微型無人機新動力系統：突破續航限制

一項創新的電路設計，有望讓微型無人機及其他微型機器人，在保持輕巧體積的同時，大幅延長續航時間。加州大學聖地牙哥分校與CEA-Leti的研究團隊，開發出一種新型自持電路配置，結合了微型固態電池，實現了高能量密度與超輕量設計的完美平衡。這項研究成果將於2025年2月16日至20日在舊金山舉行的IEEE國際固態電路會議（ISSCC 2025）上發表。

微型無人機的一大應用前景，在於協助救難人員處理災害現場。例如，當建築物倒塌時，現有的機器人可能因體積過大而無法進入狹窄空間。然而，一群如指甲般大小的微型拍翼無人機，卻能輕鬆穿梭於這些狹小區域，偵測化學危險物質，甚至搜尋受困者。

然而，設計上的挑戰在於，這些微型裝置需要持久的電力才能長時間飛行。由於其體積極小（理想重量應低於數十克），攜帶大型電池並不實際。因此，現有的微型無人機僅能飛行數分鐘。

「要最大化飛行時間，就必須盡可能減輕系統中所有元件的重量，包括電池及處理電力的電子元件，」加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院電機與電腦工程系教授Patrick Mercier解釋道。「這是一個非常困難且微妙的平衡。」

多數微型機器人使用壓電微致動器來移動，這些致動器將電訊號轉換為精確控制的物理運動。然而，這些微致動器需要高電壓才能運作，通常為數十至數百伏特，而現今的鋰離子電池僅能提供4伏特。提升電壓通常需要笨重的電感器或電容器，這會增加重量與體積，對微型裝置而言並不理想。

因此，Mercier與其團隊，包括該研究的第一作者、加州大學聖地牙哥分校電機與電腦工程博士生Zixiao Lin，轉而尋求更輕巧的解決方案。「我們的突破在於利用新興的固態電池，這些電池能在縮小尺寸的同時，保持能量密度不變，」CEA-Leti矽元件部門科學總監Gaël Pillonnet表示。

「我們將一個大型電池切割成10或20個甚至更多的小型電池，」Mercier補充道。每個小型電池都擁有與原電池相同的能量密度。

團隊利用這些切割後的電池，建構了一種稱為「飛翔電池配置」的驅動電路。與傳統固定配置的電池不同，飛翔電池具有靈活性，能根據系統的即時能量需求，動態切換各個電池單元的連線方式。

這些電池可以串聯（電壓相加）或並聯（總能量容量增加，但電壓保持不變）。例如，當無人機需要更高電壓來驅動微致動器時，系統會將電池串聯，逐步堆疊，直到達到所需電壓。當需要較少電力時，電池則會重新並聯，以最大化能量儲存效率。

這種串聯與並聯的切換僅需數十毫秒，且無需額外的被動元件。系統更進一步整合了能量回收功能，這得益於固態電池的可充電特性，以及微致動器能作為電容器的能力。微致動器在充電至高電壓後，會將能量釋放回電池，透過逐步解堆疊的過程進行充電。充電過程以絕熱方式進行，即不產生熱能轉移，達到最高效率。

Mercier將此比擬為混合動力或電動車的再生煞車系統。「我們能以極高效率驅動微致動器，並回收部分能量，使電池續航時間更長，」他解釋道。

團隊使用18個早期商用固態電池單元，在連續運作50小時以上的情況下，產生了高達56.1伏特的電壓，整個系統僅重1.8克。使用CEA-Leti客製開發的更高能量密度固態電池時，系統重量更降至僅14毫克。「我們的結果顯示，此概念可擴充套件至不同的目標頻率或電壓，超越初步的概念驗證，」Pillonnet表示。

下一步，團隊將在實際微型機器人中測試此驅動系統，並持續最佳化固態電池，追求更高的電壓輸出。