Роботы умирают раньше, чем начинают работать — как их накормить, чтобы не оставаться без сил

В современном мире роботы уже способны выполнять сложнейшие задачи: ходить, лазить, переносить грузы и даже помогать в спасательных операциях. Например, в этом году один из них пробежал полумарафон в Пекине за менее чем 2 часа 40 минут. Для сравнения — победитель среди человека сделал это за чуть больше часа. Несмотря на впечатляющие показатели по скорости, у роботов есть одна критическая проблема — их энергия заканчивается значительно раньше, чем они успевают выполнить все запланированные задачи. И хотя прогресс в области батарей и аккумуляторов делает шаги к улучшению автономности, реальные достижения пока что далеки от уровня живых существ.

Текущие возможности и ограничения роботов по энергии

Современные мобильные роботы, такие как Boston Dynamics' Spot или Atlas, демонстрируют потрясающую манёвренность и точность движений. Благодаря многолетним исследованиям в области биомеханики, моторики и управления механизмами, их шаги и движения в некоторых случаях превосходят по эффективности мышцы животных. Однако из-за ограниченной емкости аккумуляторов — в основном литий-ионных батарей — их время работы невелико.

Классическая батарея, которой оснащены большинство роботов, — это литий-ионный аккумулятор, аналогичный используемым в смартфонах или электромобилях. Но производительность этих батарей растет медленно — примерно на 7% за год. В результате, чтобы значительно увеличить время работы робота, потребуется более чем десятилетие инвестиций в улучшение энергетической емкости батарей. В реальности, этого недостаточно для выполнения задач, требующих длительной автономности.

Дабы понять масштаб проблемы, сравним энергоемкость — у животных, например, у ездовой собаки или медведя — она достигает около 9 кВтч на килограмм. Это примерно в 35 раз больше, чем у современных литий-ионных батарей (около 0,25 кВтч/кг). В результате, чтобы робот вроде Spot функционировал так же долго, его батарея должна иметь в десятки раз большую емкость — что физически сложно реализовать из-за веса и стоимости.

Это особенно критично в условиях экстремальных задач — в зонах бедствий, на труднодоступных территориях или на длительных миссиях — там, где доступ к электросетям или возможностям быстрой замены батарей отсутствует. Увеличение количества аккумуляторов тоже не всегда выход — дополнительные батареи добавляют массу, что увеличивает энергозатраты на движение и снижает общую эффективность.

Почему развитие батарей — не единственное решение?

Стоит признать, что новые химические составы аккумуляторов, такие как литий-сульфур или металло-воздушные системы, демонстрируют высокие показатели энергии. Некоторые из них даже приближаются к характеристикам жировых запасов животных. Однако у этих систем есть свои ограничения: трудности с перезарядкой, снижение эффективности с течением времени и сложности в внедрении в промышленные системы.

Концепция быстрого заряда помогает сокращать время простоя — некоторые новые аккумуляторы способны заряжаться за считанные минуты. Но и в этом случае остаются проблемы — увеличение тепловых нагрузок, износ аккумуляторов, необходимость мощной зарядной инфраструктуры. А в условиях отсутствия электросетей и необходимости длительных автономных операций, даже быстрая зарядка не решает основные вопросы.

Именно поэтому исследователи рассматривают альтернативные подходы — так называемое «заправление» роботов химическими или металлургическими топливами, аналогично тому, как животные питаются, чтобы получить энергию. Такой способ может стать прорывом, позволяющим обходить ограничения традиционных аккумуляторов.

Идея "роботизированного метаболизма": еда для машин

В природе у животных нет ограничения по времени работы — они питаются, перерабатывают энергию и продолжают жить. Этот принцип называется «метаболизм». Если бы роботы могли «есть», перерабатывать энергию из высокоэнергетических материалов, они получили бы беспрецедентную автономность.

Роботы могут научиться «переваривать» металлы или химические топлива, подобно тому, как живые существа перерабатывают пищу в энергию. Это откроет новые горизонты для длительных миссий и работы в экстремальных условиях.

Например, исследования уже показывают, что системы, подобные «желудкам» роботов, могут преобразовывать алюминий или другие металлы в электроэнергию посредством химических реакций. Представьте робота, который, по мере износа своих частей или накапливая запасы, «жует» металлические пластины или химические смеси, превращая их в необходимую энергию для движения и работы.

Ещё один пример — создание «кровеносной» системы на базе жидкостей, которая циркулирует по телу робота, выполняя функции теплообмена, доставки веществ и регенерации. Такой подход уже успешно опробован в экспериментальных образцах — например, роботах, имитирующих рыбу. Вместо стандартных литий-ионных аккумуляторов использовалась многофункциональная жидкость, увеличившая энергоемкость в 16 раз, что фактически равно 16 годам работы на батареях.

Преимущества и возможности синтетического метаболизма

Эта новая концепция обладает рядом преимуществ:

• Длительная автономность — роботы могут работать без перерывов, «переваривая» материалы по мере необходимости.
• Улучшенная устойчивость — возможность накапливать энергию внутри тела, а не только в аккумуляторных модулях.
• Адаптивность — робот сможет управлять запасами энергии, регулируя расход в зависимости от ситуации.

К тому же, синтетический метаболизм может способствовать развитию самовосстановления — например, за счет переработки поврежденных частей или использования «запасов» энергии для быстрого ремонта.

Что ждёт будущее роботов и их энергетических систем?

Реальные разработки показывают, что следующие поколения роботов смогут использовать химические топлива или металлы не только для хранения энергии, но и для регуляции температуры, восстановления повреждений и даже производства новых компонентов. В перспективе роботы могут стать более самостоятельными, живыми и устойчивыми.

Ключ к успеху — объединение высокой энергоэффективности механических систем с инновационными био- и химическими методами получения энергии. В будущем, возможно, роботы будут «жрать» металл и химические соединения, подобно тому, как это делают животные и растения, что позволит им существовать в условиях, где нынешние аккумуляторы не справляются.

Заключение

Текущие решения по увеличению автономности роботов основываются в основном на совершенствовании батарей. Однако полноценное решение — это создание систем, которые смогут «есть» и «переваривать» материалы для получения энергии. Совмещение биомиметики, химии и робототехники откроет новые горизонты для автономных роботов — они смогут работать долго и устойчиво в самых сложных условиях. Время, когда роботы устали или остановились из-за нехватки энергии, уходит в прошлое. Новая эра роботизированных систем сделает их более живыми, адаптивными и способными к длительной работе, что кардинально изменит наше представление о возможностях машин.