[146]

（40 瓦时/千克1）和电压输出（2 伏特(V)）[55]是不错的选择。它们表现出线性放电特性，且具有更长的储存寿命。镍镉(NiCd)电池和镍金属氢化物(NiMH)电池在能量容量方面表现更优，分别为 130和150瓦时/千克1，但重量更重，且自放电率较高。锂离子、锂聚合物和钴基电池则兼具优势，其输出电压为3.6伏特(V)，能量密度值高达265瓦时/千克1，同时自放电率较低。然而，与铅酸电池相比，它们的成本较高。另一个预计未来将受到广泛关注的关键因素是这些能源对安全性、毒性以及环境影响的影响。[50]

这些块体技术在提升机器人能量容量和运行时间以增强其自主性方面存在天然的局限性。由于这还受到机器人本体动力学的制约，因此在全身范围内实现分布式能量存储可能是克服此类限制的一种理想解决方案。在这方面，必须采用先进的能量存储技术，例如在柔性基底或纤维上印刷或制造的电池和超级电容器。图7展示了此类储能装置的一些示例，并将在以下小节中进行讨论。

3.1. 电池

各类电池的演变是21世纪技术进步中的一个重要方面。例如，由于成本低、使用方便、能量重量比更低以及寿命更长，一次/不可充电电池已被多种二次或可充电电池所取代。同样，新型电池技术的柔性与拉伸性得以实现，得益于其所有组件（如电极和电解质等）能够承受拉伸/压缩应变。石墨烯、基于碳纳米管(CNT)的复合材料等纳米材料有望作为锂离子电池的电极。它们可调谐为柔性的片状结构并编织成织物，使其在电子皮肤、智能纺织品及各种自主系统等应用中具有吸引力。图7a–d展示了一些可打印且可拉伸的

电池的各种形式。三维石墨烯泡沫(GF)已被用于实现可弯曲、柔性且无粘结剂锂离子电池结构。该结构包括LiFePO4 (LFP)/GF和Li4Ti5O12(LTO)/GF电极的复合结构，能够实现高达200 C的充放电循环。采用LFP作为正极，LTO作为阳极，一种 800纳米厚电池在1.9V的工作电压下表现出143 mAh g1的效率。反复扭曲至<5mm的半径时，未出现任何结构失效或性能变化。[58]据报道，将多壁碳纳米管 (MWCNT)复合材料与LTO和LiMn2O4(LMO)结合可形成线状电池（图7a）。[59]这类结构化的电池具有高功率密度，有利于支持更小型的机器人平台。

3D打印已成为开发更薄、更灵活结构的有前景途径。特别是熔融沉积成型（FDM）是传统制造技术的一种合适替代方案。最近报道了一种由用于正极的磷酸铁锂/聚乳酸（ LFP/PLA）、用于负极的石墨/PLA以及用于隔膜的SiO2/ PLA丝材制成的3D打印锂离子电池（图7b）。该打印电池表现出43 mAh g1的比容量。[60]可拉伸导体是可穿戴电子设备中的关键组件，需在高机械应变下保持高电导率。可利用逐层组装（LbL）技术设计基于梯度组装聚氨酯（GAP）、以金纳米粒子（Au NPs）为负电性材料、聚氨酯（PU）为正电性材料的可拉伸导体（图7c）。使用GAP组装的电池器件在0.5 A g1的电流密度下表现出100 mAh g1的充放电比容量，并在1000次循环后仍具有96%的优异循环保持率。[61]

进一步延伸全柔性锂离子电池概念的是采用3D打印技术制造的纤维状电池结构。可通过高粘度含有碳纳米管（CNTs）及 LFP或LTO的聚合物油墨分别打印LFP纤维阴极和LTO纤维阳极（图7d）。这些全打印纤维通过扭绞组装，并用凝胶聚合物作为电解质固定。该器件在50 mA g1的电流密度下表现出110 mAh g1的比容量。[62]表3总结了多种新一代电池技术，有助于实现分布式能源架构。

3.2. 超级电容器

超级电容器或超大电容主要用于提供快速的功率激增，例如在移动机器人加速或机器人开始举升重物时，这些情况下需要更多的能量。如图6a所示，超级电容器/超大电容器具有最高的比功率（瓦特/千克比率），可在提高整体电力效率方面发挥关键作用。由于器件的电容与极板的表面积成正比，与电极和隔膜之间的距离成反比，因此较新的技术利用石墨烯和其他二维纳米结构复合材料等新型纳米材料来制造柔性且高表面积的电极。此外，在纳米尺度上集成这些结构可减少隔膜与电极之间的距离，从而实现

作为分布式能量存储潜在解决方案的各种先进电池形式示例：a) 具有MWCNT/钛酸锂（LTO）和MWCNT/锰酸锂（LMO）电极的线状电池。b) 基于3D挤出打印的电池，其中将磷酸铁锂（LFP）和钛酸锂（LTO）掺入含碳纳米管导电添加剂的聚偏氟乙烯溶液中以形成电极。c) 石墨烯气凝胶纸与不同浓度金纳米粒子在弹性层中的可拉伸纳米复合材料的分层组装。图像显示了松弛和拉伸状态下的石墨烯气凝胶纸多层导体。d) 3D打印全纤维柔性锂电池的设计理念和制备过程示意图，以及纤维状电池在可穿戴应用中的潜在用途。e–h) 各种形式超级电容器的示例。e) 以PVAKCl为电解质的金属涂层织物基超级电容器，用于为温度传感器供电。f) 在3分钟内于纺织品上大规模防水激光打印石墨烯太阳能储能的制备阶段。g) 包含聚丙烯酸通过氢键双重交联和乙烯基杂化二氧化硅纳米颗粒（VSNPs‐PAA）聚电解质以及沉积聚吡咯的碳纳米管纸电极的超级电容器示意图。补丁辅助非自主自愈型超级电容器的制备。超强拉伸性超级电容器的制备示意图。h) 碳线基超级电容器的扭绞结构。a) 经许可转载。 [ 59 ]版权所有2014，威利‐VCN。b) 经许可转载。 [ 60 ]版权所有2019，斯普林格。c) 经许可转载。 [ 61 ]版权 所有2019，美国科学促进会。d) 经许可转载。 [ 62 ]版权所有2017，威利‐VCN。e) 经许可转载。 [ 21 ]版权所有2020，威利‐VCN。f) 经许可转载。[ 70 ]版权所有2019，施普林格·自然。g) 经许可转载。 [ 74 ]版权所有2015，施普林格·自然。h) 经许可转载。 [ 77 ]版权所有2020，施普林格· 自然。)

增强的电容输出。基于导电织物的电容设备可轻松与机器人系统的各种传感器模块集成。[20,66,67]基于碳纳米管和石墨烯的超薄柔性超级电容器已能够为柔性电子器件供电。在最近的一项研究中，使用石墨烯自支撑薄膜制备了超级电容器装置

纳米片/炭黑（CB）（薄膜厚度为20 mm）。器件集成显示出在可穿戴系统和机器人技术中的应用前景，因为串联连接的超级电容器表现出令人印象深刻的结果。[68]最近，我们还首次展示了超级电容器驱动3D打印手的电机以抓取柔软物体（图8d）。在此情况下，超级电容器通过顶部太阳能电池产生的能量进行充电。[64]同样，我们报道了柔性超级电容器，包括基于织物的超级电容器，用于可穿戴系统，并展示了其在自供电传感器开发中的应用。[20,22,63,69]图7e所示的示例使用了自制的石墨浆料印刷在两种不同类型的织物上。基于 Armor FR（镍/铜涂层聚酯织物）（AFR‐Gr）和Nora Dell（镍/铜/银涂层聚酰胺）（ND‐Gr）的超级电容器，采用凝胶（PVAKCl）电解质，在扫描速率为5 mV s1时分别显现出99.06和46.88 mF cm2的比电容。此外，ND‐Gr器件表现出优异的循环稳定性（5000次循环）。[21]在另一项文献报道的工作中（图7f），利用激光打印技术在纺织材料上制造大规模石墨烯超级电容器，具有出色的水稳定性。可在3分钟内制备出尺寸达100 cm2的超级电容器，表现出面电容49 mF cm2、能量密度6.73 mWh cm2、功率密度2.5 mW cm2以及高达200%的拉伸性。[70]通过印刷技术制造能量器件可以为多种应用开辟有趣的新机遇，例如直接在机器人的曲面本体上印刷。已有大量印刷技术被探索，更多细节可参见其他研究。[9,71,72]

可拉伸超级电容器是新型设备中的后起之秀；然而，在构想可拉伸设备时，电极的断裂与破裂以及电解液泄漏等问题同样需要重点关注。在这方面，自愈合电容器件的概念颇具吸引力，[73]可通过使用合适的电解质实现。例如，聚丙烯酸（PAA）通过氢键与乙烯基杂化二氧化硅纳米颗粒（ VSNPs‐PAA）双重交联，表现出自愈性、可调离子电导率和高拉伸性（图7g）。采用VSNPs‐PAA聚电解质的沉积聚吡咯的碳纳米管纸电极展现出与

常用的PVA/H3PO4电解质。该电解质在室温下具有自愈合能力，修复后的样品表现出与新设备相似的效率。此外，该设备在无任何裂纹的情况下拉伸性可达600%。[74]拉伸性已在电子设备中通过多种方式实现，例如采用几何图案（如蛇形或蜂窝结构）或含有合适填料的弹性体。[75]另一项研究展示了 一种全自修复超级电容器（omnihealable SC），[76]能够自然恢复其电解质、电极和界面。即使发生机械故障，在无需外部刺激的正常条件下，仍可进行多达15次的断裂/愈合循环。在此情况下，电极是通过引入由二醇‐硼酸酯键合交联的接枝了N,N,N‐三甲基‐1‐(环氧乙烷‐2‐基)甲胺氯化物（ PVA‐g‐TMAC）网络制备而成。由于TMACAs中含有季铵离子，PVA凝固不完全，因此所制备的水凝胶具有极高的可塑性。将KCl离子加入水凝胶中形成电解质，将活性炭（AC）和乙炔黑（AB）加入PVA‐g‐TMAC网络中则形成电极。此类研究为机器人、可穿戴电子设备和智能纺织品中的可自恢复储能器件开辟了道路。

柔性与可拉伸电子器件的发展也推动了纤维基储能装置的出现。图7h展示了一个此类示例，其中采用导电聚合物（聚吡咯）功能化的碳纤维，并以汗液作为电解质，构建了一种对称电容器设备。静电纺丝醋酸纤维素纤维作为该设备的隔膜，并进一步缠绕在电极周围。所制备的器件表现出优异的循环性能，其比电容为2.3 F g 1，能量为386.5 mWh kg 1，功率密度为46.4 kW kg 1。[77]基于其他纤维（例如黄麻纤维）[22]以及汗液或汗液等效电解质[20]的柔性超级电容器也已有近期报道。基于纤维的方法具有吸引力，因为用织物编织的设备所需面积更小，且便于集成。

超级电容器相对于电池的一个主要优势是其充电时间相对较短。例如，一个超级电容器仅需

电极	容量 [毫安时/ 克 1]	效率和弯曲性	Ref.
磷酸铁锂(LFP)/GF 和 钛酸锂(LTO)/GF	143	在1.9 V的工作电压下具有可弯曲和柔性特性， 30次弯曲循环	[58]
MWCNT/钛酸锂(LTO)和MWCNT/锰酸锂(LMO)	138	线状电池，200次弯曲循环	[59]
超分子锂离子导体（SLIC）聚合物作为电解质，LiFePO4(LFP)‐SLIC/CB，以及Li4Ti5O12(LTO)‐SLIC/CB	120	具有由低‐Tg提供的离子电导率的柔性电解质 聚醚和机械性能由 2‐脲基‐4‐嘧啶酮（UPy），400次循环	[147]
聚(3,4‐乙烯二氧噻吩)电极：聚(苯乙烯 磺酸盐）(PEDOT:PSS)和聚乙烯亚胺（PEI）	5.5	超薄电池(440 μm)的丝网印刷	[148]
将磷酸铁锂和钛酸锂
电极材料整合到聚偏氟乙烯溶液与碳纳米管导电添加剂	141.3	基于3D挤出的打印技术，30次循环	[149]
聚环氧乙烷（PEO）复合聚合物电解质（CPE） 嵌入硅烷处理的六方氮化硼（S‐hBN）和以磷酸铁锂为正极	146.0	直接墨水书写（DIW）方法，100次循环	[150]

与电池需要数小时才能充满电相比，超级电容器只需几秒钟即可完全充电。[65]在机器人系统中使用超级电容器的另一个基本优势是它们能够多次充放电（9095%或更高）。相比之下，电池的循环次数有限（<105循环）。然而，与电池类似，自放电也是超级电容器面临的主要挑战。尽管存在这些差异，能量的混合分布以及电源的组合对于实现所需功能至关重要。[78]

尽管储能技术已经取得了巨大的进步，但仍存在各种问题需要解决。例如，电池和超级电容器的自放电问题一直令人担忧。能量在闲置存放期间随着时间推移而发生的泄漏是一个持续存在的问题。这个问题甚至涉及许多新型储能装置。在这种情况下，内阻并非根本原因。相反，电化学装置中产生的并联电阻实际上导致了能量的持续泄漏和耗散。然而，内阻与自放电的共同作用对于配置电池结构至关重要。当仅有能源用于待机使用，或在充放电循环之间存在较长使用间隔时，这种情况尤为相关。不同类别的储能装置的放电速率也同样重要，因为随着放出电荷量的增加，剩余使用持续时间内可用的能量减少。相反，较低的放电速率也十分关键，因为残余电荷可能以热能形式耗散，而这种热能可被热电纳米发电机加以利用。

各种可再生能源收集方法的示例：a) 压电纳米发电机；b) 柔性热电发电机；c) 三维摩擦纳米发电机；d) 覆盖在假人手臂上的太阳能电池。由太阳能电池产生的能量存储在太阳能电池下方的超级电容器中；e) 漂浮的机器人昆虫从水面获取电能。f–j) 机器人和飞行器中基于太阳能电池的能量收集示例：f) 配备无水清洁功能的自主自充电Ecoppia机器人，用于清洁安装的太阳能板；g) 安装有太阳能板的海洋群集式水上机器人；h) 由太阳能电池供电的无缆昆虫尺寸微型飞行器；i) 安装有太阳能板的火星洞察号着陆器；j) 太阳能飞机“阳光动力2号”。k– m) 基于太阳能电池的电子皮肤的实现：k) 柔性太阳能电池上的基于石墨烯的透明触敏层，实现能量自主的电子皮肤；l) 示意图显示了首个可产生能量的电子皮肤的主要模块，用于同时实现触摸感应和能量生成（无需使用触摸传感器）。示意图展示了太阳能皮肤作为太阳能电池的分布式阵列、驱动与读出电路、电源管理子系统以及数字处理与通信接口；m) 将太阳能电子皮肤原型放置在手部（展示柔性）和3D打印机器人手上。a) 经许可转载。[ 84 ]版权所有2018年，美国化学会。b) 经许可转载。[ 85 ]版权所有2018年，爱思唯尔。c) 经许可转载。[ 86 ]版权所有2018年，爱思唯尔。d) 经许可转载。[ 64 ]版权所有2019年，威利‐VCN。e) 经许可转载。[ 87 ]版权所有2019年，爱思唯尔。f) 经许可转载。[ 104 ]版权所有2021年，Eccopia。g) 经许可转载。[ 106 ]版权所有2010年，麻省理工学院感知城市实验室。h) 经许可转载。[ 107 ]版权所有2019年，施普林格·自然。i) 经许可转载。[ 108 ]版权所有2018年，美国国家航空航天局/喷气推进实验室‐加州理工学院。j) 经许可转载。[ 110 ]版权所有2016年，阳光动力基金会。k–m) 经许可转载。[ 27 ]版权所有2021年，电气与电子工程师协会。)

与电池等储能装置集成。这将在第4节中进一步说明。

3.3. 燃料电池

另一种具有吸引力的能量存储选择是燃料电池，其储能容量比锂离子电池高出约240倍（可储存氢气或甲醇）。通过外部供给气体，以氢气或甲醇作为燃料、氧气作为氧化剂，这些电化学电池表现出较高的体积功率密度。燃料电池已被探索作为汽车行业的一种绿色替代方案，与电池供电系统并行使用。与给电池充电相比，氢燃料电池的加燃料过程要快得多。氢燃料电池与电力电池的结合可以提供一个更强大的系统，其中电力端口可维持持续供电，而燃料电池则在需要时提供额外推力，例如在电动飞机起飞期间。燃料电池的另一优势是其噪音水平远低于内燃机。然而，燃料电池技术也面临一些挑战。氢气燃料在金属氢化物、碳纤维罐或液化源中的储存对于各种移动装置的物流使用范围而言仍具挑战性。其次，燃料和氧气管路之间可能需要进行压力匹配，这就要求在系统中增加压缩机。最后，与电动汽车电池类似，燃料电池反应室的热管理也至关重要。任何所需的额外冷却系统都会增加系统的重量，并有可能抵消燃料电池在分布式能源应用中带来的优势，尤其是对于小型机器人而言。

4. 能量收集技术

文献中已报道了多种利用压电效应、热电效应、摩擦电效应、太阳能电池等机制的环境能量收集器[24]（图1）。诸如压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、热电发电机（TEG）等设备已被广泛用于为少数传感器供电，或作为可穿戴系统和机器人中的自供电传感器[26,81–83]。

由压电陶瓷和压电聚合物（例如PVDF）等材料制成的压电式能量收集器能够利用机器人与其环境之间因身体运动而产生的机械冲击来获取能量。例如，单电极压电纳米发电机已用于可穿戴电子设备中以感知稳态压力和温度（图8a）。[84]这些基于PVDF纳米纤维的设备在施加稳态压力时可产生 4.5mV的开路电压。类似地，

机器人的热能（例如电机产生的热量或体热）可由热电发电机（TEGs）收集，如图8b所示。图8b中所示的柔性丝网印刷热电发电机基于Bi2Te3和Sb2Te3浆料制成，可提供3.8 m W cm2的峰值输出功率[85]。另一种利用机械能的方式是使用摩擦纳米发电机（TENGs）。超柔性3D打印摩擦纳米发电机（图8c）已采用复合树脂部件作为起电层、离子水凝胶作为电极制造而成，可提供10.98 W m3的峰值功率[86]。其他能量收集型机器人的示例包括一种以超疏水导线作为人工腿的水生机器人。这种涂覆TiO2的铜和镁超疏水导线电极支持氧化还原反应，产生1.38 伏特(V)的电压和25 mA的输出电流（图8e）[87]，可用于驱动其运动、发光二极管（LED）以及温度传感器。

这些能量收集器通常可产生微瓦至毫瓦范围的能量，[24]适用于微/纳米机器人，或为少量印刷传感器、低功耗电子器件、模块间通信的天线等提供局部电力。在这些纳米发电机中，摩擦纳米发电机（TENG）可提供更高的功率密度（高达 500W m2[88]），因此其潜力远不止于为低功耗传感器供电。例如，已有研究提出将摩擦纳米发电机用于波浪能量收集，通过利用这一潜力，有望为能源自主型海洋机器人开辟新的发展路径。[81]上述纳米发电机的比较如表4所示，该表列出了这些纳米发电机产生的峰值电力。

这些快速发展的技术具有满足仿人机器人大量能量需求的潜力，前提是将其外表面（2m2, 大致相当于一个成年人的表面积[89]）覆盖上这些纳米发电机。当然，这些纳米发电机产生的电力可能高度不稳定，但若将其与高效率的超级电容器或电池相结合，则可以随时间积累大量的能量。图8d展示了一个示例，其中太阳能电池的能量用于为下方的超级电容器充电，而储存的能量已被用于驱动手部电机以抓取柔软物体。[64]

另一种整体式能量收集技术依赖于生物燃料电池。这些生物燃料电池部署在微型机器人上，通过模拟生物系统中的消化机制，能够从其有机环境中持续获取能量。利用活体微生物、[90]线粒体、[91]以及分离酶作为能量收集单元。这类由生物电池驱动的机器人通常被称为胃形机器人，[92]它们以丙酮酸盐、脂肪酸、氨基酸等为燃料，这些物质在人体内[93]丰富存在。

Type	材料	规格	Ref.
压电式	维生素B 2 /聚偏氟乙烯	465 μW cm 2，5 伏特(V)， sc ¼ 12.2 毫安（面积 ¼ 1.6 cm2）	[ 151 ]
热电	基于Bi 2 Te 3 的热电发电腿/银纳米线电极	0.262 毫瓦/平方厘米·开尔文 2 K 2 ，V oc ¼ 2 .116 伏特 ( V ) （温差 ¼ 40 K 且面积 ¼ 16 .77 平方厘米 2 ）	[ 152 ]
热释电	PbZr 0.53 Ti 0.47 O 3 /CoFe 2 O 4	47 372 千焦/米 2 循环 1 (伏特(V high ¼ 300 )K, 伏特(V low ¼ 100 )K)	[ 153 ]
摩擦电	再生纤维素	307 W/m 2 ，V oc ¼ 300 伏特 ( V ) ，以及 J sc ¼ 2 .6 mA	[ 154 ]

4.1. 摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机（TENG）是一种新兴的可再生能源收集器，依靠摩擦起电效应将机械能转化为电能。具有不同电子亲和力的表面反复接触，导致电荷转移的循环往复，并反复产生能够驱动交流电的电场。[81,94]它们在低频下具有高效率、轻质、便携、柔性以及低成本的特点，使其在发电装置中独树一帜。这些特性使摩擦纳米发电机成为捕获动能最有前景的技术之一。其输出性能取决于多种因素：材料、接触力、表面形貌、频率和分离距离。由于其多功能性，摩擦纳米发电机已被用于从各种机械源中获取能量，包括波浪[95]、风[96]、机器振动[97]和人体运动[98]，应用于能量自主型可穿戴设备[1,24,99]和便携式个人娱乐设备[100]。考虑到移动人形机器人与其环境之间高度的物理交互，摩擦纳米发电机有望满足其大部分能量需求。

支持摩擦纳米发电机（TENG）的技术发展迅速，并已与多种类似技术相结合。例如，摩擦带电效应与静电击穿相结合，可产生 430 μC m2的摩擦电荷密度，远高于传统摩擦纳米发电机。将此类TENG模块附着在机器人运动部件上时，可能能够承受应变而不影响其性能。具有高耐应变能力的纤维基柔性摩擦纳米发电机[101]可能适用于此目的。这类解决方案采用硅橡胶作为核心纤维，碳纳米管用于形成聚合物基体和导电层。基于铜微丝的电极缠绕在该纤维结构上。这些设备表现出显著的效率，且通过增加纤维线圈数量可进一步提升性能。此外，拉伸应变改善了摩擦纳米发电机的性能。

基于磁共振的无线摩擦纳米发电机（MR‐WTENG）是摩擦纳米发电机的无线变体。电容式摩擦纳米发电机与电感线圈集成，并结合了同步微开关。摩擦纳米发电机的脉冲电压可生成具有固定谐振频率的正弦电压，交流信号通过初级电感线圈无线传输，并由远处的次级电感线圈接收，实现高能量传输效率（73%）。一个 40 50 mm2 MR‐WTENG可在90s内将一个 15 μF的电容器充电至12.5伏特(V)。[102]文献中也报道了一些将摩擦纳米发电机与压电纳米发电机和/或电磁式压电纳米发电机结合的混合式摩擦纳米发电机实例。[103]这些技术为无线充电传输开辟了新方法，在群体机器人领域具有潜在应用价值。

4.2. 柔性光伏电池

由于较高的电力输出，机器人技术中使用最广泛的采集器是太阳能电池。[24]图8展示了多种多样的

机器人应用中已使用太阳能组件（主要是刚性组件）。例如，图8d显示了堆叠在超级电容器上的硅电池阵列，可为机械手中的电机提供持续运行电力，实现可控抓取。[64]另一个太阳能驱动机器人的示例见图8f，其中机器人用于太阳能电池板表面的无水清洁[104]，以缓解太阳能电池板污染问题，这种污染可使面板效率降低 45%。[105]图8g展示了由车载太阳能电池供电的水生机器人集群（Seaswarm），用于清理海洋中的溶解和漂浮污染物。[106]基于太阳能电池的能量收集也已应用于微型机器人，如图8h所示。[107]扑翼飞行微型机器人的功率需求（110120毫瓦）可通过具有2.3 W g比功率密度的砷化镓太阳能电池满足。1在遥远行星和空间站等非结构化环境中，太阳能电池传统上一直被用作能源。如图8i所示的美国宇航局洞察号着陆器便是其中一个例子，该机器人由两块7.1英寸、600瓦的三结磷化铟镓/砷化镓铟/锗太阳能电池供电。[108]然而，目前也在探索适用于此类巡视器的其他能源。例如，于2021年2月登陆火星的毅力号搭载了放射性同位素电源系统（多任务放射性同位素热电发电机），利用钚的放射性衰变热产生电能，并为巡视器的两块主电池充电。[109]另一个有趣的领域是下一代飞机飞行，可再生能源有助于减少碳足迹。其中一个示例如图8j所示，即全电动飞机（阳光动力2号），配备17,428块薄膜硅太阳能电池板，每天可产生总计340千瓦时的能量。[110]

最初，由于早期太阳能电池的刚性外形和脆性特性，其与机器人的集成受到限制。采用硅等传统同质结半导体材料的柔性太阳能组件的开发因在1000 C.[111]的高沉积温度而受阻。基于聚合物的柔性基底无法承受更高的温度。相比之下，低温处理有机太阳能电池无法达到硅电池的效率。事实上，此类问题在柔性电子研究中较为普遍，已有其他研究探讨了多种替代方案以克服此类热预算问题，包括接触式和转印打印技术。[71,112]近期开发出的低温处理活性材料，如甲基铵基钙钛矿（100150 C），为高效柔性太阳能组件的发展铺平了道路（19.5%功率转换效率[PCE]）。[113]这些面板易于在各种形状和尺寸的机器人上实现共形集成，使其成为自主系统中能量收集的理想选择。[114]硅技术也紧跟这一挑战；在镍膜或双层多孔硅等柔性基底上外延沉积硅，随后剥离体晶圆，可实现14.9%效率。碲化镉、铜（铟、镓）硒2, （CIGS）是其他潜在材料，但需进一步优化以降低其热预算，从而与低温聚合物基板兼容。

尽管太阳能模块的高能量密度已实现了多个能量自主系统，例如那些

如前所述，电池的刚性限制了其在人形机器人等需要贴合曲面的机器人上的应用。尽管柔性太阳能电池是满足贴合性要求的理想选择，但考虑到刚性太阳能电池仍具有更高的效率，将微型刚性太阳能电池置于柔性基底上也是一种颇具吸引力的方案。这与基于现成刚性电子元件集成在柔性印刷电路板上的大面积触觉皮肤类似。[5,115,116]采用类似的方法，我们最近报道了首个可产生能量的太阳能电子皮肤实例，如图8l–m所示。[27]该电子皮肤包含一个微型太阳能电池阵列和红外LED（用于在黑暗区域工作）。当未被接触时，太阳能电池产生能量；但当物体接近或接触时，光强会发生变化，从而导致能量输出随之变化。本研究通过智能解读太阳能电池输出能量的变化（结合红外LED），实现了对物体接触、接近过程中的距离、方向以及识别的估计。有趣的是，该太阳能电子皮肤没有任何触摸传感器，却仍能检测到触摸。这意味着这种太阳能电子皮肤是一种净能量产生装置。图8m显示了覆盖在3D打印机械手手掌区域的太阳能电子皮肤，[9]所产生的能量可用于驱动机械手的电机。该系统的电源管理（图8l）采用了一款嵌入式最大功率点跟踪算法的超低功耗能量收集器（ISV019V1）。配合3.7伏锂聚合物电池，系统可满足读出电子器件155毫瓦的电力需求。[27]仅手掌区域即可产生 383.6毫瓦的能量盈余，若将该电子皮肤覆盖整个全身（面积： 1.5平方米），则可产生超过100瓦的电力。太阳能电子皮肤是机器人技术中分布式能源的一个极佳范例。这类多功能系统能够提升机器人系统的整体能量密度和设计水平，如第5节所述。

本研究中使用的单晶太阳能电池的一个挑战是，由于其在物体相互作用过程中（特别是当冲击力较高时）容易破裂脆性特性。通过合适的封装方式，例如3D打印或类似方法[117]，有可能克服此类挑战。前文讨论的太阳能电子皮肤并未使用任何触摸传感器来实现触摸感应。这种方法在测量施加压力的大小时存在一些困难。在需要的情况下，可以在太阳能电子皮肤上层使用透明触摸传感器来克服这些挑战，如图8k所示。该图展示了一种由单层石墨烯（在聚氯乙烯基底上）制成的触敏层，其上集成了共面叉指电容式触摸传感器，灵敏度为0.01 kPa1。[25,118]基于石墨烯的触摸传感器仅需 20 nWcm2即可运行。此外，由于具有高透明度，石墨烯允许大部分光透过，因此太阳能电池仍能产生几乎与没有上层触摸感应层时相同水平的能量。

通过选择基于柔性外形（例如，柔性）、功率转换效率和比功率（即每千克太阳能电池的输出功率）的合适太阳能电池技术，可以进一步推进太阳能电子皮肤中的分布式能源发电。后者对于机器人技术至关重要，因为太阳能电池会增加机器人的动态重量，这可能影响整体设计和控制策略。图9a显示了各种柔性太阳能电池技术的输出功率和重量（每平方米2）。最先进的多结电池如InGaP在标准太阳光照下可提供高达28%的高效率，相当于280瓦/平方米2的功率，但重量较重（ 500克/平方米2）。这些电池适用于模块重量不太重要的应用场合，例如用于空间应用、电动汽车等的机器人。相比之下，非晶硅和铜锌锡硫技术的重量相对较轻（<150克/平方米2），但效率也较低（10% PCE）。考虑到重量与输出功率之间的权衡，柔性有机/无机杂化钙钛矿电池和单分子/聚合物基有机电池具有较优的表现，其效率为15%，重量为<10克/平方米 2。考虑到机器人外表面可用面积为2平方米2 ，InGaP电池可提供高达560瓦的峰值功率，但会使机器人增加 1千克的重量。相比之下，柔性或可打印的钙钛矿或有机太阳能电池可为机器人提供 300瓦的电力，而仅增加 15克的重量。因此，在机器人本体上集成这些太阳能电池将无需对运动部件进行重大重新设计。此外，有机/无机杂化钙钛矿叠层电池的成本最低，为 0.15欧元/瓦1，优于其他技术。

与摩擦纳米发电机类似，由于机器人所处环境中可获得的光功率变化不定，太阳能电池的输出也可能是间歇性的。将柔性储能装置（第3节）与这些能量收集器无缝集成，是实现机器人持续能量供应的关键。此外，也可以探索结合摩擦纳米发电机和太阳能电池的混合方法作为替代方案。实现节能系统的另一种途径是在机器人运动部件减速过程中回收利用损耗的能量。根据具体系统，可采用不同类型的动能回收系统（KERS），即机械动能回收系统、电动动能回收系统、液压动能回收系统和水电动能回收系统[119]。

5. 挑战与机遇

5.1. 与集成相关的挑战及潜在解决方案

前几节讨论的各种技术可以提升机器人的电力性能，但在这技术能够应用于分布式能源之前，仍需应对若干设计挑战。例如，为了提高可靠性，大面积的储能与能量收集应采用模块化设计。然而，此类设计也可能增加布线复杂性，这在机器人技术中长期存在，尤其是在大面积触觉皮肤的应用背景下。[116]通过估算各类传感器/执行器的功率需求，并仅在其附近连接所需的能量模块（如图5所示），而非将所有独立的能量模块串联连接，可在一定程度上避免这些复杂性。此外，可通过采用三维堆叠电子设备中使用的先进金属化图案[120]，并在柔性皮肤基底上使用印刷技术，来简化模块间集成。同样，多源分布式能源系统需要智能化的电源管理策略。例如，当某个传感器的本地超级电容器能量耗尽时，必须能够从附近的能源获取电力。这些电源管理系统不应给计算负载带来过大开销。在这方面，支持分布式计算的技术方案（例如电子皮肤[28]）可能发挥重要作用。

将分布式能源架构与低功耗神经形态系统[121]集成，可使这些决策在本地进行，而不依赖于机器人的中央处理器。电池的自放电是另一个需要关注的问题。在这种情况下，内阻并非根本问题，但电化学装置中形成的并联电阻可能导致持续的能量泄漏和耗散。为防止此类泄漏，必须评估电池结构对放电速率的影响。

机器人本体上分布式收集与储能设备的另一挑战与增加的重量有关。解决此类挑战的一种方法是使用多功能能量收集/储存装置。例如，电池、超级电容器或太阳能电池也可同时作为触觉、应变或温度传感器。[122]通过这种方式，我们消除了对额外传感器的需求，减轻了重量，并简化了读出电路等设计，从而降低了整体复杂性。许多能量器件的响应依赖于环境条件，智能利用其输出的时间变化可以实现对环境条件的测量。第4节中讨论的太阳能电子皮肤就是一个这样的例子。

图10展示了更多已验证多功能操作的能量器件示例。图10a所示的可拉伸超级电容器在拉伸应变下表现出可变输出，因此该器件既可用于能量存储，也可用于应变传感。[123]事实上，该器件的应变传感功能已被用于测量体积膨胀的连接到自制呼吸机的人体模型胸部。[124]此类多功能设备的传感器数据可以无线传输到手机[125]或机器人上的车载计算机。另一种高效的减重方法是利用电池本身构建机器人的机械结构，如图10b所示。[126]通过集成电池外壳和热管理系统，最多可实现23%的重量减轻。[127]另一个示例如图10c所示，为水生机器人，其可通过基于液压液（碘化锌）电解质的氧化还原液流电池传输电力。[37]无线电力传输是一种为微型机器人供电的有效方式，该技术也已应用于无人机。[128]在这方面，印刷天线可提供一种轻量化解决方案。图10d显示了一种在1.2吉赫和5.8吉赫频率下共振的多功能印刷天线。随着系统温度的变化，电阻以及感应电流随之改变，从而产生 1.2% C1的灵敏度。[122]

5.2. 分布式能源带来的新机遇

智能电动汽车（EV）和物联网（IoT）概念下的互联设备的出现，推动了陆地、空中或水域自主导航的有趣应用。分布式能源的讨论也适用于这些车辆，因为分布在车辆全身的能量器件不仅可以改善内部空间和用户舒适度（例如，智能电动汽车中更大的腿部空间），还能实现稳定运动，如第2节所述。顶级电池的充电时间可能在30到90分钟之间。[129]与内燃机车辆相比，这种充电时间效率较低。沿车身铺设地毯式电池并同时分布太阳能电池可能是解决此问题的一种方式。无线充电[130]可作为太阳能电池的替代方案。由于充电速率转移取决于活性表面积，因此地毯型电池也可以更快地充电。

如第5.1节（图10b）所述，结构电池可能是全电动未来飞机或无人机的有力解决方案。对于飞行器而言，功率重量比是决定燃油效率的最重要因素之一。可燃燃料的高能量密度（44kJ g1）非常适合在起飞和剧烈机动过程中产生大量推力的需求。目前最佳的串联电池仅提供 2kJ gm1的能量密度，因此必须显著减轻飞机的整体重量。起飞所需的额外推力可由多功能超级电容器提供。分布式能量采集单元还可延长飞行器的飞行时间。例如，阳光动力飞机（图8j）使用了超过17000个硅太阳能模块，每天可收集 340KWh的能量，[131]使其能够完成长达26小时的飞行。处理如此巨大的电能所带来的一个缺点是电池过热。[132]由于电池的散热能力取决于其暴露表面积，因此分布式能源也可能成为飞行器的救星。

另一个可以从分布式能源中受益的领域是群体机器人。群体机器人受动物群行为启发，通过多个独立单元协同工作以完成特定任务。多个独立的功能单元可根据任务需要进行组装或拆卸。在这些类型机器人的大多数应用中，运行连续性并非至关重要。然而，通过依赖群体内部相互分配的电力，机器人可以获得协同工作的机会。为了提高群体的可靠性，其中一部分机器人可专门作为关键任务单元的充电单元。类似于群体机器人，微/纳米机器人可以协同工作，用于生物医学应用，例如精准药物递送、[133]破坏肿瘤/癌细胞[134]或检测并修复内脏器官等部位的损伤。[133]目前大多数纳米机器人是外部供能的，即通过磁力或超声波源无线供电（图11）。

它们的能量密度有限，难以高效完成检测和修复任务，因此必须配备机载/本地电源单元，而非采用无线电力传输方式。[136]这些需求可通过亚微米级能量装置（如生物燃料电池）[137]和微型储能装置（MESDs）[48]来满足。其他方法包括机器人利用环境中基于氧化还原反应的化学能，以及与生物混合结构的集成（图11）。

5.3. 电池/超级电容器可回收性与生物降解性的挑战

尽管分布式能源架构在满足未来自主机器人能量需求方面具有显著优势，但随着机器人数量持续增加，电池使用量也不断上升，这引发了人们对环境可持续性的担忧。这主要是由于目前缺乏足够有效的方法来处理大多数高能量密度设备中的有毒化学品。鉴于此，可持续性必须成为设计与开发各个阶段的考量标准，同时可采用生物相容性和可生物降解材料用于能量存储与收集。[22,82,93,138]图10g展示了一个示例，其中呈现了一种天然黄麻纤维超级电容器以及基于黄麻纤维的温湿度传感器。[22]该超级电容器采用(PEDOT:PSS)/单壁碳纳米管电极、纤维素基隔膜以及羟乙基纤维素氯化钾凝胶电解质，其能量密度和功率密度分别为0.712 μWh cm1和3.85 μW cm1。该超级电容器可为基于黄麻纤维的湿度和温度传感器供电。完全转向环保型能源装置并非一朝一夕即可完成的任务，需要长时间的努力以及社区的广泛参与，而这种参与往往进展缓慢。鉴于此，必须探索其他替代方案，例如电池再利用。例如，来自高性能电动汽车系统的旧电池可以被重新用作小型风力涡轮机或太阳能电池的储能单元。[139]类似地，目前已有多种燃料电池与电池/超级电容器的混合系统可用于标准应用，尤其是在汽车行业。

6. 结论

机器人的自主性与能源可用性密切相关。在这方面，我们试图深入研究机器人领域在能量方面的进展，特别是以生物系统为灵感来实现分布式能源分配的目标。最近的报告显示，先进人形机器人的能量需求约为50–100瓦时。这些需求通常与电池、超级电容器以及太阳能电池等能量收集器相匹配。通过采用太阳能电池进行全身分布式的能量收集，可实现约100瓦的能量生成。相应的性能指标非常令人鼓舞，为开发自持式机器人平台提供了巨大机遇，尤其适用于需要延长运行时间且无法或几乎无法接入市电供应的应用场景。同时，能量存储和能量收集仍需进一步提升，以满足高功率诸如关节执行器等耗电部件。在开发有效平台时，有几个关键点必须考虑，包括分布式储能和充足电力的生成，以及良好的电源管理。在应对这些科学与工程挑战的同时，我们也可能面临机遇。例如，探索能量分布的方法可能会简化机器人本体的设计，并利用该设计开发虚拟平台，从而在实际系统开发之前模拟其性能。这可以为开发以应用为中心的解决方案提供途径。此外，分布式能源总体上也有助于可穿戴系统以及用于精准医疗的微/纳米机器人集群的研究。我们相信，分布式能源系统凭借其高柔性、可获得性和环保性等优势特征，将成为下一代真正安全、高效率且自给自足的机器人系统中不可或缺的重要组成部分。