作者：秦坤 | 中國科學院大學 培養單位：中國科學院物理研究所 審核：索鎏敏 研究員 | 中國科學院物理研究所

不久前的機器人馬拉松比賽大家看到了嗎，想象未來有一天硅基生物回望這一歷史性的時刻，或許會無奈地感嘆：“沒想到，機器人最初的瓶頸竟然是電池續航問題！”

圖源：北京亦莊微信公眾號

看來，機器人馬拉松考驗的不僅是操控性能，續航能力也很關鍵。機器人要徹底替代人類，怎么能沒有充足的能源呢？

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機器人也有“續航焦慮”

現在市面上的人形機器人續航通常只有2小時左右。試想有一天，你買的機器人做飯1小時，掃地拖地30分鐘，就在洗碗時突然“不支棱”了，碎碗滿地不說，你還要費勁把它搬去充電。與其說是續航焦慮，小編更愿意戲稱之為“支棱焦慮”。

以特斯拉的人形機器人Optimus為例，其電池容量達2.3kWh。如果換算成常用的5號堿性電池（1.5V，單個容量約2.3Ah），需要約660節，總重約16kg。而使用21700型號鋰離子電池（5Ah，3.6V），則僅需130節，總重量約為9kg。由此可見，鋰離子電池的質量能量密度（Wh/kg）幾乎是干電池的近兩倍。目前商業化鋰離子電池的質量能量密度普遍在150-260Wh/kg之間，這就是機器人更傾向使用鋰電池的原因。

特斯拉機器人的參數來源：Tesla

我們在網上看到的機器人表演后空翻，看似輕巧，實則背后對電池性能有著極高要求——瞬間放電倍率甚至可達到50C，這相當于普通電池日常使用放電倍率的100倍以上。但即便如此，目前機器人的日常續航仍只有2小時左右，遠無法滿足未來更復雜的任務需求（一般復雜任務需達到5C以上放電倍率）。

機器人翻跟頭來源：unitree.com

機器人的能耗主要來自機械運動，尤其是垂直方向的舉升和劇烈加速動作能耗最高，比如“后空翻”，其短時間內的功率需求巨大。電池太重，會大大降低機器人的靈活性；電池容量不足，則限制了機器人的實際使用范圍。未來的研究方向包括：一是提升電池的能量密度，二是利用機器人自身結構分布式儲能。也就是讓單個電池存儲的能量更多和用更多電池存儲更多能量的區別。

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能量密度：電池革命的關鍵

能量密度，即單位質量電池能存儲的能量，決定了機器人能否長時間運行甚至勝任更多復雜任務。近年來，科學家們正積極研究下一代電池技術，比如固態電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等。

固態電池是指用固態電解質替代傳統鋰離子電池的液態電解質，解決了金屬鋰在負極應用中的安全性問題，其能量密度可高達500Wh/kg。

不同類型電池的能量密度來源：nature.com

而鋰空氣電池則更進一步，理論質量能量密度甚至能達到1000Wh/kg以上，這意味著機器人可以長時間運行而不頻繁充電。鋰空氣電池工作原理非常獨特：空氣中的氧氣與鋰原子反應生成超氧化鋰（LiO?）或過氧化鋰（Li?O?）。然而，鋰空氣電池仍面臨諸多技術挑戰，例如反應產物在電池中積累后對電池性能的負面影響，目前仍停留在實驗室研發階段。

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穿在身上的能源：仿生結構電池

除了單純提高電池能量密度外，科學家們還另辟蹊徑，提出了多功能結構電池的概念——將電池“穿”在機器人身上，甚至直接成為機器人軀體的一部分。這樣，機器人身上任何位置都可以作為儲能單元，極大地增加了機器人可攜帶的能量。

將仿生結構電池應用于機器人來源：

研究人員開發出了一種柔性鋅空氣電池，類似于衣服，可以與機器人甚至昆蟲外殼結合。這種仿生結構電池，不僅提供能源，還幫助機器人行走和平衡，實現真正的“一衣多用”。

這種分布式能源架構非常接近人體結構：人體能量分布在脂肪（長期能量儲備）、肌肉中的糖原（短期快速供能）以及線粒體ATP（三磷酸腺苷，極短期瞬時供能）三種形式之中。如果機器人也采用類似的多元儲能系統，就能更好地滿足復雜任務需求。

人體內和人形機器人的分布式能源架構對比圖。來源：wiley.com

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電池之外的能源新勢力

人形機器人需要電池來提供能夠平穩運行或慢走的大部分能量，面對高強度短時需求，鋰電池往往無能為力，于是超級電容器成為了重要的輔助設備。超級電容器雖然能量密度低于鋰電池，但其能夠快速大電流放電，滿足機器人瞬時的功率需求。

鋰離子電池和超級電容器的儲能特性來源：sciencedirect.com

此外，想象一下機器人在偏遠山區執行任務，電量耗盡卻找不到充電樁的窘境，那么就只能從環境中不斷地收集能量。為此，科學家開始關注環境能量收集技術。納米摩擦發電機可將振動機械能轉為電能，柔性太陽能電池則利用太陽光發電。這又進一步拓展了機器人的可利用能量，相當于之前的方案是把能源攜帶在身上，現在的方案是把能源存在整個空間中。

還有一種微生物燃料電池（MFC）——通過特殊的電活性微生物代謝有機物質產生電子，進而生成電能。

生物質發電示意圖來源：wiley.com

在微生物燃料電池中，微生物在陽極厭氧分解有機物產生電子，電子通過外部電路傳遞至陰極，質子通過溶液或膜遷移，與電子在陰極區結合氧氣生成水，完成電路并釋放電能。這意味著機器人未來或許真的能夠“靠吃飯”充電！

微生物燃料電池及其原理來源：知乎@無心

綜上所述，機器人想要真正步入智能化時代，必須同時解決能源問題，否則再厲害的機器人也“支棱”不起來。希望未來的機器人，不再被電池束縛，自由地完成更多人類期望的任務，實現真正的機器人革命。

參考文獻

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[5]深圳眾擎實現全球首例人形機器人前空翻，這一操作機器人實現起來難嗎？需要攻克哪些技術難題？- 曠野的回答 - 知乎

https://www.zhihu.com/question/13205823990/answer/109801018385

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