科学家研发土壤微生物燃料电池，为低功耗应用提供新型能源

来源：DeepTech深科技

微生物燃料电池是一种具有 100 多年发展历史的技术。

近期，美国西北大学团队将微生物燃料电池与当前的低功耗电路结合，研发了一种土壤微生物燃料电池（Soil Microbial Fuel Cells，SMFC），能够完全从土壤中的微生物中获取能量，并为传感器、通信、农业等领域提供能源。

那么，土壤的干湿环境对这种新型电池是否有影响呢？据了解，这种新型燃料电池不仅对环境包容度高，相较于其他同类技术，该电池的功率高出 120%。

与传统电池和其他能量收集技术相比，土壤微生物燃料电池具有独特的优势。具体来说，它们有可能完全由可生物降解的材料制成。并且，与压电和热电发电机的性能相比，土壤微生物燃料电池毒性更低、对环境的影响更小。

因此，通过合理的设计和操作，土壤微生物燃料电池能够作为一种实用的电源技术，用于驱动土壤中的计算应用。

图丨比较各种环境能源收集来源，数据显示，由于电子垃圾和毒性以及生产它们所需的矿物而造成的危险（来源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

一方面，该技术在环境监测方面具有潜在的应用潜力，通过在土壤中部署，可实时监测环境并采集数据，例如生态系统雨水管理和环境保护等。

另一方面，该技术有望为绿色基础设施和精确农业提供独立的新型能源，用于无线传感器网络、土壤湿度监测等，助力实现精准农业并提高产量。

图丨土壤微生物燃料电池（来源：颜士能）

此外，该技术还有望实现无线传感器网络的可持续供电。“我们希望在整个城市安装大量的传感器，以实现数据驱动的政策决策。”该论文第一作者、西北大学本科毕业生颜士能（Bill Yen，现为斯坦福大学博士研究生）说。

然而，这些设备仅限于拥有可靠电源的地区，例如靠近交通灯的可接入电网，这使得对雨水管理非常重要的绿色基础设施远离智能技术。

实际上，让太阳能电池板在沼泽状的环境中工作非常困难，因为它们很快就会被泥土覆盖，最终电池的电力会被耗尽。绿色基础设施和湿地不可访问的问题，也使得可回收变得不切实际，这也许会导致大量的有毒电子垃圾被埋在自然环境中。

图丨土壤微生物燃料电池的迭代设计过程，以可持续的、土壤动力的分布式传感器网络的愿景，为未来的研究人员提供生产和改进土壤微生物燃料电池原型和方法（来源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

该研究的重点在于改进土壤微生物燃料电池的设计，使它们在低湿度条件下也能够稳定地工作，并从土壤的微生物中获得能量。该电池或可作为一种可再生能源，在传统电池和太阳能电池板不足的条件下，具有生物相容性和可行性。

颜士能表示：“我们从环境工程中寻找潜在的解决方案，并利用土壤微生物燃料电池作为清洁能源，来代替传统电池和太阳能电池。”

图丨相关论文（来源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

近日，相关论文以《土壤驱动计算：工程师的实用土壤微生物燃料电池设计指南》（Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design）为题发表在 Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies[1]。

颜士能为论文第一作者，西北大学乔治·威尔斯（George Wells）副教授、美国佐治亚理工学院副教授乔赛亚·赫斯特（Josiah Hester）为论文共同通讯作者。

审稿人认为，使用土壤作为传感器能源的具有发展前景，并且该研究和开源设计将作为新兴主题，是很好的示例和总结。

图丨颜士能（Bill Yen）（来源：颜士能）

据介绍，该研究始于美国的 COVID-19 大流行时期，因此涉及到购买材料、制造设备，甚至在实验室里与其他课题组成员见面都非常困难。“我记得当大学禁止本科生进入时，我还曾试图在家里的地下室进行实验。”颜士能回忆道。

从那以后，他陆续见到了这篇论文的所有合作者，他们来自美国乔治亚州及加州等四所不同的大学，并鼓励颜士能在毕业后攻读博士学位，继续推进可持续电子学领域。

目前，颜士能是斯坦福大学电气工程专业一年级的博士生，研究方向为低功耗传感和无线通信。

该课题组未来研究方向之一，是将使整个设备（燃料电池和电子设备）可降解化，以避免产生电子垃圾，同时将现有的基础设施智能化。

“目前，我们已公开发布所有的设计、模拟软件和开源软件。希望通过这项研究，让更多的研究者积极探索土壤微生物燃料电池作为能源的可能性。”颜士能说道。

参考资料：

1.Bill Yen et al. Soil-Powered Computing: The Engineer』s Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design.Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies 7,4,196,1–40 https://doi.org/10.1145/3631410

排版：刘雅坤