微生物燃料電池是一種具有 100 多年發(fā)展歷史的技術。

近期，美國西北大學團隊將微生物燃料電池與當前的低功耗電路結合，研發(fā)了一種土壤微生物燃料電池（Soil Microbial Fuel Cells，SMFC），能夠完全從土壤中的微生物中獲取能量，并為傳感器、通信、農業(yè)等領域提供能源。

（來源：顏士能）

那么，土壤的干濕環(huán)境對這種新型電池是否有影響呢？據(jù)了解，這種新型燃料電池不僅對環(huán)境包容度高，相較于其他同類技術，該電池的功率高出 120%。

與傳統(tǒng)電池和其他能量收集技術相比，土壤微生物燃料電池具有獨特的優(yōu)勢。具體來說，它們有可能完全由可生物降解的材料制成。并且，與壓電和熱電發(fā)電機的性能相比，土壤微生物燃料電池毒性更低、對環(huán)境的影響更小。

因此，通過合理的設計和操作，土壤微生物燃料電池能夠作為一種實用的電源技術，用于驅動土壤中的計算應用。

（來源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

一方面，該技術在環(huán)境監(jiān)測方面具有潛在的應用潛力，通過在土壤中部署，可實時監(jiān)測環(huán)境并采集數(shù)據(jù)，例如生態(tài)系統(tǒng)雨水管理和環(huán)境保護等。

另一方面，該技術有望為綠色基礎設施和精確農業(yè)提供獨立的新型能源，用于無線傳感器網(wǎng)絡、土壤濕度監(jiān)測等，助力實現(xiàn)精準農業(yè)并提高產量。

圖丨土壤微生物燃料電池（來源：顏士能）

此外，該技術還有望實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的可持續(xù)供電。“我們希望在整個城市安裝大量的傳感器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的政策決策。”該論文第一作者、西北大學本科畢業(yè)生顏士能（Bill Yen，現(xiàn)為斯坦福大學博士研究生）說。

然而，這些設備僅限于擁有可靠電源的地區(qū)，例如靠近交通燈的可接入電網(wǎng)，這使得對雨水管理非常重要的綠色基礎設施遠離智能技術。

實際上，讓太陽能電池板在沼澤狀的環(huán)境中工作非常困難，因為它們很快就會被泥土覆蓋，最終電池的電力會被耗盡。綠色基礎設施和濕地不可訪問的問題，也使得可回收變得不切實際，這也許會導致大量的有毒電子垃圾被埋在自然環(huán)境中。

（來源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

該研究的重點在于改進土壤微生物燃料電池的設計，使它們在低濕度條件下也能夠穩(wěn)定地工作，并從土壤的微生物中獲得能量。該電池或可作為一種可再生能源，在傳統(tǒng)電池和太陽能電池板不足的條件下，具有生物相容性和可行性。

顏士能表示：“我們從環(huán)境工程中尋找潛在的解決方案，并利用土壤微生物燃料電池作為清潔能源，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池和太陽能電池。”

圖丨相關論文（來源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

近日，相關論文以《土壤驅動計算：工程師的實用土壤微生物燃料電池設計指南》（Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design）為題發(fā)表在 Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies[1]。

顏士能為論文第一作者，西北大學喬治·威爾斯（George Wells）副教授、美國佐治亞理工學院副教授喬賽亞·赫斯特（Josiah Hester）為論文共同通訊作者。

審稿人認為，使用土壤作為傳感器能源的具有發(fā)展前景，并且該研究和開源設計將作為新興主題，是很好的示例和總結。

據(jù)介紹，該研究始于美國的 COVID-19 大流行時期，因此涉及到購買材料、制造設備，甚至在實驗室里與其他課題組成員見面都非常困難。“我記得當大學禁止本科生進入時，我還曾試圖在家里的地下室進行實驗。”顏士能回憶道。

從那以后，他陸續(xù)見到了這篇論文的所有合作者，他們來自美國喬治亞州及加州等四所不同的大學，并鼓勵顏士能在畢業(yè)后攻讀博士學位，繼續(xù)推進可持續(xù)電子學領域。

目前，顏士能是斯坦福大學電氣工程專業(yè)一年級的博士生，研究方向為低功耗傳感和無線通信。

該課題組未來研究方向之一，是將使整個設備（燃料電池和電子設備）可降解化，以避免產生電子垃圾，同時將現(xiàn)有的基礎設施智能化。

“目前，我們已公開發(fā)布所有的設計、模擬軟件和開源軟件。希望通過這項研究，讓更多的研究者積極探索土壤微生物燃料電池作為能源的可能性。”顏士能說道。