西北大学领导的研究小组开发了一种新型燃料电池，可以从生活在泥土中的微生物中获取能量。

这种完全由土壤驱动的技术大约有一本标准平装书的大小，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燃料。这有可能为电池提供一种可持续、可再生的替代品，电池含有有毒、易燃的化学物质，这些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废物问题。

为了测试新的燃料电池，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，研究人员还为土壤供电传感器配备了微型天线，通过反射现有的射频信号将数据传输到邻近的基站。

该燃料电池不仅可以在潮湿和干燥条件下工作，而且其功率也比同类技术高出 120%。

该研究将于今天(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。研究作者还向公众发布了所有设计、教程和模拟工具，以便其他人可以使用该研究并以此为基础。

“物联网 (IoT) 设备的数量不断增长，” 领导这项工作的西北大学校友Bill Yen说道。“如果我们想象未来拥有数万亿个这样的设备，我们就不可能用对环境有害的锂、重金属和毒素来建造每一个设备。我们需要找到可以提供少量能源的替代方案来为分散的设备网络供电。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。只要土壤中存在可供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永远持续下去。”

“这些微生物无处不在;该研究的资深作者、西北大学的乔治·威尔斯(George Wells)说：“它们已经生活在世界各地的土壤中。” “我们可以使用非常简单的工程系统来捕获它们的电力。我们不会用这种能源为整个城市供电。但我们可以捕获微量的能量来为实用的低功耗应用提供燃料。”

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。Yen 是斯坦福大学的学生，他在 Wells 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。这种技术驱动的方法依赖于测量土壤中水分、养分和污染物的精确水平，以做出改善作物健康的决策。这需要一个广泛、分散的电子设备网络来持续收集环境数据。

“如果你想在野外、农场或湿地放置传感器，你只能在其中安装电池或收集太阳能，”Yen 说。“太阳能电池板在肮脏的环境中不能很好地工作，因为它们会被灰尘覆盖，在没有阳光的情况下无法工作，并且会占用大量空间。电池也具有挑战性，因为它们会耗尽电量。农民不会去 100 英亩的农场定期更换电池或掸掉太阳能电池板的灰尘。”

为了克服这些挑战，威尔斯、日元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源。“无论如何，我们都可以从农民正在监测的土壤中获取能量，”日元说。

“努力受阻”

土壤微生物燃料电池 (MFC) 于 1911 年首次出现，其工作原理类似于电池，具有阳极、阴极和电解质。但 MFC 不是使用化学物质来发电，而是从细菌中获取电力，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，就会形成电路。

但为了让微生物燃料电池不间断地运行，它们需要保持水分和氧气——当埋在地下干燥的泥土中时，这是很棘手的。

“虽然 MFC 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输出功率阻碍了它们的实际应用，特别是在低湿度条件下，”Yen 说。

获胜几何

考虑到这些挑战，Yen 和他的团队开始了为期两年的旅程，以开发实用、可靠的基于土壤的 MFC。他的探索包括创建并比较四个不同的版本。首先，研究人员收集了每种设计性能的九个月的综合数据。然后，他们在室外花园测试了最终版本。

性能最佳的原型在干燥条件和积水环境中都运行良好。其成功背后的秘密：它的几何形状。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，而是采用了垂直设计。

阳极由碳毡(一种廉价、丰富的导体，用于捕获微生物的电子)制成，与地面水平。阴极由惰性导电金属制成，垂直位于阳极上方。

尽管整个设备被埋入地下，但垂直设计确保顶端与地面齐平。3D 打印的盖子位于设备顶部，以防止碎片落入内部。顶部的孔和阴极旁边的空气室可实现一致的气流。

阴极的下端仍然位于地表深处，确保它能从周围潮湿的土壤中保持水分，即使当表层土壤在阳光下干燥时也是如此。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。而且，在潜在的洪水之后，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%)到完全在水下。

让计算变得触手可及

研究人员表示，他们的土壤基质燃料电池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的材料制成的基于土壤的 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。