近日，力学与工程科学学院博士生在国际高水平期刊《Energy Storage Materials》（影响因子：20.4，中科院工程技术1区TOP）上发表了题为“Embodied, flexible, high-power-output, structural batteries for untethered, small-scale robots”的研究论文。博士生刘冠中为第一作者，上海大学力学与工程科学学院鲍垠桦副教授和北京理工大学方岱宁院士为通讯作者。
由于诸如环境监测、操纵和运输小型物体等工业应用的需求不断增加，轻质量、长续航的小型机器人的需求不断增长。因此，如何在质量及体积的限制下设计更高功能集成的结构组件具有重要的意义。这种多功能组件在生物系统中广泛存在，例如在人体中，脂肪不仅是一种用来储存能量的生物组织，而且还具有保护器官、维持温度和促进健康细胞功能等附加功能。在电池系统中，能够同时实现储能和承载功能的电池被叫做结构电池。然而，传统的结构电池难以实现大的变形和在动态环境下承载，这给柔性和可展开结构的机器人设计具身柔性能源带来了巨大的挑战。
有鉴于此，文章展示了一种结合柔性变形结构和能量存储/支撑功能的嵌入式柔性结构电池。该柔性结构电池能够集成到无绳小型机器人中，取代传统的结构承载部件或驱动器，同时为机器人提供全部动力。文章展示了柔性结构电池的两种应用场景:动态柔顺机构和静态可展开结构。对于动态柔顺机制，文章首先将类肌腱柔性结构电池组装在四足机器人中，肌腱的柔性关节为电池的柔性连接段，而肌腱的刚性部分类似于电池中厚的储能段。这种巧妙设计的柔性结构电池结合了能量存储和柔性可承载的功能，可以支持四足机器人平稳行走。同时，文章还制造了一个基于三浦折纸的气动软驱动器，展示了储能与驱动器的融合。这种柔性结构电池可以通过其自驱动气动装置控制三浦折纸管的收缩和伸展，从而实现线性和旋转推进。另一方面，对于静态可展开结构，文章在四轴飞行器中集成了可折叠的柔性结构电池。服役时，该电池可以扩展为十字形，代替原有的结构框架，可以提供足够的动力和支撑整体质量，提高整体的续航时间。同时，可折叠的设计也更利于飞行器的储存和运输。
本论文工作也得到了上海大学环化学院乔芸教授的合作支持，受到上海市扬帆计划，湖北隆中实验室和国家自然科学基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103021
