葉思沂 副教授

國立成功大學航空太空工程學系

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「我們在模仿人類或動物功能時投入了很多努力，但往往忽略了能源。」美國威斯康辛大學麥迪遜分校機械工程副教授 James Pikul 如此提醒。「機器人的一大限制，就是它們到底能儲存多少能量？又能多有效率地把這些能量轉換成動作？」這段話點出了行動型機器人的核心瓶頸：耐力不足。在自然界中，動物能持續奔跑、游泳或飛行，靠的是極為高效的能量儲存與轉換機制。人類若要打造能真正陪伴、協助，甚至取代我們完成艱難任務的機器人，能否賦予它們「動物般的耐力」就成為關鍵。然而，目前的機器人依然受限於電池容量，不論是工業用機器人、搜救任務的四足機器人，甚至是微型無人機，往往只能運作短短數十分鐘到數小時。這樣的差距，也正是近年來科學界積極尋求突破的問題。

在近期發表於 Science Robotics 的一篇綜述論文中，Pikul 與博士後研究員 Yichao Shi 回顧了現有儲能技術的瓶頸，並分析未來可能的方向。他們提出了一個核心問題：要如何讓機器人擁有與動物相匹敵的耐力？

 

為什麼動物的耐力遠勝機器人

以波士頓動力公司的四足機器人 Spot 為例，它一次充電最多只能運作九十分鐘，電池重量佔了總質量的 16%，更麻煩的是，每次充電需要一個小時。換句話說，它一天有將近一半時間都只能停在充電站。相較之下，雪橇犬能在嚴寒環境下連續數天奔馳，每天跨越上百公里。造成這樣差異的關鍵在於能量密度。動物的能量來源主要來自脂肪，每公斤脂肪能儲存約 9 kWh 的能量；鋰離子電池則只有大約 0.25 kWh/kg，差距超過一個數量級。換句話說，即便機器人背上相同比例的「能量儲存」，它的續航力依然遠遠落後。更進一步來看，機器人在「運動效率」上的表現其實並不差。研究顯示，現代仿生機器人的移動成本（Cost of Transport, CoT）已經能與多種動物相當。真正的差距出現在「能量庫存」本身：機器人只能背有限的電池，而動物卻能以高能量密度的脂肪，加上靈活的代謝系統，支撐長時間運動。

 

新一代儲能技術的可能性

鋰離子電池是近二十年科技進步的功臣。智慧型手機、電動車、無人機的普及都得歸功於它的高能量密度與成熟製造技術。但這項技術的改進幅度正在逐漸放緩，平均每年能量密度的提升僅有 7%，要翻倍大約需要十年。對需要長時間自主工作的機器人而言，這樣的進展遠遠不足。即便我們能再壓榨出一倍的能量，Spot 也僅能把續航力從一場美式足球比賽的時間拉長到兩場，比起雪橇犬動輒十天千公里的壯舉，依然差距懸殊。這正是為何研究者認為，若要真正突破，必須尋找全新的儲能技術。

在眾多候選技術中，鋰硫（Li-S）、鋰空氣（Li-air）、鋁空氣（Al-air）電池備受期待。它們的理論能量密度可以達到每公斤 2 至 4 kWh，是鋰離子電池的數倍。若能突破實際應用上的穩定性與循環壽命問題，將可能讓四足機器人的能量水準逼近灰狗或哈士奇。

另一個選項是氫燃料電池。氫氣的能量密度極高，理論上能大幅延長機器人的運作時間。然而，氫氣需要在高壓或低溫環境下儲存，儲存容器笨重且成本高昂，加上燃料電池的瞬時功率輸出不足，讓它在小型機器人領域仍顯侷限。除了材料革新，還有一種有趣的思路是「結構化電池」或「具身儲能」（embodied energy storage）。這種設計讓電池不只是被動的能量來源，而是同時承擔結構或驅動功能。就像動物的肌肉既能運動也能儲存能量，未來的機器人手臂或外殼，也可能同時充當電池。這樣不但節省空間與重量，還能大幅提升整體能量密度。

 

從動物學到的能源策略

動物不只贏在能量密度，還有一項機器人無法比擬的能力：隨時補給。人類可以邊走邊進食，狗也能一邊奔跑一邊消耗體內脂肪並迅速轉換成能量。機器人則只能停下來等待充電。因此，研究者提出了大膽的構想—讓機器人也能「進食」。設想一個機器人吞下鋁片或其他高能量物質，透過特殊電化學反應將其轉換成電能，再把反應後的產物排出，等待外部回收再生。這種「機械代謝循環」的概念，模仿了動物消化與代謝的方式，繞過傳統電池必須高效率充放電的瓶頸。若能實現，機器人將能真正做到長時間自主行動，而不必仰賴固定的充電站。

 

未來的應用場景

如果這些新型儲能技術逐步成熟，機器人的應用範圍將大幅擴張。想像災區搜救現場，機器人能持續數天在瓦礫堆中搜尋倖存者，不必因電量不足而頻繁返航。在深海或外太空探測任務中，它們能承受更長時間的孤立作業，收集更完整的數據。農業與環境監測也將因此受惠，因為機器人能連續數日甚至數週不間斷地巡航。更貼近生活的應用則是工業與家庭環境。未來的工廠機器人若能一整班次都持續工作，將能降低成本並提升效率；而家庭服務型機器人，也能真正做到全天候待命，不再成為「需要頻繁充電的麻煩」。

 

跨領域合作是突破的關鍵

要讓機器人真正具備動物般的耐力，關鍵在於儲能的突破。這不僅是電池工程的課題，更需要材料科學開發新化學體系，電化學設計更高效率的能量轉換，機械工程與仿生設計則思考如何把儲能與結構緊密結合。這樣的跨領域整合，不只是推動機器人技術進步的關鍵，也代表著能源科技未來的重要方向。對能源教育而言，這正是一個鮮明的案例，顯示從動物代謝到電池化學、再到機器人設計之間的知識如何彼此呼應。培養具備跨領域視野的人才，將是迎接未來能源與科技挑戰的基石。或許在不久的將來，當我們再看到機器人與動物並肩前行，它們在耐力上的差距，已經不再是難以跨越的鴻溝。

 

參考文獻：
Shi, Y., & Pikul, J. H. (2025). Achieving animal endurance in robots through advanced energy storage. Science Robotics, 10(101), eadr6125.