นักวิจัยพัฒนาสารแบคทีเรียที่ได้รับแรงบันดาลใจจากลำไส้มนุษย์เพื่อสร้างแบตเตอรี่ สามารถรักษาแรงดันไฟฟ้า 0.75 โวลต์ได้นาน 14 ชั่วโมง

นักวิจัยที่ตั้งอยู่ที่ Binghamton University ได้พัฒนาแบตเตอรี่ที่ขับเคลื่อนด้วยแบคทีเรียซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากลำไส้เล็กของมนุษย์ โดยแบตเตอรี่ดังกล่าวสามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าประมาณ 0.75 โวลต์ได้ในระหว่างการทดสอบเป็นระยะเวลา 14 ชั่วโมง อุปกรณ์นี้มีโครงสร้างที่ยืดหยุ่นคล้ายกับนิ้วมือ ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากวิลลิ เพื่อให้มีพื้นที่มากขึ้นสำหรับการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย พร้อมทั้งปรับปรุงการส่งผ่านสารอาหารและการกำจัดของเสีย โครงสร้างเล็กๆ เหล่านี้มักช่วยในการดูดซึมสารอาหารในลำไส้ และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าจากแบคทีเรียที่สร้างสปอร์ ทีมวิจัยใช้พอลิเมอร์เจลที่ยืดหยุ่นในการผลิตโครงสร้างเหล่านี้ และได้ฝัง Bacillus subtilis ไว้ในนั้น

โครงสร้างเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่ โดยกิจกรรมของแบคทีเรียช่วยในการผลิตไฟฟ้า ทีมงานกล่าวว่า เทคโนโลยีนี้สามารถติดตั้งในท่อระบายน้ำ โดยใช้ของเสียอินทรีย์เป็นแหล่งสารอาหารเพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ

หลักการทำงานของแบตเตอรี่แบคทีเรีย

แบตเตอรี่ที่ขับเคลื่อนด้วยแบคทีเรียผลิตไฟฟ้าจากกิจกรรมการเผาผลาญของจุลชีพ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของมันขึ้นอยู่กับความสามารถของแบคทีเรียในการรับสารอาหารและกำจัดของเสีย ขั้วไฟฟ้าสองมิติแบบดั้งเดิมมีพื้นที่ผิวที่จำกัดสำหรับการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย แม้ว่าวัสดุที่มีรูพรุนจะมีพื้นที่เพิ่มเติม แต่ก็อาจเกิดการอุดตันเมื่อแบคทีเรียสร้างฟิล์มชีวภาพ ซึ่งจะจำกัดการเคลื่อนที่ของสารอาหารและของเสีย "โครงสร้างที่มีรูพรุนจะได้รับผลกระทบจากการสร้างฟิล์มชีวภาพ ดังนั้นเราจึงพบปัญหามากมายในด้านการส่งผ่านสารอาหาร การสะสมของเสีย หรือการเจริญเติบโตของฟิล์มชีวภาพที่ไม่สม่ำเสมอ" ศาสตราจารย์ Choi Seok-hoon แห่ง Binghamton University กล่าว

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ศาสตราจารย์ Choi และนักศึกษาระดับปริญญาเอก Zhang Ruohan และ Wang Botian หันไปศึกษาโครงสร้างของลำไส้เล็ก วิลลิช่วยให้มีพื้นที่ผิวที่มากขึ้น ในขณะที่อนุญาตให้สารอาหารเคลื่อนที่ในระยะทางที่ค่อนข้างสั้น นักวิจัยพยายามที่จะทำซ้ำข้อดีเหล่านี้ในขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่น

การใช้งานในอนาคตและความท้าทาย

พวกเขาสร้างโครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายกับนิ้วจากพอลิเมอร์เจลที่ใช้กันทั่วไปในงานชีวการแพทย์ วัสดุนี้ช่วยให้พวกเขาสามารถสร้างโครงสร้างสามมิติที่สามารถรองรับแบคทีเรียได้ทั่วทั้งขั้วไฟฟ้า โครงสร้างที่มีแบคทีเรียจะสร้างขั้วบวก ในขณะที่ขั้วลบที่ปรับปรุงแล้วจะอยู่ฝั่งตรงข้ามของเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน องค์ประกอบเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อให้สามารถผลิตไฟฟ้าได้เมื่อแบคทีเรียเผาผลาญสารอาหาร ทีมวิจัยวางแผนที่จะติดตั้งแบตเตอรี่ชีวภาพรุ่นในอนาคตในท่อระบายน้ำ เพื่อให้จุลชีพใช้สารอินทรีย์ในน้ำเป็นเชื้อเพลิง "เราสามารถติดตั้งแบตเตอรี่ชีวภาพนี้ในท่อระบายน้ำได้ เพราะมันสามารถรวมเข้ากับสภาพแวดล้อมรอบข้างได้อย่างง่ายดาย" ศาสตราจารย์ Choi กล่าว

เจลที่ยืดหยุ่นช่วยให้แบตเตอรี่สามารถปรับตัวเข้ากับรูปทรงและขนาดของท่อที่แตกต่างกัน ระบบประเภทนี้อาจให้พลังงานแก่เซ็นเซอร์ขนาดเล็ก โดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่แบบดั้งเดิม

อย่างไรก็ตาม การวิจัยยังอยู่ในระยะเริ่มต้น แรงดันไฟฟ้าที่รายงานนั้นรักษาไว้ในขณะที่มีการจัดหาสารอาหารอย่างต่อเนื่อง ทีมงานยังไม่ได้แสดงให้เห็นว่าระบบนี้ทำงานในท่อระบายน้ำได้อย่างไร นักวิจัยยังหวังที่จะทำให้การผลิตง่ายขึ้นผ่านกระบวนการพิมพ์แบบทีละขั้นตอน เพื่อให้โครงสร้างสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก เป้าหมายอีกอย่างคือการปรับปรุงการกระจายของแบคทีเรียในอุปกรณ์ ในลำไส้ของมนุษย์ จุลชีพจะมุ่งเน้นที่ชั้นเมือกใกล้กับพื้นผิวของวิลลิ ขณะนี้การออกแบบคือการฝังแบคทีเรียทั่วทั้งเจล นักวิจัยจะสำรวจว่า การทำซ้ำสภาพทางกายภาพและเคมีของลำไส้มากขึ้นสามารถช่วยรักษากิจกรรมของแบคทีเรียและปรับปรุงประสิทธิภาพได้หรือไม่

ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Small

การใช้งานและแนวทางการพัฒนาแบตเตอรี่แบคทีเรีย

การพัฒนาแบตเตอรี่ที่ขับเคลื่อนด้วยแบคทีเรียแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคโนโลยีชีวภาพในด้านพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตไฟฟ้าจากสารอินทรีย์ในน้ำเสีย เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่สามารถให้พลังงานอย่างต่อเนื่องแก่เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก แต่ยังช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ยังคงเผชิญกับความท้าทาย รวมถึงปัญหาการกระจายแบคทีเรียอย่างมีประสิทธิภาพและการเกิดฟิล์มชีวภาพ การวิจัยในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงปัจจัยเหล่านี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และผลักดันการใช้งานในเชิงพาณิชย์