研究人員開發人類腸道啟發的細菌電池，測試期間維持 0.75 伏特輸出 14 小時

位於賓漢頓大學的研究人員開發了一款受人類小腸啟發的細菌驅動電池，該電池在測試期間保持約 0.75 伏特的輸出，持續時間達 14 小時。該裝置採用靈活的、類似手指的結構，靈感來源於腸絨毛，旨在提供更多空間讓細菌生長，同時改善營養物質的傳遞和廢物的排除。這些微小的突起通常幫助腸道吸收營養，有助於提高使用形成孢子的細菌進行發電的模型。研究團隊利用靈活的聚合物水凝膠製造這些結構，並在其中嵌入了芽孢桿菌。

這些結構作為電池的陽極，細菌的活性有助於發電。團隊表示，這項技術最終可安裝在廢水管道中，利用有機廢物作為營養來源，為低功耗裝置產生電力。

細菌電池的工作原理

細菌驅動電池通過利用微生物的代謝活動來生成電力。然而，它們的性能部分取決於細菌接受營養和排放廢物的有效性。傳統的二維電極為細菌生長提供的表面積有限。多孔材料雖然提供了額外的空間，但隨著細菌形成生物膜而可能變得堵塞，限制了營養物質和廢物的移動。「多孔結構容易受到生物膜形成的影響，因此我們在營養傳遞、廢物積聚或生物膜生長不均等方面遇到許多問題，」賓漢頓大學電氣與計算機工程教授崔錫勳表示。

為瞭解決這些問題，崔教授及其博士研究生張若涵和王博天轉向小腸的結構。腸絨毛提供了較大的表面積，同時允許營養物質在相對較短的距離內移動。研究人員試圖在靈活的電池電極中重現這些優勢。

未來的應用與挑戰

他們從一種常用於生物醫學應用的聚合物水凝膠中創造出手指狀的突起。這種材料使他們能夠建造三維結構，能夠容納細菌遍佈整個電極。含細菌的結構形成陽極，而改良的碳布陰極則位於離子交換膜的對側。這些元件共同作用，使裝置能夠在細菌代謝營養物質時產生電力。研究人員設想將未來版本的生物電池放置在廢水管道中，讓微生物利用水中有機物作為燃料。「我們可以將這個生物電池放在廢水管道中，因為它可以輕鬆與周圍環境整合，」崔教授表示。

靈活的水凝膠可以使電池適應不同的管道形狀和大小。這類系統最終可能為小型傳感器提供電力，而無需傳統電池。

然而，該研究仍處於早期階段。報告中的電壓是在持續供應營養介質的情況下維持的，團隊尚未展示該系統在廢水管道內運行的情況。研究人員還希望通過單步印刷過程簡化製造，從而使結構更易於大規模生產。另一個目標是改善細菌在裝置內的分佈。在人類腸道中，微生物主要集中在靠近腸絨毛表面的黏液層中。目前的設計則是在整個水凝膠中嵌入細菌。未來的工作將探討是否重現更多腸道的物理和化學條件能夠幫助維持細菌的活性並改善性能。

相關研究成果已發表在《Small》期刊上。

細菌電池的潛在應用與發展方向

細菌驅動電池的開發展示了生物技術在能源領域的潛力，特別是在利用廢水中的有機物生成電力方面。這種技術不僅可為低功耗裝置提供持續電力，還可減少傳統電池的環境影響。然而，該技術目前仍面臨挑戰，包括細菌的有效分佈和生物膜的形成問題。未來的研究將重點放在如何優化這些因素，以提高電池性能並推動其商業化應用。