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Nature子刊:一种细菌生物膜可以通过皮肤上的汗液为可穿戴设备“永久充电”


可穿戴设备由于涉及领域广泛,已成为越来越多人生活或工作中的助手。然而,电源或电池问题一直是该设备应用的最大限制因素,因为同时实现体积超轻薄和待机时间长似乎是个不可能完成的任务。
不过,在不远的将来,你身上就会一款超轻薄的柔性可穿戴设备,它永远不需要摘下来充电,因为皮肤上的汗液会为它源源不断地提供能量。这不是异想天开。因为,科学家们已经通过微生物找到了为可穿戴设备持续发电的方法。
2022年7月28日,发表在《Nature Communications》上的一项新研究中,来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的跨学科团队设计了一种细菌生物膜,可以在汗液蒸发过程中收集能量并将其转化为电能,从而彻底改变从个人医疗传感器到电子设备的可穿戴电子设备。


微生物在自然界中无处不在。其中,就有几种电活性细菌能从有机物氧化中发电。因此,科学家们尝试将细菌生物膜作为一种生物材料从皮肤上的水分中获取电力以持续为可穿戴设备供电的可能。
在这项新研究中,研究人员展示了由可持续原料生产的生物膜作为一种基于水蒸发诱导发电的无生命生物材料。
这种细菌生物膜由一片约40微米厚(约一张纸厚)的细菌细胞组成。确切地说,它是由经过基因改造的硫还原地杆菌Geobacter sulfurreducens)组成。G.sulfurreducens是目前已知产电与成膜能力最强的电活性微生物之一
此前,科学家们曾将G. sulfurreducens用于微生物燃料电池技术。这项技术要求细菌在缺氧条件下保持存活状态,并需要持续供应有机燃料。相比之下,生物膜片装置实现了类似或更好的能量密度和更快的启动时间,而不依赖于细胞活性;而且,将生物膜在空气中保存一个月以上,或90℃下烘烤对产电均无影响。
这种方法的效率更高。从根本上减少了究人员的工作量,从而简化了细菌的发电过程。
这一过程依赖于基于蒸发的发电,即“水伏效应”。水流受固体生物膜和液态水之间的蒸发驱动,水流驱动电荷的传输以产生电流。

G. sulfurreducens菌落生长在薄垫中,研究人员收集这些细菌后用激光在其中蚀刻出小电路。然后将它们夹在网状电极之间,最后密封在柔软有粘性且透气的聚合物中。该聚合物可直接涂抹在皮肤上,不会刺激皮肤。

研究人员将这种新型可穿戴设备放置在水面上进行测试。结果显示,它能够连续产生约0.45伏的电力;而当戴在出汗的皮肤上时,它能产生18小时的电力,即使在不出汗的皮肤表面也能产生大量的电力输出。这表明皮肤表面持续分泌的低水平水分也足以产生驱动效果。
接下来,研究人员还将增加这种生物膜的尺寸,以为更复杂的皮肤可穿戴电子设备提供能量。

为小LCD屏幕供电的集成设备阵列

该团队的目标是有朝一日不仅能够利用这种生物膜为单个设备供电,而且还能为整个电子系统供电。由于微生物能够用可再生原料大规模生产,因此对于清洁能源驱动的设备来说,微生物是绝佳的可再生材料替代品。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6




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