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經濟日報:髮絲微電池 打造超小型機器人

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科技產業資訊室 - 林倞 發表於 2015年7月20日
我們的有生之年將要看到微型機器人滿街跑!30年前,你無法想像上班族的工作全仰賴個人電腦;20年前,你無法想像開車不需踩離合器(今天的你甚至可以不知道離合器是什麼);10年前,你無法想像人手一支智慧型手機的盛況。而整合今日已知的科技,又將為我們的世界帶來什麼景象?

以2014年的卡通大英雄天團(Big Hero 6)為例,十年之內,我們可能會看到微型機器人microbots滿街跑!一整群數以萬計、指甲大小的microbots利用磁力結合成任何你想像得到的形狀,可以作為肢障者甚至一般人的強力四肢,或像卡通裡的高速怪手,十秒內蓋出一棟房子,讓不可思議的建設速度變得稀鬆平常。真實世界裡,實現microbots所需要的重要科技:微型電池,已經蓄勢待發。哈佛大學的學者告訴我們,可以利用3D列印技術快速做出「頭髮大小」的鋰電池。今天就讓我們帶領讀者們看看卡通裡的想像其實離我們多麼近。

哈佛大學的學者利用直徑相當於人類頭髮三分之一(30微米)的噴頭,列印出形狀規則的梳子狀鋰電池電極;要做出這麼小的梳子狀鋰電池電極,科學家們要經過不斷嘗試才能找到不會因為充放電或熱脹冷縮而脫落變形,同時又能以「牙膏」形式進行材料本身、空隙都在頭髮尺度下3D列印的正負極材料;這不像卡通要畫多小就多小那麼容易。如圖所示,科學家們首先利用電子束蒸鍍和印刷技術在玻璃上形成薄薄一對梳子狀電流收集片,接著在電流收集片上分別利用含有鈦酸鋰(Li4Ti5O12)和磷酸鋰鐵(LiFePO4)的牙膏狀墨水3D列印出8層負極和正極,接著在鈍氣環境下600度燒結、放入容器中灌進電解液,微型鋰電池便大功告成。

附帶一提,如何替上萬個microbots充電?2007年麻省理工學院Marin Soljačić教授團隊所發明的磁共振式無線充電技術將革命性地改變人類的用電習慣。無線充電本身算是上個世紀末90年代就已成熟的老技術,它應用在包括歐樂B的電動牙刷等產品上;沒能夠普及的原因包括充電距離過短(小於數公分)、充電效率差等。

從Soljačić教授創立的公司Witricity在TED的展示中可以看到,Witricity的技術已經能夠對人體無害地讓一個電源同時替方圓兩公尺內的所有電器發電或充電,小到3號AA電池,大到液晶電視、汽車,電流傳送效率高達98.5%。這意味著都會區或室內再也看不到插座,所有電器再也不需要特地充電,電量低的時候3C產品就算藏在口袋裡也會自動充電。當我們回頭看大英雄天團,隨著磁共振式無線充電技術的進一步發展。或許有一天,替一萬個microbots充電時,將不需要任何一根電線。

人類對微小機器人的想像,並不是從2014年的大英雄天團開始,而從1987年驚異大奇航(Innerspace)裡用來暢遊人體內部世界的縮小潛艇,到2004年機械公敵(I,Robot)用來銷毀人工智慧的奈米蟲,不斷預告著微小機器人時代的來臨。就像驚異大奇航裡的情境一樣,不論是透過物理性的微觀手術或化學性的標靶式定點釋放藥物,現實生活中的微小機器人也將使人類的醫學大躍進。按照新加坡產業分析公司Canalys的統計,2013年全球3D列印技術相關的市場交易金額達到750億新台幣,並會以45.7%複合年成長率成長,預計在2018年將達4,900億新台幣,相當於9座101的造價。而3D列印微型鋰電池會造就什麼樣的景象?就讓我們繼續看下去。

圖一、3D列印微型燃料電池示意圖

(本文刊登於經濟日報2015/07/12)

 
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