Peneliti Kembangkan Baterai Bertenaga Bakteri Terinspirasi dari Usus Manusia, Menjaga Output 0,75 Volt Selama 14 Jam

Peneliti yang berada di Binghamton University telah mengembangkan baterai yang digerakkan oleh bakteri yang terinspirasi oleh usus halus manusia, yang mampu mempertahankan output sekitar 0,75 volt selama 14 jam dalam pengujian. Alat ini menggunakan struktur fleksibel yang mirip jari, terinspirasi oleh vili usus, yang dirancang untuk memberikan lebih banyak ruang bagi pertumbuhan bakteri, sekaligus meningkatkan pengiriman nutrisi dan pengeluaran limbah. Protrusi kecil ini biasanya membantu usus menyerap nutrisi, yang berkontribusi pada peningkatan model pembangkit listrik menggunakan bakteri pembentuk spora. Tim penelitian menggunakan hidrogel polimer fleksibel untuk membuat struktur ini dan menyematkan Bacillus subtilis di dalamnya.

Struktur ini berfungsi sebagai anoda baterai, di mana aktivitas bakteri membantu dalam menghasilkan listrik. Tim menyatakan bahwa teknologi ini pada akhirnya dapat dipasang di saluran limbah, memanfaatkan limbah organik sebagai sumber nutrisi untuk menghasilkan listrik bagi perangkat berdaya rendah.

Prinsip Kerja Baterai Bakteri

Baterai yang digerakkan oleh bakteri menghasilkan listrik dengan memanfaatkan aktivitas metabolik mikroba. Namun, kinerjanya sebagian tergantung pada efektivitas bakteri dalam menerima nutrisi dan mengeluarkan limbah. Elektrode dua dimensi tradisional menyediakan area permukaan yang terbatas untuk pertumbuhan bakteri. Meskipun bahan berpori menawarkan ruang tambahan, mereka dapat tersumbat seiring dengan pembentukan biofilm oleh bakteri, yang membatasi pergerakan nutrisi dan limbah. "Struktur berpori rentan terhadap pembentukan biofilm, sehingga kami menghadapi banyak masalah terkait pengiriman nutrisi, akumulasi limbah, atau pertumbuhan biofilm yang tidak merata," kata Profesor Choi Seok-Hoon dari Departemen Teknik Elektro dan Komputer di Binghamton University.

Untuk mengatasi masalah ini, Profesor Choi dan mahasiswa doktoralnya, Zhang Ruohan dan Wang Botian, beralih ke struktur usus halus. Vili usus memberikan area permukaan yang lebih besar, sambil memungkinkan nutrisi bergerak dalam jarak yang relatif pendek. Para peneliti berusaha untuk mereproduksi keuntungan ini dalam elektroda baterai yang fleksibel.

Aplikasi dan Tantangan di Masa Depan

Mereka menciptakan protrusi berbentuk jari dari hidrogel polimer yang umum digunakan dalam aplikasi biomedis. Bahan ini memungkinkan mereka membangun struktur tiga dimensi yang dapat menampung bakteri di seluruh elektroda. Struktur yang mengandung bakteri membentuk anoda, sementara katoda yang ditingkatkan dengan kain karbon terletak di sisi berlawanan dari membran pertukaran ion. Komponen ini bekerja sama untuk memungkinkan perangkat menghasilkan listrik saat bakteri memetabolisme nutrisi. Para peneliti membayangkan versi masa depan dari baterai biologis ini akan ditempatkan di saluran limbah, memungkinkan mikroba memanfaatkan bahan organik dalam air sebagai bahan bakar. "Kami dapat menempatkan baterai biologis ini di saluran limbah karena dapat dengan mudah terintegrasi dengan lingkungan sekitar," kata Profesor Choi.

Hidrogel fleksibel memungkinkan baterai beradaptasi dengan berbagai bentuk dan ukuran saluran. Sistem semacam ini pada akhirnya dapat memberikan daya untuk sensor kecil tanpa memerlukan baterai tradisional.

Namun, penelitian ini masih dalam tahap awal. Tegangan yang dilaporkan dipertahankan dalam kondisi penyediaan media nutrisi yang terus menerus, dan tim belum menunjukkan bagaimana sistem ini beroperasi di dalam saluran limbah. Para peneliti juga berharap untuk menyederhanakan proses pembuatan melalui pencetakan satu langkah, sehingga struktur lebih mudah diproduksi secara massal. Tujuan lain adalah untuk meningkatkan distribusi bakteri di dalam perangkat. Di dalam usus manusia, mikroba terutama terkonsentrasi di lapisan lendir yang dekat dengan permukaan vili. Desain saat ini menyematkan bakteri di seluruh hidrogel. Pekerjaan di masa depan akan mengeksplorasi apakah mereproduksi lebih banyak kondisi fisik dan kimia usus dapat membantu mempertahankan aktivitas bakteri dan meningkatkan kinerja.

Hasil penelitian terkait telah dipublikasikan di jurnal Small.

Aplikasi Potensial dan Arah Pengembangan Baterai Bakteri

Pengembangan baterai yang digerakkan oleh bakteri menunjukkan potensi bioteknologi dalam bidang energi, khususnya dalam memanfaatkan bahan organik dalam limbah untuk menghasilkan listrik. Teknologi ini tidak hanya dapat memberikan daya berkelanjutan untuk perangkat berdaya rendah, tetapi juga mengurangi dampak lingkungan dari baterai tradisional. Namun, teknologi ini saat ini masih menghadapi tantangan, termasuk masalah distribusi bakteri yang efektif dan pembentukan biofilm. Penelitian di masa depan akan fokus pada bagaimana mengoptimalkan faktor-faktor ini untuk meningkatkan kinerja baterai dan mendorong aplikasi komersialnya.