科学家开发出一种新型泥土驱动燃料电池，可以永远运行

西北大学的研究人员推出了一种由土壤微生物供电的燃料电池，其性能明显优于类似技术，并为低功耗设备供电提供了可持续的解决方案，公众可以全面访问其设计以进行广泛应用。 3D 打印的燃料电池盖露出地面。 盖子可防止碎屑进入设备，同时保证空气流通。 图片来源：Bill Yen/西北大学

由西北大学领导的一组研究人员开发了一种新型燃料电池，可以从生活在污垢中的微生物中获取能量。

这种基于土壤的技术大约有普通纸质书的大小，可以为精准农业和绿色基础设施中使用的地下传感器提供动力。 这有可能为电池提供一种可持续、可再生的替代品，因为电池含有有毒和易燃化学物质，会渗入地下，供应链充满冲突，并导致日益严重的电子垃圾问题。

为了测试新型燃料电池，研究人员用它为测量土壤湿度和检测触摸的传感器提供动力，这种功能对于跟踪路过的动物可能很有价值。 为了实现无线通信，研究人员还为土壤传感器配备了小型天线，通过反射现有的射频信号将数据传输到附近的基站。

该燃料电池不仅在潮湿和干燥条件下表现出色，而且其功率也超过同类技术120%。

该研究将于今日（1 月 12 日）发表在《计算机协会交互、移动、可穿戴和普适技术会议录》上。 研究作者还将所有设计、教程和模拟工具公开，以便其他人可以使用该研究并以此为基础。

“连接到物联网 (IoT) 的设备数量不断增长，”领导这项工作的西北大学研究生 Bill Yen 说。 “如果我们想象未来会有数万亿个这样的设备，我们将无法使用对环境构成风险的锂、重金属和毒素来制造每一个设备。我们需要找到可以提供少量的替代品。能量为分散的设备网络提供动力。在寻找解决方案时，我们研究了土壤微生物燃料电池，它使用特殊的微生物来分解土壤，并使用少量的能量为传感器提供动力。只要有有机碳在土壤中等待微生物分解，燃料电池有可能永远持续下去。

该研究的主要作者 Bil​​l Yen 在西北大学实验室进行测试时将燃料电池埋入地下。 图片来源：西北大学

该研究的资深作者、西北大学的乔治·威尔斯说：“这些微生物无处不在。它们实际上生活在无处不在的土壤中。”“我们可以使用非常简单的工程系统来获取电力。” 我们不会为整个城市提供这种能源。 但我们可以捕获微量的能量来为实用的低功耗应用提供动力。

威尔斯是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程副教授。 现在是博士学位。 尹是斯坦福大学的学生，他在韦尔斯实验室担任本科研究员时就开始了这个项目。

肮脏工作的解决方案

近年来，世界各地的农民越来越多地采用精准农业作为提高作物产量的策略。 这种基于技术的方法依赖于测量土壤中水分、养分和污染物的精确水平，以做出促进作物健康的决策。 这需要一个庞大且分散的电子设备网络来持续收集环境数据。

“如果你想在荒野、农场或湿地放置传感器，你只能在其中放置电池或收集太阳能，”Yen 说。 “太阳能电池板在肮脏的环境中不能很好地工作，因为它们被灰尘覆盖，当太阳不出来时它们无法工作，而且它们占用大量空间。电池也是一个挑战，因为它们会耗尽电力. 农民不会在 100 英亩的农场周围走动，定期更换电池或为太阳能电池板除尘。

为了克服这些挑战，威尔斯、韦恩和他们的合作者想知道他们是否可以从现有环境中获取能量。 “无论如何，我们都可以从农民正在监测的土壤中获取能量，”颜说。

“努力受挫”

土壤微生物燃料电池 (MFC) 于 1911 年首次亮相，其工作原理类似于电池，具有阳极、阴极和电解质。 但 MFC 不是使用化学物质发电，而是从细菌中收集电力，细菌自然地将电子提供给附近的导体。 当这些电子从阳极流向阴极时，它们形成电路。

从地下取出进行研究后，燃料电池上覆盖着泥土。 图片来源：Bill Yen/西北大学

但为了使微生物燃料电池不间断地运行，它们需要保持湿润并提供氧气，当它们埋在地下干燥的泥土中时，这是很困难的。

尹说：“尽管间充质干细胞作为一个概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低生产能力阻碍了其实际应用的努力，特别是在低湿度条件下。”

致胜工程

考虑到这些挑战，尹和他的团队开始了为期两年的旅程，开发实用且可靠的土壤基 MFC 电池。 他的旅程包括创建和比较四个不同的版本。 首先，研究人员收集了每个设计的九个月的性能数据。 然后他们在室外公园测试了最终版本。

性能最佳的原型在干燥条件和水下环境中均表现良好。 其成功背后的秘诀是：它的工程设计。 获胜的燃料电池没有使用阳极和阴极彼此平行的传统设计，而是采用了正交设计。

阳极由碳毡（一种容易获得且廉价的导体，用于捕获微生物电子）制成，与地面水平。 阴极由惰性导电金属组成，垂直放置在阳极上方。

虽然整个设备是埋地的，但垂直设计保证了上端与地面齐平。 设备顶部有一个 3D 打印的盖子，可防止碎片掉入内部。 顶部的孔和阴极旁边的空气室允许恒定的空气流动。

阴极的下端仍然位于地表深处，确保即使表土在阳光下干燥时，它也能保持周围潮湿土壤的湿润。 研究人员还在阴极的一部分涂上了防水材料，以使其在洪水期间能够呼吸。 在发生潜在的洪水之后，垂直设计使阴极能够逐渐干燥，而不是立即全部干燥。

平均而言，由此产生的燃料电池产生的电力是其传感器运行所需电力的 68 倍。 它还足够坚固，可以承受土壤湿度的巨大变化——从有些干燥（体积含水量为 41%）到完全水下。

让每个人都能使用计算

研究人员表示，基于土壤的 MFC 的所有组件都可以在当地的五金店购买。 接下来，他们计划开发一种由完全可生物降解材料制成的土壤基MFC。 这两种设计都绕过了复杂的供应链，并避免使用冲突矿物。

“随着 新冠肺炎 “我们都熟悉这场危机如何扰乱了全球电子产品供应链，”该研究的合著者乔赛亚·赫斯特（Josiah Hester）说，他曾是西北大学的教员，现在在佐治亚理工学院工作。 “我们希望制造使用当地供应链和低成本材料的设备，以便所有社区都可以使用计算。”

参考资料：“土壤动力计算”，作者：Bill Yen、Laura Gleave、Luis Gutierrez、Veluthi Sahinidis、Sadie Bernstein、John Madden、Steven Taylor、Colin Josephson、Pat Panuto、Weitao Shuai、George Wells、Nivedita Arora 和 Josiah Hester，1 月11. 2024年， ACM 关于交互、移动、可穿戴和无处不在技术的会议记录。
号码：10.1145/3631410

该研究得到了美国国家科学基金会（奖号 CNS-2038853）、美国农业部国家食品和农业研究所农业和食品研究计划（奖号 2023-67021-40628）、阿尔弗雷德·P·斯隆基金会的支持、VMware 研究部和 3M。