باحثون يطورون بطارية بكتيرية مستوحاة من الأمعاء البشرية، تحافظ على خرج 0.75 فولت لمدة 14 ساعة

طور باحثون في جامعة بنغهامتون بطارية تعمل بالبكتيريا مستوحاة من الأمعاء الدقيقة البشرية، حيث حافظت البطارية خلال فترة الاختبار على خرج يبلغ حوالي 0.75 فولت، واستمرت لمدة 14 ساعة. تعتمد هذه الجهاز على بنية مرنة تشبه الأصابع، مستوحاة من الزغابات المعوية، بهدف توفير مساحة أكبر لنمو البكتيريا، بالإضافة إلى تحسين نقل العناصر الغذائية والتخلص من النفايات. تساعد هذه البروزات الصغيرة عادةً الأمعاء على امتصاص العناصر الغذائية، مما يعزز نموذج توليد الطاقة باستخدام البكتيريا المكونة للجراثيم. استخدم فريق البحث هلام البوليمر المرن لصنع هذه الهياكل، ودمجوا فيها Bacillus subtilis.

تعمل هذه الهياكل كأنود للبطارية، حيث يساعد نشاط البكتيريا في توليد الطاقة. وأشار الفريق إلى أن هذه التقنية يمكن أن تُركب في نهاية المطاف في أنابيب الصرف الصحي، مستفيدة من النفايات العضوية كمصدر غذائي لتوليد الطاقة للأجهزة ذات الطاقة المنخفضة.

كيفية عمل البطارية البكتيرية

تولد البطارية التي تعمل بالبكتيريا الطاقة من خلال استخدام النشاط الأيضي للميكروبات. ومع ذلك، فإن أدائها يعتمد جزئيًا على فعالية البكتيريا في تلقي العناصر الغذائية والتخلص من النفايات. توفر الأقطاب الكهربائية التقليدية ثنائية الأبعاد مساحة محدودة لنمو البكتيريا. على الرغم من أن المواد المسامية توفر مساحة إضافية، إلا أنها قد تصبح مسدودة مع تكوين البكتيريا للغشاء الحيوي، مما يحد من حركة العناصر الغذائية والنفايات. "تتأثر الهياكل المسامية بسهولة بتكوين الأغشية الحيوية، لذا واجهنا العديد من المشكلات في نقل العناصر الغذائية، وتراكم النفايات، أو نمو الأغشية الحيوية بشكل غير متساوٍ"، كما قال الأستاذ تشوي سي هسون من قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة بنغهامتون.

لحل هذه المشكلات، توجه الأستاذ تشوي وطلاب الدراسات العليا لديه، تشانغ روي هان ووانغ بو تيان، إلى بنية الأمعاء الدقيقة. توفر الزغابات المعوية مساحة سطح أكبر، بينما تسمح للعناصر الغذائية بالتحرك على مسافات قصيرة نسبيًا. حاول الباحثون إعادة إنتاج هذه المزايا في أقطاب البطارية المرنة.

التطبيقات المستقبلية والتحديات

ابتكروا نتوءات تشبه الأصابع من هلام البوليمر الشائع في التطبيقات الطبية الحيوية. تتيح لهم هذه المادة بناء هياكل ثلاثية الأبعاد، قادرة على استيعاب البكتيريا في جميع أنحاء القطب. تشكل الهياكل المحتوية على البكتيريا الأنود، بينما يقع الكاثود المحسن من قماش الكربون على الجانب الآخر من غشاء تبادل الأيونات. تعمل هذه المكونات معًا، مما يمكّن الجهاز من توليد الطاقة أثناء استقلاب البكتيريا للعناصر الغذائية. يتصور الباحثون وضع النسخ المستقبلية من البطارية الحيوية في أنابيب الصرف الصحي، مما يسمح للميكروبات باستخدام المواد العضوية في الماء كوقود. "يمكننا وضع هذه البطارية الحيوية في أنابيب الصرف الصحي، لأنها يمكن أن تتكامل بسهولة مع البيئة المحيطة"، كما قال الأستاذ تشوي.

يمكن أن تجعل الهلام المرن البطارية تتكيف مع أشكال وأحجام الأنابيب المختلفة. قد توفر هذه الأنظمة في النهاية الطاقة لأجهزة الاستشعار الصغيرة دون الحاجة إلى بطاريات تقليدية.

ومع ذلك، لا يزال البحث في مراحله الأولى. تم الحفاظ على الجهد المذكور في التقرير في ظل توفير مستمر لوسيط غذائي، ولم يُظهر الفريق بعد كيفية عمل النظام داخل أنابيب الصرف الصحي. يأمل الباحثون أيضًا في تبسيط التصنيع من خلال عملية الطباعة الأحادية، مما يجعل الهياكل أسهل للإنتاج على نطاق واسع. هدف آخر هو تحسين توزيع البكتيريا داخل الجهاز. في الأمعاء البشرية، تتركز الميكروبات بشكل رئيسي في طبقة المخاط القريبة من سطح الزغابات المعوية. بينما يتم حاليًا دمج البكتيريا في جميع أنحاء الهلام. ستستكشف الأعمال المستقبلية ما إذا كان تكرار المزيد من الظروف الفيزيائية والكيميائية للأمعاء يمكن أن يساعد في الحفاظ على نشاط البكتيريا وتحسين الأداء.

تم نشر نتائج البحث ذات الصلة في مجلة Small.

التطبيقات المحتملة للبطارية البكتيرية واتجاهات التطوير

تظهر تطوير البطارية التي تعمل بالبكتيريا إمكانيات التكنولوجيا الحيوية في مجال الطاقة، خاصة في استخدام المواد العضوية في مياه الصرف الصحي لتوليد الطاقة. لا توفر هذه التقنية طاقة مستمرة للأجهزة ذات الطاقة المنخفضة فحسب، بل تقلل أيضًا من التأثير البيئي للبطاريات التقليدية. ومع ذلك، لا تزال هذه التقنية تواجه تحديات، بما في ذلك فعالية توزيع البكتيريا ومشكلة تكوين الأغشية الحيوية. ستركز الأبحاث المستقبلية على كيفية تحسين هذه العوامل لتعزيز أداء البطارية ودفع تطبيقها التجاري.