今年早些时候，一个机器人在不到2小时40分钟的时间里完成了北京的半程马拉松。这比人类获胜者慢了一个多小时，但这仍然是一个了不起的壮举。许多休闲跑步者会为那段时间感到骄傲。机器人保持了超过13英里（21公里）的速度。

但它不是一次充电就能做到的。一路上，机器人不得不停下来，换了三次电池。这个细节虽然很容易被忽视，但却充分说明了机器人技术中更深层次的挑战：能源。现代机器人可以以令人难以置信的灵活性移动，模仿动物的运动，并以机械精度执行复杂的任务。在许多方面，它们在协调和效率上与生物学相媲美。但是在耐力方面，机器人仍然不够。它们不会因为努力而疲劳——它们只是耗尽了动力。

作为一名专注于能源系统的机器人研究人员，我仔细研究了这一挑战。研究人员如何才能赋予机器人生物的持久力——为什么我们离这个目标还如此之远？尽管大多数机器人对能源问题的研究都集中在更好的电池上，但还有另一种可能性：制造能吃东西的机器人。机器人移动得很好，但耗尽蒸汽。现代机器人非常擅长移动。得益于几十年来在生物力学、运动控制和驱动方面的研究，波士顿动力公司的Spot和阿特拉斯等机器能够以一度似乎遥不可及的敏捷性行走、跑步和攀爬。在某些情况下，它们的马达甚至比动物肌肉更有效。

但续航能力则是另一回事。例如，Spot在充满电的情况下只能运行90分钟，之后需要近一个小时的充电时间。这些运行时间与人类工人的8到12小时轮班时间或雪橇狗的多日续航时间相去甚远。

相关内容：亚马逊的新仓库机器人有一种“触觉”，可以取代人类工人。问题不在于机器人如何移动，而在于它们如何储存能量。如今，大多数移动机器人使用锂离子电池，与智能手机和电动汽车中的电池类型相同。这些电池可靠且广泛使用，但性能提升缓慢：每年新的锂离子电池比上一代电池好7%左右。按照这个速度，机器人的运行时间仅仅增加一倍需要整整十年。

动物将能量储存在脂肪中，脂肪的能量密度极高：每公斤将近9千瓦时。这大约是雪橇狗的68千瓦时，类似于充满电的特斯拉3型车的能量。相比之下，锂离子电池只能储存其中的一小部分，每公斤大约0.25千瓦时。即使有高效的马达，像Spot这样的机器人也需要比现在强大几十倍的电池才能与雪橇狗的耐力相匹配。

充电并不总是一个选择。在灾区、偏远地区或长期任务中，可能看不到墙上的插座或备用电池。

在某些情况下，机器人设计师可以添加更多的电池。但是更多的电池意味着更多的重量，这增加了移动所需的能量。在高度移动的机器人中，有效载荷、性能和耐力之间有一个谨慎的平衡。例如，对于Spot来说，电池已经占其重量的16%。

一些机器人已经使用了太阳能电池板，理论上，太阳能电池板可以延长运行时间，尤其是在低功率任务或阳光明媚的环境中。但实际上，相对于移动机器人以实际速度行走、跑步或飞行所需的能量，太阳能提供的能量非常少。这就是为什么像太阳能电池板这样的能量收集今天仍然是一个利基解决方案，更适合固定或超低功率机器人。这很重要。这些不仅仅是技术限制。它们定义了机器人能做什么。

配备45分钟电池的救援机器人可能无法持续足够长的时间来完成搜索。每小时暂停充电的农场机器人无法及时收割庄稼。即使在仓库或医院，短运行时间也会增加复杂性和成本。

如果机器人要在帮助老年人、探索危险环境和与人类一起工作的社会中发挥有意义的作用，它们需要耐力来保持数小时而不是数分钟的活跃。

锂硫和金属空气等新的电池化学物质提供了一条更有希望的前进道路。这些系统的理论能量密度比今天的锂离子电池高得多。一些接近动物脂肪中的水平。 当与能有效将电能从电池转化为机械工作的执行器配合使用时，它们可以使机器人达到甚至超过低体脂动物的耐力。但即使是这些下一代电池也有局限性。许多电池很难充电、随着时间的推移而退化，或者在现实世界的系统中面临工程障碍。

快速充电有助于减少停机时间。一些新兴电池可以在几分钟内而不是几小时内充电。但也有权衡。快速充电会延长电池寿命，增加热量，并且通常需要笨重的大功率充电基础设施。即使有所改进，快速充电机器人仍然需要经常停止。在没有电网供电的环境中，这并不能解决机载能源有限的核心问题。这就是为什么研究人员正在探索替代方案，例如用金属或化学燃料给机器人“加油”——就像动物吃的一样——以绕过充电的限制。替代方案：机器人新陈代谢在自然界中，动物不充电，它们吃东西。食物通过消化、循环和呼吸转化为能量。脂肪储存这些能量，血液移动它，肌肉使用它。未来的机器人可以遵循类似的合成代谢蓝图。

一些研究人员正在构建让机器人“消化”金属或化学燃料并呼吸氧气的系统。例如，合成的、类似胃的化学反应堆可以将铝等高能材料转化为电能。

这建立在机器人自主性的许多进步之上，机器人可以感知房间里的物体并导航以拾取它们，但在这里它们将拾取能源。

其他研究人员正在开发像血液一样循环的基于流体的能源系统。一个早期的例子是，一条机器鱼通过使用多功能流体而不是标准锂离子电池，将其能量密度提高了两倍。这一次设计转变相当于16年的电池改进，不是通过新的化学物质，而是通过一种更受生物启发的方法。这些系统可以让机器人运行更长的时间，从储存的能量远远超过当今电池的材料中获取能量。

在动物身上，能量系统不仅仅提供能量。血液有助于调节温度、传递激素、对抗感染和修复伤口。合成代谢也可以做到这一点。未来的机器人可能会使用循环液体来管理热量，或者使用储存或消化的材料来自愈。能量可以储存在四肢、关节和柔软的组织状部件中，而不是中央电池组。

这种方法可能会导致机器不仅寿命更长，而且适应性更强、更有弹性和更逼真。底线今天的机器人可以像动物一样跳跃和冲刺，但它们不能跑很远。

他们的身体很快，头脑也在进步，但是他们的能量系统还没有赶上。如果机器人要以有意义的方式与人类一起工作，我们需要给他们的不仅仅是智力和敏捷性。我们需要给他们耐力。

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