"泥土动力燃料电池"从土壤中汲取近乎无限的能量

微生物燃料电池已有 100 多年的发展历史。它们的工作原理有点像电池，同样有阳极、阴极和电解质，但不是从化学来源获取电能，而是利用细菌在分解土壤时自然向附近的导体提供电子。

迄今为止，问题一直是如何在埋入泥土的同时保持水和氧气的供应。联合国大学校友兼项目负责人比尔-颜（Bill Yen）说："虽然 MFC 作为一个概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低输出功率阻碍了将其投入实际应用的努力，尤其是在低湿度条件下。"

该设计将一个圆盘状阳极置于底部，而垂直方向的阳极则探向表面 Bill Yen/西北大学

因此，研究小组开始着手设计几种新的设计，目的是让细胞能够持续获得氧气和水--他们成功地设计出了一种形状类似于垂直放置在水平圆盘上的墨盒的设计。圆盘状的碳毡阳极水平放置在设备底部，深埋在土壤中，当微生物消化泥土时，它可以捕获电子。

而导电金属阴极则垂直放置在阳极的顶部。因此，底部埋得足够深就可以从深层土壤中获取水分，而顶部则与地表齐平。在电极的整个长度上都有一个通气间隙，顶部的保护盖可以防止灰尘和碎屑掉入，切断阴极与氧气的接触。阴极的一部分还涂有防水材料，这样当洪水泛滥时，仍有一部分疏水性阴极与氧气接触，以保持燃料电池的运行。

在测试中，这种设计在不同的土壤湿度条件下都能保持稳定的性能，从完全浸没在水中到土壤中的含水量仅为 41%的"有些干燥"。平均而言，它所产生的电量是其板载湿度和触摸检测系统运行所需电量的 68 倍，并能通过微型天线将数据传输到附近的基站。

去掉底部圆盘状阳极的清洁和肮脏微生物燃料电池

与利用核废料制造的光伏金刚石电池等其他超长期发电能源一样，这里产生的电量不足以驱动智能手机，更多的是被设计为为小型传感器供电，这些传感器可以长期运行，无需定期更换电池。

Yen说："如果我们想象未来会有数万亿个这样的设备，我们就不能用对环境有害的锂、重金属和毒素来制造每一个设备。我们需要找到能够提供低能量的替代品，为分散的设备网络供电。在寻找解决方案的过程中，我们想到了土壤微生物燃料电池，它利用特殊的微生物分解土壤，并利用这种低能量为传感器供电。只要土壤中有有机碳供微生物分解，燃料电池的工作就有可能永远持续下去。"

对于希望监测各种土壤元素--水分、养分、污染物等--并采用技术驱动的精准农业方法的农民来说，这样的传感器可能会非常方便。在你的庄园里放上几十个这样的东西，它们就可以在未来几年甚至几十年里产生数据。

实验室土壤测试中的微生物燃料电池

据研究小组称，也许最巧妙的地方在于，这种设计的所有组件都可以在五金店买到现成的。因此，这项研究与广泛商业化之间不存在供应链或材料问题。

这项研究发表在《ACM 关于交互、移动、可穿戴和泛在技术的论文集》（Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）杂志上。