不用充电、不用换电池，这种微生物“永动机”真的来了

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Shutterstock

撰文| Bell

编辑 | 小澜

→这是《环球零碳》的1983篇原创

无论是在广袤的农田还是深邃的海底，在我们看不见的地方，有着数以千计的传感器正在默默工作，或是检测农业数据，或是进行海燕研究。

但它们的“生命”却被电池死死掐住——这些设备传统上都采用锂电池供电，而锂电池总有电量耗尽的一天。

这意味着每隔一段时间，这些传感器都得更换电池进行补能来维持工作。这种费力、费钱又费时的场景，正是当前环境传感器网络面临的现实困境。

那么有没有一种可能——让这些电池实现自给自足，直接从环境中充电？

答案是肯定的。早在20世纪初，人类就发现某些微生物在代谢过程中会自然而然地释放电子。这一现象催生了一个略显科幻的概念：微生物燃料电池（MFC）。

它不像传统电池那样依赖锂、钴等稀缺矿物，也不产生有毒废物，而是利用细菌分解有机物时产生的电子流动来形成电流。

然而一个多世纪以来，这种“微生物活电池”始终停留在实验室——输出功率太低，性能时好时坏，尤其是在干燥或氧气过多的环境中几乎“罢工”。

但微生物燃料电池的便利性，让研究人员一直都未放弃对这条技术路线的探索。

最近，两个分别专注于水下微生物电池和土壤微生物电池的研究团队，先后取得了技术突破，共同指向一个不再依赖锂电池的未来。

实际上，微生物燃料电池的工作原理，和普通电池有些相似：它也有正极、负极和电解质。

微生物燃料电池中的细菌在分解有机物时释放电子，这些电子通过电极被捕获，再经过外电路流动，就形成了电流。

来自美国密歇根理工大学的研究人员正在开发的微生物燃料电池系统，正是通过利用海水中已有的有机物发电，帮助水下传感器更长时间续航，减少维护次数。

图说：研究人员在受控的环境中监测电输出

来源：密歇根理工大学官网

该项目是国防高级研究计划局（DIAPA）生物海底能源（BLUE）项目的一部分，旨在为长航海传感器创建自加注水下电力系统。

密歇根理工大学生物科学教授艾米·马卡雷利介绍，目前海洋环境中越来越多地部署各种传感器，用于观测生态状况、生物迁徙以及与海军防御相关的声学信息。

然而大部分水下监测系统都依赖电池，需要昂贵的回收和更换操作。

马卡雷利领导的研究团队正在测试利用细菌将海水中溶解的有机物转化为电流。

但海洋环境有着先天难题。首先是海水中有机物含量远低于微生物燃料电池常见的应用环境，比如污水处理厂。

而且，海水中微生物含量太低的同时，含氧量太高。过多氧气会干扰电子传递过程，降低微生物电池发电效率。

为了克服这一难题，研究人员需要在聚集水体中有机物的同时限制氧气进入微生物燃料电池。

他们设计了一种管状微生物燃料电池，内部填充颗粒状活性炭。活性炭在富集海水中有机物的同时，还为微生物提供了附着生长的表面——微生物在碳材料表面形成一层生物膜。

而且，这层生物膜还有助于创造出局部缺氧的微环境，让细菌即使在富氧海水中也能安心工作。

图说：水下微生物燃料电池（MFC）的基本设计

来源：密歇根理工大学官网

在切萨皮克湾持续30天的水下测试中，原型系统全程泡在水底照常发电。

最新版本还采用了模块化设计，每个单元自带水泵和控制板，可以像积木一样堆叠组合，方便部署和维护。

该系统设计为完全水下运行，无需依赖人工维护。研究人员表示，这可能使海洋传感器在偏远环境中保持更长时间的活跃。

他们甚至利用遥感和环境数据建立了全球预测模型，估算出哪些沿海区域适合部署这种海底发电系统。

下一步，他们计划在切萨皮克湾同时投放10个微生物燃料电池，测试能否实现长达一年的免维护水下运行。

在密歇根团队深耕海底的同时，美国西北大学的科学家们把目光投向了更常见、也更难对付的环境——泥土。

该研究团队开发出一种利用土壤中天然存在的微生物发电的燃料电池。

这种装置大小与一本平装书相仿，它通过捕获这些微生物分解土壤中有机物时释放的能量来产生少量电力。

这种土壤供电系统旨在为精准农业和环境监测中使用的地下传感器供电，有望替代传统的锂离子电池。

在过去的几十年中，科学家们尝试过各种土壤微生物燃料电池，但它们始终有一个致命弱点：性能不稳定。

尤其是在干旱条件下，土壤缺水，微生物活性下降，电池几乎无法工作。而一旦洪水来袭，电池又可能被淹没，氧气供应被切断，同样无法正常运转。

西北大学的团队花了两年时间，对比了四种不同设计，最终找到了一种巧妙的几何结构解决了这个问题。

图说：垂直放置的土壤微生物电池结构

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

传统的微生物燃料电池通常将正极和负极平行放置，但研究人员将它们的布局改成了垂直方向：负极（由廉价的碳毡制成）水平埋设在土壤中，负责捕获微生物释放的电子；正极（由导电金属制成）则垂直向上延伸，露出地面。

这样一来，即使表层土壤干燥，埋在下方的负极仍然能接触到深层潮湿的土壤，保证微生物的活性和离子流动；而露出地面的正极则能持续获得氧气，维持电化学反应所需的氧气供应。一个简单的结构改变，同时解决了干燥和缺氧两大难题。

此外，研究人员还在正极表面涂覆了防水材料，并在装置顶部加了一个3D打印的保护顶盖。这个“帽子”既能防止沙石杂物掉进电池内部，又能保证空气流通。

当洪水来临时，防水涂层能让正极继续工作；洪水退去后，垂直结构也能帮助电池缓慢恢复干燥状态，不会因为突然失去水分而损坏。

图说：露出地面的3D打印顶盖。该顶盖可防止杂物进入装置，同时保证空气流通。

来源：西北大学

实际数据显示，这个只有平装书大小的装置，在长达九个月的户外测试中表现惊人——从干燥到完全水淹的各种土壤条件下，它产生的平均功率是传感器实际需求量的68倍。

这意味着，它不仅能稳定运行，还有充足的余量。研究团队用它成功驱动了土壤湿度传感器和触摸传感器，后者可以感知动物走过土地时引起的细微扰动。

目前，研究团队已经在探索完全可生物降解的版本，进一步减少环境影响。

这两项来自不同团队的技术突破，恰好代表了微生物燃料电池的两种典型应用思路。

密歇根理工大学的海底系统倾向于“做大”，通过模块化堆叠和工程化设计，追求更高的功率和更长的续航，目标是支撑军事防御、生态监测等大型水下网络。

而西北大学的土壤系统走的是“做稳”，通过巧妙的几何结构，让微小的功率在恶劣环境中持续输出，目标是让精密农业和物联网传感器摆脱电池的束缚。

虽然这种微生物燃料电池目前还无法为手机或电动汽车供电，但在低功耗的物联网传感器领域，它有望彻底改变游戏规则。

或许未来能源的智慧，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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