作者：秦坤 | 中国科学院大学
培养单位：中国科学院物理研究所
审核：索鎏敏 研究员 | 中国科学院物理研究所
不久前的机器人马拉松比赛大家看到了吗，想象未来有一天硅基生物回望这一历史性的时刻，或许会无奈地感叹：“没想到，机器人最初的瓶颈竟然是电池续航问题！”
图源：北京亦庄微信公众号
看来，机器人马拉松考验的不仅是操控性能，续航能力也很关键。机器人要彻底替代人类，怎么能没有充足的能源呢？
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机器人也有“续航焦虑”
现在市面上的人形机器人续航通常只有2小时左右。试想有一天，你买的机器人做饭1小时，扫地拖地30分钟，就在洗碗时突然“不支棱”了，碎碗满地不说，你还要费劲把它搬去充电。与其说是续航焦虑，小编更愿意戏称之为“支棱焦虑”。
以特斯拉的人形机器人Optimus为例，其电池容量达2.3kWh。如果换算成常用的5号碱性电池（1.5V，单个容量约2.3Ah），需要约660节，总重约16kg。而使用21700型号锂离子电池（5Ah，3.6V），则仅需130节，总重量约为9kg。由此可见，锂离子电池的质量能量密度（Wh/kg）几乎是干电池的近两倍。目前商业化锂离子电池的质量能量密度普遍在150-260Wh/kg之间，这就是机器人更倾向使用锂电池的原因。
特斯拉机器人的参数来源：Tesla
我们在网上看到的机器人表演后空翻，看似轻巧，实则背后对电池性能有着极高要求——瞬间放电倍率甚至可达到50C，这相当于普通电池日常使用放电倍率的100倍以上。但即便如此，目前机器人的日常续航仍只有2小时左右，远无法满足未来更复杂的任务需求（一般复杂任务需达到5C以上放电倍率）。
机器人翻跟头来源：unitree.com
机器人的能耗主要来自机械运动，尤其是垂直方向的举升和剧烈加速动作能耗最高，比如“后空翻”，其短时间内的功率需求巨大。电池太重，会大大降低机器人的灵活性；电池容量不足，则限制了机器人的实际使用范围。未来的研究方向包括：一是提升电池的能量密度，二是利用机器人自身结构分布式储能。也就是让单个电池存储的能量更多和用更多电池存储更多能量的区别。
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能量密度：电池革命的关键
能量密度，即单位质量电池能存储的能量，决定了机器人能否长时间运行甚至胜任更多复杂任务。近年来，科学家们正积极研究下一代电池技术，比如固态电池、锂硫电池和锂空气电池等。
固态电池是指用固态电解质替代传统锂离子电池的液态电解质，解决了金属锂在负极应用中的安全性问题，其能量密度可高达500Wh/kg。
不同类型电池的能量密度来源：nature.com
而锂空气电池则更进一步，理论质量能量密度甚至能达到1000Wh/kg以上，这意味着机器人可以长时间运行而不频繁充电。锂空气电池工作原理非常独特：空气中的氧气与锂原子反应生成超氧化锂（LiO）或过氧化锂（LiO）。然而，锂空气电池仍面临诸多技术挑战，例如反应产物在电池中积累后对电池性能的负面影响，目前仍停留在实验室研发阶段。
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穿在身上的能源：仿生结构电池
除了单纯提高电池能量密度外，科学家们还另辟蹊径，提出了多功能结构电池的概念——将电池“穿”在机器人身上，甚至直接成为机器人躯体的一部分。这样，机器人身上任何位置都可以作为储能单元，极大地增加了机器人可携带的能量。
将仿生结构电池应用于机器人来源：science.org
研究人员开发出了一种柔性锌空气电池，类似于衣服，可以与机器人甚至昆虫外壳结合。这种仿生结构电池，不仅提供能源，还帮助机器人行走和平衡，实现真正的“一衣多用”。
这种分布式能源架构非常接近人体结构：人体能量分布在脂肪（长期能量储备）、肌肉中的糖原（短期快速供能）以及线粒体ATP（三磷酸腺苷，极短期瞬时供能）三种形式之中。如果机器人也采用类似的多元储能系统，就能更好地满足复杂任务需求。
人体内和人形机器人的分布式能源架构对比图。来源：wiley.com
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电池之外的能源新势力
人形机器人需要电池来提供能够平稳运行或慢走的大部分能量，面对高强度短时需求，锂电池往往无能为力，于是超级电容器成为了重要的辅助设备。超级电容器虽然能量密度低于锂电池，但其能够快速大电流放电，满足机器人瞬时的功率需求。
锂离子电池和超级电容器的储能特性来源：sciencedirect.com
此外，想象一下机器人在偏远山区执行任务，电量耗尽却找不到充电桩的窘境，那么就只能从环境中不断地收集能量。为此，科学家开始关注环境能量收集技术。纳米摩擦发电机可将振动机械能转为电能，柔性太阳能电池则利用太阳光发电。这又进一步拓展了机器人的可利用能量，相当于之前的方案是把能源携带在身上，现在的方案是把能源存在整个空间中。
还有一种微生物燃料电池（MFC）——通过特殊的电活性微生物代谢有机物质产生电子，进而生成电能。
生物质发电示意图来源：wiley.com
在微生物燃料电池中，微生物在阳极厌氧分解有机物产生电子，电子通过外部电路传递至阴极，质子通过溶液或膜迁移，与电子在阴极区结合氧气生成水，完成电路并释放电能。这意味着机器人未来或许真的能够“靠吃饭”充电！
微生物燃料电池及其原理来源：知乎@无心
综上所述，机器人想要真正步入智能化时代，必须同时解决能源问题，否则再厉害的机器人也“支棱”不起来。希望未来的机器人，不再被电池束缚，自由地完成更多人类期望的任务，实现真正的机器人革命。
参考文献
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[5]深圳众擎实现全球首例人形机器人前空翻，这一操作机器人实现起来难吗？需要攻克哪些技术难题？- 旷野的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/13205823990/answer/109801018385
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[10] https://www.unitree.com/cn/h1
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