近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院（深圳先進院）的鐘超團隊攜手劉志遠團隊，以及深圳大學(xué)的王任衡團隊，在生物能源領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。他們在《先進材料》期刊上發(fā)表的最新研究成果，不僅揭示了微生物燃料電池的微型化與便攜化潛力，更為智能手表、心臟起搏器等低功耗設(shè)備提供了全新的能源解決方案。這項技術(shù)的核心在于3D打印活體水凝膠技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，以及生物電刺激裝置的巧妙整合，共同構(gòu)建了一個直徑僅20毫米、高度3.2毫米的微型便攜式微生物燃料電池。

微生物燃料電池，這一聽起來頗具科幻色彩的技術(shù)，實際上是一種利用電活性微生物的代謝活動來發(fā)電的新型生物能源裝置。微生物在生命活動中，能夠通過特定的代謝途徑產(chǎn)生電子，這些電子經(jīng)過外部電路傳遞，形成電流，從而實現(xiàn)了從生物能到電能的轉(zhuǎn)換。而深圳先進院的這項研究，則是將這一技術(shù)推向了微型化和便攜化的新高度。

研究團隊受傳統(tǒng)鋰電池制造技術(shù)的啟發(fā)，采用了陰陽極分離的優(yōu)化設(shè)計。他們選擇活體水凝膠作為“陽極”，這種水凝膠不僅具有良好的生物相容性，還能夠為微生物提供一個適宜的生長環(huán)境。同時，他們利用含鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為“陰極”，通過3D打印技術(shù)制備出高性能的電極結(jié)構(gòu)。這種陰陽極的巧妙組合，再加上3D打印技術(shù)的精準控制，最終成功構(gòu)建出了這個硬幣大小的微型生物電池系統(tǒng)。

該生物電池的發(fā)電原理并不復(fù)雜，它主要依賴于水凝膠內(nèi)細菌的代謝活動。當(dāng)細菌在水凝膠中生長并代謝時，會產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子通過外部電路傳遞到陰極，形成電流；而質(zhì)子則通過水凝膠內(nèi)部的通道傳遞到陰極，與電子和氧氣結(jié)合生成水。在這個過程中，細菌不僅為電池提供了源源不斷的電能，還保持了自身的生長和代謝活動。

實驗數(shù)據(jù)顯示，在細菌生長10小時后，生物電池能夠達到450毫伏的電壓。這一電壓雖然看似不高，但對于智能手表、心臟起搏器等低功耗設(shè)備來說，已經(jīng)足夠滿足其能源需求。更令人驚喜的是，該生物電池還具有出色的自充電能力。在長達10次的自充電-放電循環(huán)中，細菌維持了超過70%的高存活率，甚至在循環(huán)結(jié)束時存活率仍高達97%。這一結(jié)果充分證明了細菌在電池內(nèi)部仍然保持著旺盛的生長和代謝活動，為生物電池的長期穩(wěn)定運行提供了有力保障。

除了自充電能力外，生物電池還展現(xiàn)出了出色的循環(huán)穩(wěn)定性和極低的能量損失。在連續(xù)運行100小時后，細菌仍然保持了超過90%的高存活率，而生物電池的電壓和性能也幾乎沒有發(fā)生衰減。這一結(jié)果表明，生物電池在長時間運行下仍能保持穩(wěn)定的性能輸出，這對于其在實際應(yīng)用中的可靠性至關(guān)重要。

此外，生物電池在環(huán)保方面也具有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)電池中常含有鈷、鋰等稀缺金屬以及有毒電解質(zhì)，這些物質(zhì)的開采和處理都會對環(huán)境造成嚴重影響。而生物電池則完全避免了這些有毒有害物質(zhì)的使用，其原料主要來源于自然界中的微生物和水凝膠等可再生資源。因此，生物電池在推動綠色能源發(fā)展、減少環(huán)境污染方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

在疾病治療方面，這項研究同樣展現(xiàn)出了巨大的潛力。研究團隊創(chuàng)新性地將生物電刺激裝置整合到了微型生物電池中，通過刺激神經(jīng)元實現(xiàn)了對電生理和血壓的精準調(diào)節(jié)。這一技術(shù)有望為神經(jīng)性疾病、心血管疾病等疾病的治療提供新的思路和方法。例如，在心臟起搏器領(lǐng)域，傳統(tǒng)起搏器需要定期更換電池，且手術(shù)風(fēng)險較高。而采用生物電池作為能源供應(yīng)的心臟起搏器，則可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行，減少手術(shù)次數(shù)和患者痛苦。

當(dāng)然，作為一項新興技術(shù)，生物電池還面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題需要解決。例如，如何進一步提高生物電池的電壓和功率密度、如何延長其使用壽命、如何降低成本并實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化等。但相信隨著科研人員的不斷努力和技術(shù)的不斷進步，這些問題都將得到逐步解決。