研究者らは、エネルギー需要のために生物学的な消化システムを模倣し、アメンボのように水上を移動できる、センサーを備えたロボット昆虫のプロトタイプを開発した。 2017年にDARPAは、「海水温、海の状態、位置などの環境データ、さらには商船、航空機、さらには海を移動する海洋哺乳類の活動に関するデータ」を収集することを目的とした数千の浮遊センサーを開発、配備する計画を提案した。
このプロジェクトは「Ocean of Things」と呼ばれており、その本質はモノのインターネットを通じて情報を収集する多数のセンサースマートデバイスに似ています。プロジェクトのページには、センサーデータが分析のために政府所有のクラウドストレージにアップロードされると記載されている。 「Ocean of Things」は軍事任務をサポートするほか、研究機関や商業団体にも利用できる。
ビンガムトン大学のソクフム・チョイ教授は、海軍研究局からの資金提供を受けて、このような装置の開発に10年以上取り組んできた。現在、チョイ氏と彼のチームは、太陽エネルギー、電気、熱などの一般的なエネルギーシステムではなく、搭載されたバクテリアを動力源として、水上を滑走できる小型の水中ロボットを開発した。
「私たちは、自立型ロボットが海洋環境から直接エネルギーを収集できるようにするためのさまざまな革新的な戦略を積極的に模索しています。これらの戦略には、太陽エネルギー、波や海流によって生成される運動エネルギー、塩水の浸透ポテンシャル、温度勾配、水分駆動エネルギーの利用が含まれます。」と研究チームは論文の中で述べています。
「これらのアプローチの革新的な性質にもかかわらず、海洋環境では光と機械エネルギーの利用可能性が変化しており、さらに塩分勾配、温度差、湿度による比較的低いエネルギー生成と相まって、重大な課題が生じています。これらの制限により、現在のエネルギーハーベスティング技術のみに依存して水中ロボットの信頼性の高い持続的な動作を保証することができなくなります。」
新しいシステムの発電所は、枯草菌と呼ばれる芽胞形成細菌を使用する微生物燃料電池を中心に構築されています。この微生物燃料電池は、触媒の還元酸化反応を通じて有機物を電気に変換する生物学的消化プロセスにヒントを得た小型発電機です。
「細菌にとって条件が良好な場合、細菌は無性細胞に変化してエネルギーを生成しますが、条件が不利な場合、たとえば非常に寒かったり、栄養素がなかったりすると、胞子に戻ります。これにより、動作寿命を延ばすことができます」とChoi氏は述べました。
燃料電池のアノードは、ポリピロールでコーティングされたカーボンクロスで作られています。この素材は、優れた導電性とバクテリアの増殖をサポートする能力によって選ばれています。電子受容性陰極もカーボンクロスですが、「酸素の還元を促進する触媒特性」から選ばれたポリピロールでコーティングされたプラチナで装飾されています。パズルの最後のピースは、選択的プロトン移動用の Nafion117 膜です。
統合されたパワーユニットは、隣接する疎水性表面と親水性表面も備えており、海水中の「有機マトリックス」の「一方向の流れ」を可能にして細菌の胞子に栄養を提供します。
単一の燃料電池デバイスの「最大電力密度は 135μWcm-2、開路電圧は 0.54V」でしたが、6 セルのアレイにスケールアップすると、観測された発電量はほぼ 1 ミリワットに達しました。この出力は全体的に比較的小さいかもしれませんが、プラットフォーム上部の小型 DC モーターとオンボード センサーには十分です。
研究者らは、「スムーズな水の動きを実現するために、ロボットはモーターの回転力を利用してプラットフォームに反力を与え、水自体に直接作用することなく水面を前方に押し出します。同時に、疎水性の性質が主な浮力の生成に役立ちます。また、小型ロボットの脚には疎水性コーティングが施されており、アメンボのように水上を滑ることができます。」と説明しています。
したがって、マイクロデータ コレクターを運用期間全体にわたって 1 か所に固定するのではなく、いつでも必要な場所に配備できるようにすることが目的です。
研究チームは、「この研究は、統合されたMFCアレイによって駆動される水面上での自律移動能力を実証することに成功したが、水中ロボットプラットフォームの位置決め、感知、信号処理、送信などの実用的な応用の探求はまだ未開拓の領域である。さまざまな環境条件下での長期的な性能と適用性についてはさらなる研究が必要である。しかし、現在のシステムは新しい設計の概念実証として機能する可能性がある。」と述べた。
研究論文は、Advanced Materials Technology 誌に掲載されました。