微生物燃料電池是一種具有 100 多年發(fā)展歷史的技術(shù)。

近期，美國(guó)西北大學(xué)團(tuán)隊(duì)將微生物燃料電池與當(dāng)前的低功耗電路結(jié)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(nóng)業(yè)等領(lǐng)域提供能源。

（來(lái)源：顏士能）

那么，土壤的干濕環(huán)境對(duì)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(duì)環(huán)境包容度高，相較于其他同類技術(shù)，該電池的功率高出 120%。

與傳統(tǒng)電池和其他能量收集技術(shù)相比，土壤微生物燃料電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，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(jī)的性能相比，土壤微生物燃料電池毒性更低、對(duì)環(huán)境的影響更小。

因此，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和操作，土壤微生物燃料電池能夠作為一種實(shí)用的電源技術(shù)，用于驅(qū)動(dòng)土壤中的計(jì)算應(yīng)用。

（來(lái)源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

一方面，該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有潛在的應(yīng)用潛力，通過(guò)在土壤中部署，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)等。

另一方面，該技術(shù)有望為綠色基礎(chǔ)設(shè)施和精確農(nóng)業(yè)提供獨(dú)立的新型能源，用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、土壤濕度監(jiān)測(cè)等，助力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)并提高產(chǎn)量。

圖丨土壤微生物燃料電池（來(lái)源：顏士能）

此外，該技術(shù)還有望實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)供電。“我們希望在整個(gè)城市安裝大量的傳感器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的政策決策。”該論文第一作者、西北大學(xué)本科畢業(yè)生顏士能（Bill Yen，現(xiàn)為斯坦福大學(xué)博士研究生）說(shuō)。

然而，這些設(shè)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(duì)雨水管理非常重要的綠色基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)離智能技術(shù)。

實(shí)際上，讓太陽(yáng)能電池板在沼澤狀的環(huán)境中工作非常困難，因?yàn)樗鼈兒芸炀蜁?huì)被泥土覆蓋，最終電池的電力會(huì)被耗盡。綠色基礎(chǔ)設(shè)施和濕地不可訪問(wèn)的問(wèn)題，也使得可回收變得不切實(shí)際，這也許會(huì)導(dǎo)致大量的有毒電子垃圾被埋在自然環(huán)境中。

（來(lái)源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

該研究的重點(diǎn)在于改進(jìn)土壤微生物燃料電池的設(shè)計(jì)，使它們?cè)诘蜐穸葪l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(yáng)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(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池和太陽(yáng)能電池。”

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）

近日，相關(guān)論文以《土壤驅(qū)動(dòng)計(jì)算：工程師的實(shí)用土壤微生物燃料電池設(shè)計(jì)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(xué)喬治·威爾斯（George Wells）副教授、美國(guó)佐治亞理工學(xué)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(rèn)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(kāi)源設(shè)計(jì)將作為新興主題，是很好的示例和總結(jié)。

據(jù)介紹，該研究始于美國(guó)的 COVID-19 大流行時(shí)期，因此涉及到購(gòu)買材料、制造設(shè)備，甚至在實(shí)驗(yàn)室里與其他課題組成員見(jiàn)面都非常困難。“我記得當(dāng)大學(xué)禁止本科生進(jìn)入時(shí)，我還曾試圖在家里的地下室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”顏士能回憶道。

從那以后，他陸續(xù)見(jiàn)到了這篇論文的所有合作者，他們來(lái)自美國(guó)喬治亞州及加州等四所不同的大學(xué)，并鼓勵(lì)顏士能在畢業(yè)后攻讀博士學(xué)位，繼續(xù)推進(jìn)可持續(xù)電子學(xué)領(lǐng)域。

目前，顏士能是斯坦福大學(xué)電氣工程專業(yè)一年級(jí)的博士生，研究方向?yàn)榈凸�耗傳感和無(wú)線通信。

該課題組未來(lái)研究方向之一，是將使整個(gè)設(shè)備（燃料電池和電子設(shè)備）可降解化，以避免產(chǎn)生電子垃圾，同時(shí)將現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施智能化。

“目前，我們已公開(kāi)發(fā)布所有的設(shè)計(jì)、模擬軟件和開(kāi)源軟件。希望通過(guò)這項(xiàng)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(shuō)道。