على الرغم من ظهور الروبوتات الطائرة الصغيرة في أفلام الخيال العلمي وبعض النظريات، إلا أن هذه الروبوتات الصغيرة، المُثقلة بالبطاريات والإلكترونيات، تواجه تحديات في قطع مسافات بعيدة في الواقع. ولكن، ابتكار جديد من الدوائر الإلكترونية وبطاريات الحالة الصلبة الخفيفة يُسمّى “بطاريات طائرة” قد يُمكّن هذه الروبوتات الصغيرة من الطيران لساعات طويلة، مما يُمدّها بالطاقة من خلال نظام يزن غرامات فقط! 🚀
تُعدّ الروبوتات المجهرية تقنيةً هامةً للبحث عن ضحايا تحت الأنقاض أو الاستطلاع في المواقف الخطرة. لكنها تُمثّل تحديًا هندسيًا كبيرًا، حسبما يقول باتريك ميرسييه، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو. وقد وصف طالب ميرسييه، زيكسياو لين، الدائرة الجديدة في مؤتمر ISSCC. يقول ميرسييه: “تحتاج هذه الروبوتات الصغيرة إلى العمل لفترة طويلة، والطريقة المثلى لذلك هي استخدام بطاريات الليثيوم أيون، لكنها تحتاج إلى جهد أعلى بكثير مما تقدمه هذه البطاريات”. 🔋
تُنتج خلية الليثيوم حوالي 4 فولت، بينما تحتاج محركات الروبوتات الصغيرة إلى عشرات أو مئات الفولتات. وقد طور الباحثون محولات لرفع الجهد، ولكن هذه المحولات تحتاج إلى مُحثّات كبيرة الحجم، مما يزيد من وزن الروبوت. 🤔
تُعدّ بطاريات الحالة الصلبة الجديدة، المُطورة في مختبر الإلكترونيات الوطني الفرنسي CEA-Leti، حلاً واعدًا. تُصنع هذه البطاريات من طبقة رقيقة من المواد، بما في ذلك أكسيد الكوبالت الليثيوم، ونيتريد الفوسفور الليثيوم، باستخدام تقنية أشباه الموصلات. يمكن تقطيع هذه الخلايا إلى خلايا صغيرة جدًا، حيث تُخزّن خلية بقياس 0.33 ملم مكعب و0.8 ملليغرام حوالي 20 ميكرو أمبير-ساعة من الشحنة، أو حوالي 60 أمبير-ساعة لكل لتر! 🤯 (تُنتج بطاريات الليثيوم-الأيون المشهورة أكثر من 100 أمبير-ساعة/لتر، لكنها أكبر بكثير!) شركة Inject Power، ناشئة من CEA-Leti، تستعد لبدء الإنتاج الضخم في أواخر عام 2026.
نظراً لقدرة بطاريات الحالة الصلبة على التقطيع إلى خلايا صغيرة، افترض الباحثون إمكانية الحصول على جهد كهربائي مرتفع باستخدام دائرة لا تحتاج إلى مكثفات أو ملفات تحث. بدلاً من ذلك، تُعيد الدائرة ترتيب الاتصالات بين العديد من البطاريات الصغيرة بتحويلها من التوصيل المتوازي إلى التسلسلي وبالعكس. 🔄
تخيل طائرة صغيرة تعمل بواسطة محرك كهربائي ضغطي، مُزوّدة بعشر بطاريات صغيرة صلبة. كل بطارية جزء من دائرة تتكون من أربعة ترانزستورات. تعمل هذه الترانزستورات كمحولات تُغيّر الاتصال بالبطاريات المجاورة ديناميكيًا بين التوصيل المتوازي والتسلسلي. 🔄
في البداية، تكون جميع البطاريات متصلة على التوازي، ثم تُعيد الدائرة المتكاملة، التي صممها فريق UCSD، فتح وإغلاق مُفاتيح الترانزستورات. يُعيد هذا ترتيب التوصيلات بين الخلايا بحيث تُوصل الخلايا بالتسلسل، مما يُجمع الشحن على المُنشّط، ويُطلق الروبوت. ثم تُعيد الدائرة العملية عكسًا، مُعيدًا توصيل البطاريات على التوازي. تبلغ مساحة الدائرة المتكاملة في “البطارية الطائرة” 2 ملليمتر مربع. 💡
لماذا لا نُوصِل كل بطارية في سلسلةٍ واحدةٍ دفعةً واحدة؟ بسبب الكفاءة. طالما أن التوصيلات تتمّ بترددٍ منخفض، فإنّ النظام يُشحن بشكلٍ مُعَادِيّ، مما يقلّل من خسائره من الطاقة. ويمكن استعادة بعض الطاقة المخزنة في المُنشّط الكهروضوئي، تمامًا كما هو الحال في الفرامل التجديدية للسيارات. 💪
اختبر الفريق أنواعًا من خلايا البطاريات الدقيقة – نسخة سراميكية بـ 1.5 فولت من TDK و تصميمًا مخصصًا بـ 4 فولت من CEA-Leti. أظهرت النتائج كثافة طاقة عالية. 📈
يخطط ميرسييه لاختبار النظام مع شركاء في مجال الروبوتات، بينما يعمل فريقه و CEA-Leti على تحسين تغليف نظام البطاريات، والتصغير، وغيرها. يقول ميرسييه: “الشحن المُعادِس مع استعادة الشحنة بدون مكونات سلبية يُعزّز وقت طيران الروبوتات الصغيرة”.