Desarrollo de circuito autosostenible permitirá que microdrones vuelen más tiempo con baterías ligeras
Investigadores desarrollan un circuito autosostenible que optimiza el uso de baterías, permitiendo a microdrones volar más tiempo y con menor peso.
Un innovador diseño de circuito podría permitir que dispositivos miniatura, como microdrones y otros microrobots, sean alimentados durante períodos más prolongados, manteniendo un peso ligero y compacto. Investigadores de la Universidad de California en San Diego y CEA-Leti han desarrollado una nueva configuración de circuito autosostenible que incluye baterías miniaturizadas de estado sólido, combinando una alta densidad de energía con un diseño ultraligero.
Una de las aplicaciones más relevantes que se prevén para los microdrones es su capacidad de asistir a los primeros respondientes en situaciones de desastre. Por ejemplo, cuando un edificio colapsa, los robots actuales pueden ser demasiado grandes para maniobrar en los espacios reducidos resultantes. Sin embargo, un enjambre de pequeños drones con alas, tan diminutos que uno puede reposar sobre una uña, podría ingresar a esos espacios angostos para inspeccionar el edificio en busca de peligros químicos o incluso para buscar a personas atrapadas.
El dilema de diseño, sin embargo, radica en que estos dispositivos necesitan una fuente de energía duradera para poder volar el tiempo suficiente. Debido a su tamaño, que es de solo unos gramos, cargar con una batería grande se convierte en algo impráctico. Como resultado, los microdrones actuales solo pueden volar durante unos minutos. "Para maximizar el tiempo de vuelo, es necesario minimizar el peso de todos los componentes del sistema, incluida la batería y toda la electrónica necesaria para procesar la energía", explicó Patrick Mercier, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la UC San Diego.
La mayoría de los microrobots utilizan microactuadores piezoeléctricos para moverse, que traducen una señal eléctrica en un movimiento físico controlado de manera precisa. Sin embargo, estos microactuadores requieren voltajes altos para funcionar, que pueden ser de decenas a cientos de volts, mientras que las baterías de iones de litio de hoy en día solo proporcionan 4 volts. Elevar el voltaje generalmente requiere inductores o capacitores voluminosos, que añaden peso y volumen significativo, haciéndolos poco óptimos para dispositivos tan pequeños.
Por lo tanto, Mercier y su equipo decidieron alejarse de las baterías pequeñas convencionales hacia opciones más compactas y ligeras. "El avance en nuestro enfoque proviene de la utilización de baterías de estado sólido emergentes, que poseen la capacidad única de reducir su tamaño sin sacrificar la densidad de energía", señaló Gaël Pillonnet, director científico de la División de Componentes de Silicio de CEA-Leti.
En lugar de tener una batería más grande, el equipo cortó la misma batería en 10, 20 o más unidades individuales, manteniendo la misma densidad de energía. Con estas baterías divididas, se construyó un circuito funcionando con una configuración llamada batería voladora, que permite al sistema cambiar dinámicamente cómo se conectan las unidades de batería individuales, adaptándose en tiempo real a las necesidades energéticas cambiantes.
Las baterías pueden conectarse en serie, sumando los voltajes de las baterías individuales, o en paralelo, aumentando la capacidad total de energía mientras el voltaje permanece constante. Por ejemplo, cuando el dron necesita un voltaje mayor para operar su microactuador, el sistema conecta dinámicamente las baterías en serie hasta alcanzar el voltaje requerido. Cuando se necesita menos potencia, las baterías pueden reorganizarse en paralelo para optimizar la eficiencia del almacenamiento de energía.
Este cambio entre configuraciones en serie y en paralelo ocurre en decenas de milisegundos, sin el peso de componentes pasivos adicionales. Además, el sistema incorpora un proceso de recuperación de energía, en parte gracias a la naturaleza recargable de las baterías de estado sólido y a la capacidad del microactuador para funcionar como un condensador. El microactuador se carga a un alto voltaje para actuar y luego descarga esa energía de nuevo en las baterías, recargándolas mediante un proceso de desagregación gradual y eficiente.
Utilizando 18 unidades de batería de una batería de estado sólido comercial disponible, el sistema generó hasta 56.1 voltios y funcionó continuamente durante más de 50 horas, todo con un peso total de solo 1.8 gramos. Se lograron resultados aún mejores con baterías de estado sólido más pequeñas, desarrolladas a medida en CEA-Leti, que tienen una mayor densidad de energía. Utilizando estas baterías, el peso del sistema se redujo a apenas 14 miligramos.
El próximo paso será probar el sistema de propulsión en un microrobot real. A partir de ahí, el equipo continuará optimizando las baterías de estado sólido y buscará lograr salidas de voltaje aún más altas.