Plus tôt cette année, un robot a terminé un demi-marathon à Pékin en un peu moins de 2 heures et 40 minutes. C’est plus lent que le gagnant humain, qui a réussi un peu plus d’une heure – mais c’est toujours un exploit remarquable. De nombreux coureurs récréatifs seraient fiers de cette époque. Le robot a gardé son rythme sur plus de 13 miles (21 kilomètres).
Mais cela ne l’a pas fait sur une seule charge. En cours de route, le robot a dû s’arrêter et faire échanger ses batteries trois fois. Ce détail, bien que facile à ignorer, en dit long sur un défi plus profond en robotique: l’énergie.
Les robots modernes peuvent se déplacer avec une agilité incroyable, imitant la locomotion animale et exécuter des tâches complexes avec une précision mécanique. À bien des égards, ils rivalisent avec la biologie de la coordination et de l’efficacité. Mais en ce qui concerne l’endurance, les robots échouent toujours. Ils ne se lassent pas d’effort – ils manquent simplement de pouvoir.
En tant que chercheur en robotique Axé sur les systèmes énergétiques, j’étudie de près ce défi. Comment les chercheurs peuvent-ils donner aux robots la puissance des créatures vivantes – et pourquoi sommes-nous Toujours si loin de cet objectif? Bien que la plupart des recherches en robotique sur le problème énergétique se soient concentrées sur de meilleures batteries, il y a une autre possibilité: construire des robots qui mangent.
Les robots se déplacent bien mais manquent de vapeur
Les robots modernes sont remarquablement bons pour bouger. Grâce à des décennies de recherche en biomécanique, contrôle moteur et actionnement, des machines telles que le spot de Boston Dynamics et l’atlas peuvent marcher, courir et grimper avec une agilité qui semblait autrefois hors de portée. Dans certains cas, leurs moteurs sont encore plus efficaces que les muscles animaux.
Mais l’endurance est une autre affaire. Le spot, par exemple, peut fonctionner pour Juste 90 minutes sur une charge complète. Après cela, il a besoin de près d’une heure pour se recharger. Ces temps d’exécution sont loin des quarts de huit à 12 heures attendus des travailleurs humains – ou de l’endurance de plusieurs jours de chiens de traîneau.
Le problème n’est pas ainsi que les robots se déplacent – c’est ainsi qu’ils stockent l’énergie. La plupart des robots mobiles utilisent aujourd’hui les batteries lithium-ion, le même type que l’on trouve dans les smartphones et les voitures électriques. Ces batteries sont fiables et largement disponibles, mais leurs performances s’améliorent à un rythme lent: chaque année, les nouvelles batteries lithium-ion sont environ 7% meilleures que la génération précédente. À ce rythme, il faudrait une décennie complète pour simplement doubler le temps d’exécution d’un robot.
Surveiller
Les animaux stockent l’énergie en graisse, qui est extraordinairement dense de l’énergie: près de 9 kilowattheures par kilogramme. Cela représente environ 68 kWh au total dans un chien de traîneau, similaire à l’énergie dans une Tesla modèle 3 entièrement chargée. Les batteries lithium-ion, en revanche, stockent juste une fraction de cela, environ 0,25 kilowattheures par kilogramme. Même avec des moteurs très efficaces, un robot comme Spot aurait besoin d’une batterie des dizaines de fois plus puissante que celle d’aujourd’hui pour correspondre à l’endurance d’un chien de traîneau.
Et la recharge n’est pas toujours une option. Dans les zones de catastrophe, les champs éloignés ou les missions de longue durée, une prise murale ou une batterie de rechange pourrait être nulle part en vue.
Dans certains cas, les concepteurs de robots peuvent ajouter plus de batteries. Mais plus de batteries signifient plus de poids, ce qui augmente l’énergie nécessaire pour se déplacer. Dans les robots très mobiles, il existe un solde minutieux entre la charge utile, les performances et l’endurance. Pour Placepar exemple, la batterie représente déjà 16% de son poids.
Certains robots ont utilisé panneaux solaireset en théorie, ceux-ci pourraient s’étendre, en particulier pour les tâches de faible puissance ou dans des environnements brillants et ensoleillés. Mais dans la pratique, l’énergie solaire offre très peu de puissance par rapport à ce dont les robots mobiles ont besoin pour marcher, courir ou voler à des vitesses pratiques. C’est pourquoi la récolte d’énergie comme les panneaux solaires reste une solution de niche aujourd’hui, mieux adaptée aux robots stationnaires ou ultra-lobes.
Pourquoi ça compte
Ce ne sont pas seulement des limitations techniques. Ils définissent ce que les robots peuvent faire.
Un robot de sauvetage avec une batterie de 45 minutes pourrait ne pas durer assez longtemps pour effectuer une recherche. Un robot de ferme qui s’arrête à recharger chaque heure ne peut pas récolter les cultures à temps. Même dans les entrepôts ou les hôpitaux, les courtes prolongations ajoutent de la complexité et du coût.
Si les robots doivent jouer un rôle significatif dans la société aidant les personnes âgées, explorant des environnements dangereux et travaillant aux côtés des humains, ils ont besoin de l’endurance pour rester actif pendant des heures, pas des minutes.
Nouvelles chimies de batterie telles que lithium-sulfur et Air métallique Offrez un chemin plus prometteur à suivre. Ces systèmes ont des densités d’énergie théoriques beaucoup plus élevées que les cellules lithium-ion d’aujourd’hui. Certains niveaux d’approche observés dans la graisse animale. Lorsqu’ils sont associés à des actionneurs qui convertissent efficacement l’énergie électrique de la batterie en travaux mécaniques, ils pourraient permettre aux robots de correspondre ou même de dépasser l’endurance des animaux à faible graisse corporelle. Mais même ces batteries de nouvelle génération ont des limites. Beaucoup sont difficiles à recharger, se dégrader au fil du temps ou les obstacles en génie du visage dans les systèmes du monde réel.
La charge rapide peut aider à réduire les temps d’arrêt. Certaines batteries émergentes peuvent se recharger en quelques minutes plutôt qu’en heures. Mais il y a des compromis. La charge de charge rapide des souches de la batterie, augmente la chaleur et nécessite souvent une infrastructure de charge lourde et haute puissance. Même avec des améliorations, un robot à charge rapide doit encore s’arrêter fréquemment. Dans les environnements sans accès à la puissance du réseau, cela ne résout pas le problème de base de l’énergie intégrée limitée. C’est pourquoi les chercheurs explorent des alternatives telles que les robots de « ravitaillement » avec des carburants métalliques ou chimiques – un peu comme les animaux mangent – pour contourner complètement les limites de la charge électrique.
Une alternative: métabolisme robotique
Dans la nature, les animaux ne se rechargent pas, ils mangent. La nourriture est convertie en énergie par digestion, circulation et respiration. Les réserves de graisse sont cette énergie, le sang le déplace et les muscles l’utilisent. Les futurs robots pourraient suivre un plan similaire avec métabolismes synthétiques.
Certains chercheurs construisent des systèmes qui permettent aux robots métal « digest » ou combustibles chimiques et respirer l’oxygène. Par exemple, les réacteurs chimiques synthétiques et en forme de gastrique pourraient convertir des matériaux à haute énergie tels que l’aluminium en électricité.
Cela s’appuie sur les nombreuses avancées de l’autonomie des robots, où les robots peuvent sentir des objets dans une pièce et naviguer pour les cherchermais ici, ils ramasseraient des sources d’énergie.
D’autres chercheurs développent des systèmes d’énergie à base de liquide qui circulent comme du sang. Un premier exemple, un poisson robotiquetriplé sa densité d’énergie en utilisant un fluide multifonctionnel au lieu d’une batterie lithium-ion standard. Ce changement de conception unique a livré l’équivalent de 16 ans d’amélioration de la batterie, non pas par une nouvelle chimie mais par une approche plus bioinspire. Ces systèmes pourraient permettre aux robots de fonctionner pour des étirements beaucoup plus longs, tirant de l’énergie à partir de matériaux qui stockent beaucoup plus d’énergie que les batteries d’aujourd’hui.
Chez les animaux, le système énergétique fait plus que simplement fournir de l’énergie. Le sang aide à réguler la température, à délivrer des hormones, à lutter contre les infections et à réparer les blessures. Les métabolismes synthétiques pourraient faire de même. Les futurs robots peuvent gérer la chaleur à l’aide de fluides circulants ou se guérir en utilisant des matériaux stockés ou digérés. Au lieu d’une batterie centrale, l’énergie pourrait être stockée dans tout le corps dans les membres, les articulations et les composants doux et tissuelike.
Cette approche pourrait conduire à des machines qui ne sont pas simplement durables mais plus adaptables, résilientes et réalistes.
La ligne de fond
Les robots d’aujourd’hui peuvent sauter et sprinter comme des animaux, mais ils ne peuvent pas tenir la distance.
Leur corps est rapide, leur esprit s’améliore, mais leurs systèmes énergétiques n’ont pas rattrapé. Si les robots vont travailler aux côtés des humains de manière significative, nous devrons leur donner plus que l’intelligence et l’agilité. Nous devrons leur donner de l’endurance.
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