东京大学Takao Someya：柔性有机薄膜太阳能电池贴合赛博格昆虫

研究背景

赛博格（cyborg），又称为机械化有机体，以无机物构成的机器作为有机体身体得一部分，从而增加或增强生物体的能力。作为机器和生物体的结合，赛博格不仅可以被用来代替生物体有缺陷的部分，也可以实现生物体自身功能的超越。低功耗半导体、微纳芯片的研发以及相关制造技术的进步推动了赛博格人的“小型化”发展，尤其是能够通过集成电路控制行为和运动的赛博格昆虫。这些赛博格昆虫可被用于城市搜救、环境保护、危险区域监控和检查等方面。

电池是赛博格昆虫的重要装置，其容量、体积和重量与赛博格昆虫的性能密切相关，而拥有能量收集功能的电池可以实现更大的活动半径和更多的功能。例如，生物燃料电池可以提供最高达333 μW的输出功率；太阳能电池，包括硅基、有机、钙钛矿、量子点等，可以提供超过10 mW/cm²的输出功率。其中，超薄有机太阳能电池的总厚度能够小于5 μm，功率转换效率达15.8%、输出功率可达33.8 W/g。然而，对于在昆虫身体上安装小体积、大功率(输出功率大于10 mW)具有能量收集功能的电池、并且不影响昆虫的正常活动，仍然是一个很大的挑战。这是由于一方面电池的输出功率与电池的体积成正比；另一方面，电池的体积和重量与昆虫的机动性成反比。

近日，东京大学Takao Someya教授团队开发了一个安装有柔性有机薄膜太阳能电池、具有完整运动能力的赛博格昆虫，并且可以进行无线的运动控制。安装在赛博格昆虫腹部的有机太阳能电池超软超薄、并具有粘附-非粘附交错的结构，使赛博格昆虫能够自由活动、且自我扶正成功率达80%。使用临界载荷模型，对昆虫身体附着的薄膜造成对运动功能的影响进行量化评估。有机太阳能电池输出功率为17.2 mW，对锂聚合物电池充电后可以实现赛博格昆虫的蓝牙无线运动控制。该工作以 “Integration of body-mounted ultrasoft organic solar cell on cyborg insects with intact mobility” 为题发表于npj Flexible Electronics 6, 78 (2022)。

图文解析

图1：通过柔性有机薄膜太阳能电池充电的赛博格昆虫。a 赛博格昆虫照片。b 赛博格昆虫的结构示意图。c 赛博格昆虫胸部安装3D打印的刚性背包组件。d 蓝牙无线运动控制模块和充电系统的电路图。

充电式赛博格昆虫的结构。用马达加斯加蟑螂（G. portentosa）改造的赛博格昆虫，其背部安装电子元件，包括无线运动控制模块电路、刺激电压控制电路、增压电路；胸部安装锂聚合物电池背包；腹部安装4 μm厚的柔性有机薄膜太阳能电池。运动控制信号通过蓝牙无线传输，刺激信号通过连接尾须的线缆控制昆虫的运动。

图2：电子学相关的基本行为能力。a 赛博格昆虫腹部横断截面：粘附-非粘附交错结构。b, c 赛博格昆虫通过障碍物。d 腹部安装不同薄膜通过障碍物所需时间。e, f 昆虫翻倒及自我扶正。g 薄膜厚度与临界载荷的关系。h 临界载荷与自我扶正成功率的关系。i 昆虫胸部/腹部的不同条件对自我扶正成功率的影响。

赛博格昆虫运动能力研究。为了不影响赛博格昆虫的活动自由，作者对其腹部安装的柔性有机薄膜太阳能电池薄膜设计了一种粘附-非粘附交错结构。当电池薄膜厚度在3 μm时，赛博格昆虫的行动不受影响，能够顺利通过障碍；而进一步在其胸部安装锂聚合物电池背包组件，赛博格昆虫的自我扶正成功率仍保持约80%。临界载荷模型显示，小于0.05 N的载荷对赛博格昆虫的影响相对较小。

图3：赛博格昆虫的柔性有机薄膜太阳能电池。a 电池的俯视图。b 电池结构。c 赛博格昆虫腹部的侧面和背面接受光的角度。d 光照强度分布评估。e 电流电压曲线。f 最大功率点跟踪时间与功率转换效率的关系。

柔性有机薄膜太阳能电池的性能研究。I-V曲线表明该柔性有机薄膜太阳能电池的短路电流（I_SC）为22.8 mA，开路电压（V_OC）为1.92 V，填充因子（fill factor, FF）为0.564，最大输出功率为17.2 mW；电池的有效面积为3.96 cm²，占赛博格昆虫腹部面积的51%，每平方米的有效面积重5 g，功率密度与有效面积的比值为4.34 mW/cm²。

图4：无线控制赛博格昆虫的运动。a 柔性有机薄膜太阳能电池对锂聚合物电池进行充电。b 外服务器对刺激控制电路电压的“开、关”控制及响应时间。c 赛博格昆虫在无刺激控制的条件下（蓝线）以及在有刺激控制条件下的（红线）的运动轨迹。d 对赛博格昆虫进行五次运动控制的轨迹。

赛博格昆虫的充电、无线控制系统。使用柔性有机薄膜太阳能电池进行充电，938 min可以将锂聚合物电池充满至4.33 V。通过外服务器对赛博格昆虫的刺激控制电路进行无线控制：发出“打开”指令后，迅速产生了3.3 V输出电压，响应时间仅为0.12 s；发出“关闭”指令后，在0.1 s后输出电压下降为0。赛博格昆虫在没有刺激的条件下，可以沿直线运动；在接受刺激后，运动轨迹向右发生偏转。

全文总结

本文设计开发了一个可充电及无线控制的赛博格昆虫，通过对设备的柔性化、小型化以及轻量化，确保了赛博格昆虫的自由活动能力。柔性有机薄膜太阳能电池的充电功能实现了赛博格昆虫更大的活动范围，无线控制使功能更加多样化。

该工作被收录于Solar Cells专辑

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Integration of body-mounted ultrasoft organic solar cell on cyborg insects with intact mobility