不久之前，北京舉辦了全世界第一場人形機器人半程馬拉松，冠軍用了 2 小時 40 分鐘即完成比賽，雖然比起人類仍慢上許多，但卻已經接近入門級業餘跑者的完賽水準。
只不過，其中一項容易遭到外界忽略的細節，在於冠軍機器人不得不在馬拉松中途，由人工介入更換多達 3 次電池，這也充分說明了當前機器人技術所面臨的深度挑戰，那就是機器人該如何有效利用電力，以及補充自身能源。
機器人不會疲倦，但是動力卻會耗盡
隨著科技不斷發展，現代機器人已經擁有十足的敏捷性，甚至能夠模仿動物的運動方式，並以高精度的機械化手段執行複雜任務。從另一個角度來看，機器人的協調性和效率堪比生物，僅在耐力方面仍略遜一籌，即便機器人並不會感到「疲倦」，但「動力」卻總會在某個時候耗盡。
美國威斯康辛大學麥迪遜分校機械工程副教授 James Pikul 表示，作為一名專注於能源系統的機器人研究者，動力問題其實包含了許多面向，例如人類該如何賦予機器人如同生物般的持久力，以及為什麼人類距離該目標仍如此遙遠。
James Pikul 說，雖然大多數關於能源問題的機器人研究，主要都集中在研發更為強大的電池上，然而學界卻也正積極思考另一種可能，那就是一款藉由「進食」取得能量的機器人。
生物跟機器在續航力上的差距
波士頓動力公司的 Spot 和 Atlas 等機器人，受益於生物力學和電機控制研究，已展現出高敏捷度，能行走、奔跑和攀爬，馬達效率甚至超越動物肌肉。然而，當談到續航力，情況卻截然不同。
例如，四足機械狗 Spot 充飽電只能運作 90 分鐘，需近一小時充電，這與人類 8 到 12 小時的輪班，或雪橇犬數日的奔跑能力相去甚遠。因此，James Pikul 指出，目前機器人領域的核心挑戰，不在於如何運動，而在於如何有效利用、補充和儲存能量。
鋰電池技術每年只進步 7%
鋰離子電池雖然普及，但其能量密度提升緩慢，每年僅約 7%。這意味著想讓機器人續航時間翻倍，單靠鋰電池就需十年。相比之下，生物將能量儲存於脂肪中，每公斤可提供近 9 kWh 動力；一隻雪橇犬體內總能量高達 68 kWh，媲美充滿電的特斯拉 Model 3，而鋰電池每公斤僅約 0.25 kWh。
這導致像 Spot 這樣的機器人，需要比現在強大數十倍的電池，才能達到與雪橇犬相同的續航力。更甚者，在災區或偏遠任務中，為機器人充電的插座或備用電池難以取得，凸顯了現有電池技術對機器人實際應用場景的嚴峻限制。
增加電池很實際，重量卻成大問題
或許有些人會認為，廠商可藉由增加更多電池，直接解決機器人的續航力痛點，然而 James Pikul 卻坦言，更多電池意味著機器人會更重，反而增加移動時所需要的能量。
對於像機械狗 Spot 這樣的高機動性機器人，電池配重已佔總重 16%，設計者必須在有效載荷、性能與續航間取得平衡。現有的太陽能板轉換效率，也無法滿足敏捷型機器人行走、奔跑所需的龐大能量，更適合固定或低功率機器人。
機器人的電池續航力，不只是技術限制，更直接定義了它的實用性。例如，45 分鐘續航的救援機器人難以完成搜救；農場機器人每小時充電則影響作物收割效率。即使在倉庫或醫院，短暫運行時間也會增加任務複雜性與商業成本。
因此，若機器人想在社會中扮演有意義的角色，例如協助老年人或探索危險環境，它們必須具備數小時的持久力，而非僅數分鐘。為此，除了期待新型電池技術能達到接近動物脂肪的能量密度，學界也正積極探索讓機器人懂得「進食」的供能方式。
懂得「吃金屬」補充能量的機器人
James Pikul 說，自然界中的動物通常無法自我補充能量，因此只能透過進食方式取得動力；食物會透過消化、循環和呼吸轉化為能量，能量則再交由脂肪進行儲存、血液主動輸送，最後由肌肉直接利用，未來機器人或許可以遵循類似的架構，於機械結構內部進行能量的合成與代謝。
來自威斯康辛大學麥迪遜分校的研究者，正在打造一種將能量儲存融入機器人物理軟結構的系統，並且藉由讓機器人消耗鋁等金屬物質，從中提取能量以補充內建電池。身為研究者之一的 James Pikul，他所開發的裝置當接觸到特定金屬表面時，將催化出氧化還原反應，使機器人能夠從釋放的電子中提取能量，簡單來說就是讓機器人「吃金屬」。
James Pikul 認為，這種以金屬為食的機器人未來在執行搜救任務時，可以透過清除事發現場的金屬碎片來獲取能量；James Pikul 甚至還為此開設了一家名為 Metal Light 的新創公司，致力於將該技術商業化。
仿生學帶來新方向，機器壽命還更長
除了 James Pikul 的創新外，研究人員正開發類似血液循環的「流體能量系統」。例如，一款機器魚透過多功能流體取代傳統電池，成功將能量密度提高兩倍。這項設計思路的轉變，為機器人帶來相當於 16 年電池技術改進的效果，且僅憑仿生學方法，就讓機器人擁有更長的運作時間。
James Pikul 進一步指出，生物學上的血液循環系統，其作用遠遠不止於提供能量，還有助於調節體溫、分泌荷爾蒙、抵抗感染和修復傷口。因此，未來的機器人或許能夠利用體液循環控制發熱量，並透過儲存、消化的物質進行自我修復，再把能量儲存在全身的肢體、關節和軟組織當中，進而擺脫對傳統電池組的依賴。
James Pikul 認為，上述創新方法不僅可以讓機器人的使用壽命更長，甚至還具有一定的適應性，使機器人變得更強大、更有彈性，同時也會更像人類。
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＊本文開放合作夥伴轉載，參考資料：《The Conversation》、《WISC》，首圖來源：Bing AI
（責任編輯：鄒家彥）
