西北大學領導的研究小組開發了一種新型燃料電池，可以從生活在泥土中的微生物中獲取能量。

這種完全由土壤驅動的技術大約有一本標準平裝書的大小，可以為精準農業和綠色基礎設施中使用的地下傳感器提供燃料。這有可能為電池提供一種可持續、可再生的替代品，電池含有有毒、易燃的化學物質，這些化學物質會滲入地下，供應鏈充滿沖突，并導致日益嚴重的電子廢物問題。

為了測試新的燃料電池，研究人員用它為測量土壤濕度和檢測觸摸的傳感器提供動力，這種功能對于跟蹤路過的動物可能很有價值。為了實現無線通信，研究人員還為土壤供電傳感器配備了微型天線，通過反射現有的射頻信號將數據傳輸到鄰近的基站。

該燃料電池不僅可以在潮濕和干燥條件下工作，而且其功率也比同類技術高出 120%。

該研究將于今天(1 月 12 日)發表在《計算機協會交互、移動、可穿戴和普適技術會議錄》上。研究作者還向公眾發布了所有設計、教程和模擬工具，以便其他人可以使用該研究并以此為基礎。

“物聯網 (IoT) 設備的數量不斷增長，” 領導這項工作的西北大學校友Bill Yen說道。“如果我們想象未來擁有數萬億個這樣的設備，我們就不可能用對環境有害的鋰、重金屬和毒素來建造每一個設備。我們需要找到可以提供少量能源的替代方案來為分散的設備網絡供電。在尋找解決方案時，我們研究了土壤微生物燃料電池，它使用特殊的微生物來分解土壤，并使用少量的能量為傳感器提供動力。只要土壤中存在可供微生物分解的有機碳，燃料電池就有可能永遠持續下去。”

“這些微生物無處不在;該研究的資深作者、西北大學的喬治·威爾斯(George Wells)說：“它們已經生活在世界各地的土壤中。” “我們可以使用非常簡單的工程系統來捕獲它們的電力。我們不會用這種能源為整個城市供電。但我們可以捕獲微量的能量來為實用的低功耗應用提供燃料。”

威爾斯是西北大學麥考密克工程學院土木與環境工程副教授 ?，F在是博士學位。Yen 是斯坦福大學的學生，他在 Wells 實驗室擔任本科研究員時就開始了這個項目。

骯臟工作的解決方案

近年來，世界各地的農民越來越多地采用精準農業作為提高作物產量的策略。這種技術驅動的方法依賴于測量土壤中水分、養分和污染物的精確水平，以做出改善作物健康的決策。這需要一個廣泛、分散的電子設備網絡來持續收集環境數據。

“如果你想在野外、農場或濕地放置傳感器，你只能在其中安裝電池或收集太陽能，”Yen 說。“太陽能電池板在骯臟的環境中不能很好地工作，因為它們會被灰塵覆蓋，在沒有陽光的情況下無法工作，并且會占用大量空間。電池也具有挑戰性，因為它們會耗盡電量。農民不會去 100 英畝的農場定期更換電池或撣掉太陽能電池板的灰塵。”

為了克服這些挑戰，威爾斯、日元和他們的合作者想知道他們是否可以從現有環境中獲取能源。“無論如何，我們都可以從農民正在監測的土壤中獲取能量，”日元說。

“努力受阻”

土壤微生物燃料電池 (MFC) 于 1911 年首次出現，其工作原理類似于電池，具有陽極、陰極和電解質。但 MFC 不是使用化學物質來發電，而是從細菌中獲取電力，細菌自然地將電子提供給附近的導體。當這些電子從陽極流向陰極時，就會形成電路。

但為了讓微生物燃料電池不間斷地運行，它們需要保持水分和氧氣——當埋在地下干燥的泥土中時，這是很棘手的。

“雖然 MFC 作為一個概念已經存在了一個多世紀，但其不可靠的性能和低輸出功率阻礙了它們的實際應用，特別是在低濕度條件下，”Yen 說。

獲勝幾何

考慮到這些挑戰，Yen 和他的團隊開始了為期兩年的旅程，以開發實用、可靠的基于土壤的 MFC。他的探索包括創建并比較四個不同的版本。首先，研究人員收集了每種設計性能的九個月的綜合數據。然后，他們在室外花園測試了最終版本。

性能最佳的原型在干燥條件和積水環境中都運行良好。其成功背后的秘密：它的幾何形狀。獲勝的燃料電池沒有使用陽極和陰極彼此平行的傳統設計，而是采用了垂直設計。

陽極由碳氈(一種廉價、豐富的導體，用于捕獲微生物的電子)制成，與地面水平。陰極由惰性導電金屬制成，垂直位于陽極上方。

盡管整個設備被埋入地下，但垂直設計確保頂端與地面齊平。3D 打印的蓋子位于設備頂部，以防止碎片落入內部。頂部的孔和陰極旁邊的空氣室可實現一致的氣流。

陰極的下端仍然位于地表深處，確保它能從周圍潮濕的土壤中保持水分，即使當表層土壤在陽光下干燥時也是如此。研究人員還在陰極的一部分涂上了防水材料，以使其在洪水期間能夠呼吸。而且，在潛在的洪水之后，垂直設計使陰極能夠逐漸干燥，而不是立即干燥。

平均而言，由此產生的燃料電池產生的電力是其傳感器運行所需電力的 68 倍。它還足夠堅固，可以承受土壤濕度的巨大變化——從有些干燥(體積含水量為 41%)到完全在水下。

讓計算變得觸手可及

研究人員表示，他們的土壤基質燃料電池的所有組件都可以在當地的五金店購買。接下來，他們計劃開發一種由完全可生物降解的材料制成的基于土壤的 MFC。這兩種設計都繞過了復雜的供應鏈，并避免使用沖突礦物。