Yeni nesil mikro piller sağlıkta devrim yaratıyor

Massachusetts Institute of Technology (MIT) mühendisleri, hücre boyutundaki otonom robotlar için devrim yaratabilecek, küçük bir pil geliştirdiler. Bu yenilikçi pilin uzunluğu sadece 0,1 milimetre ve kalınlığı ise sadece 0,002 milimetre; yani bir insan saçının kalınlığında. Bu küçük pillere sahip mini robotların, insan vücuduna hassas dozlarda ilaç vermek ve gaz boru hatlarındaki sızıntıları tespit etmek gibi çığır açan uygulamalara öncülük edebilir.

Son yıllarda teknolojiyi minyatürleştirme çabaları, sensörlerin, robotların ve bilgisayarların milimetre ölçeğinde geliştirilmesine yol açtı. Bu gelişmelere rağmen, bu kadar küçük ölçekte enerji depolamak ciddi bir zorluk teşkil ediyor. Geleneksel pil malzemelerinin, bu küçük robotlar için gereken mikrofabrikasyon süreçleriyle uyumsuz yöntemler kullanılarak hazırlandığından bahsediliyor. MIT’nin yeni pili, yarı iletken üretiminde yaygın olarak kullanılan bir teknik olan fotolitografiyi kullanarak bu zorluğun üstesinden geliyor. Bu teknik, pikolitre ölçeğinde (yaklaşık bir litrenin trilyonda biri) son derece verimli mikro pillerin oluşturulmasına olanak sağlıyor. Bu piller etkileyici bir enerji yoğunluğuna sahip ve bu da onları boyutlarının en güçlü enerji depolama cihazları yapıyor.

Bu pilleri diğerlerinden ayıran şey, özel malzemelere veya karmaşık yapılara ihtiyaç duymadan yüksek enerji yoğunluklarını koruyabilme yetenekleridir. İnsan vücudunun içi gibi fizyolojik ortamları taklit eden koşullarda çalışırken bile bu pil performansını koruyabilmektedir. Araştırmacılar, bu küçük güç kaynaklarının memristörler ve aktüatörler gibi minyatür bileşenleri etkili bir şekilde çalıştırabileceğini göstererek, hücre boyutundaki otonom robotlara güç sağlama potansiyellerini ortaya koymuştur.¹

Bazı araştırmacılar güneş enerjisini kullanarak mikro ölçekli cihazları başarıyla çalıştırmış olsalar da, bu yöntem önemli sınırlamalarla birlikte geliyor. Robotların çalışması için sürekli bir ışık kaynağına ihtiyaç duymaları, onları dışarıdan bir güçle kontrol edilen “kuklalara” dönüştürüyor. Pil gibi dahili bir güç kaynağının eklenmesi, bu cihazların özerkliğini önemli ölçüde artırabilir ve daha önce erişilemeyen ortamları keşfetmelerine olanak tanıyabilir.

Strano’nun laboratuvarı, son yıllarda çevresel uyaranları algılayıp bunlara yanıt verebilen minik robotların geliştirilmesinde öncülük ediyor. Bu alandaki temel zorluğun bu mikro robotların güvenilir bir güç kaynağına sahip olmasını sağlamak olduğu açıklanıyor. Strano’nun da sözlerinde yer aldığı gibi, “Kukla sistemleri pil gerektirmez çünkü tüm enerjilerini dışarıdan alırlar. Ancak, küçük bir robotun sınırlı alanlarda bağımsız bir şekilde hareket edebilmesi ve dolayısıyla bağımsız çalışma durumu için bir pil büyük önem arz eder.”

Daha fazla özerkliğe duyulan bu ihtiyacı karşılamak için Strano’nun laboratuvarı, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun kullanım ömrüyle bilinen, işitme cihazları gibi uygulamalar için popüler bir tercih haline getiren özellikleri olan çinko-hava pillerine yöneldi. Geleneksel pillerin aksine, çinko-hava pilleri teorik olarak çok yüksek özgül enerji ve enerji yoğunluğu sağlayabilir olması, mikro robotlara güç sağlamak için temel ölçütlerden sayılmaktadır.²

Çinko-hava pili, çinkoyu oksitlemek için çevredeki havadan oksijeni kullanır ve 1 volta kadar akım üretir. Bu enerji, küçük devreleri, sensörleri veya aktüatörleri çalıştırmak için yeterlidir ve robotların çeşitli görevleri otonom olarak gerçekleştirmesini sağlar. Ayrıca ekip tarafından geliştirilen pil, mikroelektronikte yaygın olarak kullanılan SU-8 adlı bir polimer tabana gömülü bir platin elektrotla eşleştirilmiş bir çinko elektrot içeriyor. Bu elektrotlar havadaki oksijenle etkileşime girdiğinde, çinko oksitlenir ve akım üreten elektronlar serbest kalır. Bu akım, çeşitli mikro-robotik bileşenlere güç sağlamak için yeterlidir.

Strano’nun ekibi, araştırmalarında bu pilin direncini değiştirerek veri depolayan gelişmiş bir elektrik bileşeni olan memristör ile birlikte küçük bir aktüatörü (hareket edebilen bir robotik kol) çalıştırabileceğini gösterdi. Ayrıca pilin bir saat devresini çalıştırarak robotların otonom olarak zamanı takip etmesini sağladığı ve elektrik dirençlerini değiştirerek çevresel kimyasalları tespit etmek üzere tasarlanmış iki farklı sensörü başarıyla çalıştırdığı biliniyor.

Bu pikolitre pildeki fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) elektrolitindeki elektrokimyasal reaksiyonlar, çinko anotun çinko hidroksit yerine çinko fosfat oluşturmak için fosfat iyonlarıyla reaksiyona girmesiyle geleneksel çinko-hava pillerinden farklıdır. Bu reaksiyon, gözlemlenen voltaj dalgalanmalarına katkıda bulunmakla kalmıyor, aynı zamanda çinko anot üzerinde daha sağlam bir pasifleştirme tabakasının oluşmasına da neden oluyor; bu da kendi kendine deşarjı azaltmada ve genel pil kararlılığını artırmada önemli bir rol oynuyor.

Pillerin küçük boyutu, muhtemelen gözlemlenen voltaj dalgalanmalarını daha da kötüleştiriyor, çünkü malzeme homojensizlikleri daha küçük elektrotlar üzerinde daha büyük bir etkiye sahip. Açık devre voltajının %10’u içinde olan bu dalgalanmalara rağmen, pikolitre piller çeşitli mikro-robotik cihazlara güç verirken güvenilir performans gösterdi. Sonuçlar, pikolitre boyutundaki çinko-hava pillerinin enerji ve güç yoğunluğunu artırmak için bir elektrolit olarak PBS kullanma potansiyelini vurguluyor ve bunları yeni nesil mikroskobik robotik için umut verici bir güç kaynağı haline getiriyor.

Bu çalışmada geliştirilen çinko-hava pikolitre pillerinin, mikro pil teknolojisinde önemli bir ilerlemeyi temsil etmesi ve bugüne kadar mevcut olan en yüksek enerji yoğunluğu değerlerinden birini sunmasına rağmen, özellikle güç yoğunluğu açısından önemli bir iyileştirme potansiyeli hala mevcut. Güç yoğunluğunun artırılmasının; mikroskobik robotlar, sensörlerdeki hareket sistemleri ve iletişim cihazlarına güç sağlama gibi daha dinamik ve çok yönlü uygulamaları etkinleştirme açısından önemi biliniyor. Sistemdeki mevcut sınırlama, öncelikle genel performansı kısıtlayan katot reaksiyonundan ve özellikle oksijenin taşınmasından kaynaklanmaktadır. Bunu ele almak için araştırmacılar, katot yüzey alanını artırmak ve oksijen taşıma sorununu aşabilecek alternatif katot malzemeleri keşfetmek gibi çeşitli stratejileri araştırıyorlar. Ek olarak, oksijen erişimini daha da artırabilecek fotolitografi ile uyumlu polimer veya jel elektrolitlerinin kullanımını düşünüyorlar. Bir diğer iyileştirme yolu, deşarj oranını ayarlayarak veya çinko anoda uyumlu bir kaplama uygulayarak deşarj sırasında voltaj dalgalanmalarını azaltmaktan geçiyor. Gelecekteki çalışmalarda ekip, hem daha yüksek güç yoğunluğuna hem de şarj edilebilirliğe sahip çinko tabanlı pikolitre piller geliştirmeyi hedefliyor; bunun da çok çeşitli uygulamalardaki kullanımlarını büyük ölçüde iyileştireceği düşünülüyor. Bu pikolitre pillerin yenilikçi tasarımı ve etkileyici performansı, onları hücre boyutundaki robotlar ve sensörlerin gelecek nesli için umut vadeden bir güç kaynağı haline getirerek daha sofistike ve işlevsel mikroskobik elektronik cihazlar için yolu açıyor.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2024-08-tiny-batteries-powering-cell-sized.html
2. Zhang, G., Yang, S., Yang, J. F., Gonzalez-Medrano, D., Miskin, M. Z., Koman, V. B., … & Strano, M. S. (2024). High energy density picoliter-scale zinc-air microbatteries for colloidal robotics. Science Robotics, 9(93), eade4642.
3. Liu, A. T., Hempel, M., Yang, J. F., Brooks, A. M., Pervan, A., Koman, V. B., … & Strano, M. S. (2023). Colloidal robotics. Nature materials, 22(12), 1453-1462.