不用充電、不用換電池，這種微生物“永動機”真的來了

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：Shutterstock

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的1983篇原創

無論是在廣袤的農田還是深邃的海底，在我們看不見的地方，有著數以千計的傳感器正在默默工作，或是檢測農業數據，或是進行海燕研究。

但它們的“生命”卻被電池死死掐住——這些設備傳統上都采用鋰電池供電，而鋰電池總有電量耗盡的一天。

這意味著每隔一段時間，這些傳感器都得更換電池進行補能來維持工作。這種費力、費錢又費時的場景，正是當前環境傳感器網絡面臨的現實困境。

那么有沒有一種可能——讓這些電池實現自給自足，直接從環境中充電？

答案是肯定的。早在20世紀初，人類就發現某些微生物在代謝過程中會自然而然地釋放電子。這一現象催生了一個略顯科幻的概念：微生物燃料電池（MFC）。

它不像傳統電池那樣依賴鋰、鈷等稀缺礦物，也不產生有毒廢物，而是利用細菌分解有機物時產生的電子流動來形成電流。

然而一個多世紀以來，這種“微生物活電池”始終停留在實驗室——輸出功率太低，性能時好時壞，尤其是在干燥或氧氣過多的環境中幾乎“罷工”。

但微生物燃料電池的便利性，讓研究人員一直都未放棄對這條技術路線的探索。

最近，兩個分別專注于水下微生物電池和土壤微生物電池的研究團隊，先后取得了技術突破，共同指向一個不再依賴鋰電池的未來。

實際上，微生物燃料電池的工作原理，和普通電池有些相似：它也有正極、負極和電解質。

微生物燃料電池中的細菌在分解有機物時釋放電子，這些電子通過電極被捕獲，再經過外電路流動，就形成了電流。

來自美國密歇根理工大學的研究人員正在開發的微生物燃料電池系統，正是通過利用海水中已有的有機物發電，幫助水下傳感器更長時間續航，減少維護次數。

圖說：研究人員在受控的環境中監測電輸出

來源：密歇根理工大學官網

該項目是國防高級研究計劃局（DIAPA）生物海底能源（BLUE）項目的一部分，旨在為長航海傳感器創建自加注水下電力系統。

密歇根理工大學生物科學教授艾米·馬卡雷利介紹，目前海洋環境中越來越多地部署各種傳感器，用于觀測生態狀況、生物遷徙以及與海軍防御相關的聲學信息。

然而大部分水下監測系統都依賴電池，需要昂貴的回收和更換操作。

馬卡雷利領導的研究團隊正在測試利用細菌將海水中溶解的有機物轉化為電流。

但海洋環境有著先天難題。首先是海水中有機物含量遠低于微生物燃料電池常見的應用環境，比如污水處理廠。

而且，海水中微生物含量太低的同時，含氧量太高。過多氧氣會干擾電子傳遞過程，降低微生物電池發電效率。

為了克服這一難題，研究人員需要在聚集水體中有機物的同時限制氧氣進入微生物燃料電池。

他們設計了一種管狀微生物燃料電池，內部填充顆粒狀活性炭。活性炭在富集海水中有機物的同時，還為微生物提供了附著生長的表面——微生物在碳材料表面形成一層生物膜。

而且，這層生物膜還有助于創造出局部缺氧的微環境，讓細菌即使在富氧海水中也能安心工作。

圖說：水下微生物燃料電池（MFC）的基本設計

來源：密歇根理工大學官網

在切薩皮克灣持續30天的水下測試中，原型系統全程泡在水底照常發電。

最新版本還采用了模塊化設計，每個單元自帶水泵和控制板，可以像積木一樣堆疊組合，方便部署和維護。

該系統設計為完全水下運行，無需依賴人工維護。研究人員表示，這可能使海洋傳感器在偏遠環境中保持更長時間的活躍。

他們甚至利用遙感和環境數據建立了全球預測模型，估算出哪些沿海區域適合部署這種海底發電系統。

下一步，他們計劃在切薩皮克灣同時投放10個微生物燃料電池，測試能否實現長達一年的免維護水下運行。

在密歇根團隊深耕海底的同時，美國西北大學的科學家們把目光投向了更常見、也更難對付的環境——泥土。

該研究團隊開發出一種利用土壤中天然存在的微生物發電的燃料電池。

這種裝置大小與一本平裝書相仿，它通過捕獲這些微生物分解土壤中有機物時釋放的能量來產生少量電力。

這種土壤供電系統旨在為精準農業和環境監測中使用的地下傳感器供電，有望替代傳統的鋰離子電池。

在過去的幾十年中，科學家們嘗試過各種土壤微生物燃料電池，但它們始終有一個致命弱點：性能不穩定。

尤其是在干旱條件下，土壤缺水，微生物活性下降，電池幾乎無法工作。而一旦洪水來襲，電池又可能被淹沒，氧氣供應被切斷，同樣無法正常運轉。

西北大學的團隊花了兩年時間，對比了四種不同設計，最終找到了一種巧妙的幾何結構解決了這個問題。

圖說：垂直放置的土壤微生物電池結構

https://dl.acm.org/doi/10.1145/3631410

傳統的微生物燃料電池通常將正極和負極平行放置，但研究人員將它們的布局改成了垂直方向：負極（由廉價的碳氈制成）水平埋設在土壤中，負責捕獲微生物釋放的電子；正極（由導電金屬制成）則垂直向上延伸，露出地面。

這樣一來，即使表層土壤干燥，埋在下方的負極仍然能接觸到深層潮濕的土壤，保證微生物的活性和離子流動；而露出地面的正極則能持續獲得氧氣，維持電化學反應所需的氧氣供應。一個簡單的結構改變，同時解決了干燥和缺氧兩大難題。

此外，研究人員還在正極表面涂覆了防水材料，并在裝置頂部加了一個3D打印的保護頂蓋。這個“帽子”既能防止沙石雜物掉進電池內部，又能保證空氣流通。

當洪水來臨時，防水涂層能讓正極繼續工作；洪水退去后，垂直結構也能幫助電池緩慢恢復干燥狀態，不會因為突然失去水分而損壞。

圖說：露出地面的3D打印頂蓋。該頂蓋可防止雜物進入裝置，同時保證空氣流通。

來源：西北大學

實際數據顯示，這個只有平裝書大小的裝置，在長達九個月的戶外測試中表現驚人——從干燥到完全水淹的各種土壤條件下，它產生的平均功率是傳感器實際需求量的68倍。

這意味著，它不僅能穩定運行，還有充足的余量。研究團隊用它成功驅動了土壤濕度傳感器和觸摸傳感器，后者可以感知動物走過土地時引起的細微擾動。

目前，研究團隊已經在探索完全可生物降解的版本，進一步減少環境影響。

這兩項來自不同團隊的技術突破，恰好代表了微生物燃料電池的兩種典型應用思路。

密歇根理工大學的海底系統傾向于“做大”，通過模塊化堆疊和工程化設計，追求更高的功率和更長的續航，目標是支撐軍事防御、生態監測等大型水下網絡。

而西北大學的土壤系統走的是“做穩”，通過巧妙的幾何結構，讓微小的功率在惡劣環境中持續輸出，目標是讓精密農業和物聯網傳感器擺脫電池的束縛。

雖然這種微生物燃料電池目前還無法為手機或電動汽車供電，但在低功耗的物聯網傳感器領域，它有望徹底改變游戲規則。

或許未來能源的智慧，就藏在不起眼的微生物中。

Reference：

[1]https://interestingengineering.com/energy/darpa-microbial-fuel-cell-underwater-sensors

[2]https://www.mtu.edu/unscripted/2026/05/michigan-tech-researchers-develop-selffueling-marine-battery-for-darpa-blue-program.html

[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260419054821.htm

[4]https://dl.acm.org/doi/10.1145/3631410

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