仿小肠绒毛的细菌电池，功率密度提升8倍

小肠承担着化学消化、营养与水分吸收、激素分泌和免疫防御等多项功能。如今它又多了一个新身份：电池设计的灵感来源。宾汉姆顿大学（Binghamton University）的研究人员模仿小肠内壁那些被称为“绒毛”（villi）的指状突起，开发出一种新型细菌生物电池，其单位体积产生的电量是同等体积平面设计的 8 倍以上。团队复制了绒毛的形状、材料与工作方式，为产电微生物营造更适宜的栖息环境。

微生物燃料电池的基本原理

这类生物电池属于微生物燃料电池（MFC），利用活的微生物把有机物中储存的化学能转化为电能。某些细菌在代谢过程中会自然分解有机化合物并释放电子；电池的阳极收集这些电子，电子经外电路流向阴极，从而形成电流。与此同时，带电离子通过电解质（通常是含溶解盐类的液体）迁移，以完成电化学反应。只要细菌保持活性且养分充足，系统就能持续发电。

此前，MFC 已被尝试用于污水处理、环境监测和为小型电子设备供电，甚至有实验系统用“吃”尿液的细菌点亮 LED 灯。但这类电池大多仍停留在实验室、中试装置和特定场景，主要瓶颈之一就是输出功率偏低。难点在于电极设计：既要给细菌足够的生长空间，又要让养分送得进去、代谢废物排得出来。

平面电极与生物膜堵塞

传统平面电极可供细菌附着的表面积有限，发电量因此受限。研究人员尝试过多孔材料，包括纸、织物和特制聚合物，其相互连通的孔隙能提供额外表面。然而细菌大量繁殖后会形成黏稠的生物膜，逐渐堵塞孔隙，阻碍养分输送、困住代谢废物，并造成细菌生长不均，最终拖累发电表现。

“多孔结构很容易被形成的生物膜堵住，我们在养分输送、废物积累和生物膜生长不均方面遇到很多问题。我们需要一种模拟活体组织的生物电极，既能提供大表面积和短扩散距离、实现高效物质传输，同时还要具备机械柔性、可拉伸性和可扩展性。”——宾汉姆顿大学生物电子与微系统实验室负责人 Seokheun Choi 教授

研究团队从人类小肠中找到了可能的答案。

小肠内壁排列着数以百万计的微小指状突起，极大增加了吸收营养的表面积；其凸起结构让养分可以从四周流过，而周围富水的环境又支持着生物活动。研究者认为，如果把其中部分特征复刻到微生物燃料电池中，就能在不牺牲养分与废物输运的前提下，为产电细菌提供更多空间。

导电水凝胶打造的“人工绒毛”

为此，团队制作了柔性、导电、表面覆有水凝胶的指状柱体，形态类似小肠绒毛。这种水凝胶由聚乙烯醇与导电聚合物 PEDOT 以及还原氧化石墨烯复合而成，是一种柔软、保水且能导电的材料。随后，他们把人造绒毛整体浸入了处于休眠状态的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）芽孢——这种细菌能够把电子转移到细胞外。当接触到合适的营养液时，芽孢萌发为代谢活跃的细菌，并开始发电。

接下来，研究人员把人工绒毛装入完整的微生物燃料电池，以充满细菌的水凝胶作为阳极，并配置改性碳布阴极。两者之间用离子交换膜隔开，允许离子通过，同时保持两侧电极环境独立。含营养物质的液体同时充当电解质，既为细菌提供“食物”，也让离子在系统中迁移。

为了找出最有效的设计，团队制造并测试了 24 种不同柱高与半径的组合，考察尺寸对发电能力的影响。他们还制作了包含多根绒毛的柔性贴片，并在模拟污水管道的环境中进行测试。

成果发表在期刊 《Small》 上。在体积匹配的条件下，仿绒毛设计的体积功率密度达到 66.45 微瓦每立方厘米（µW/cm³），而传统平面电极仅为 8.04 µW/cm³，提升约 8.3 倍——这一对比针对的是研究者自己的平面设计，而非所有现有的微生物燃料电池。表现最佳的单根指状电极峰值输出为 8.35 微瓦；在持续供给养分的情况下，器件可在约 0.75 伏电压下维持至少 14 小时。

指标	仿小肠绒毛设计	平面电极（同体积）
体积功率密度	66.45 µW/cm³	8.04 µW/cm³
单根电极峰值输出	8.35 µW	—
持续输出电压	约 0.75 V（≥14 小时）	—

现实定位与应用前景

先说清楚量级：1 微瓦是百万分之一瓦，因此即便是改进后的设计，也远不足以驱动普通消费电子产品。

不过，一个颇具潜力的方向是自供电环境监测，尤其是污水管道内部。污水中含有细菌可代谢的有机物，理论上安装在管内的传感器可以从流经的污水中获取电能。柔性水凝胶贴片能够贴合管壁的弧形表面，为环境监测提供少量电力。研究团队已用模拟污水的营养液在仿真管道中验证了这一概念。

此外，还可以通过制造更大的贴片或串联多个生物电池来扩大规模，但这会带来新的问题：微生物燃料电池的尺寸增大，并不一定带来成正比的电量提升，养分分布、内阻等因素都会影响性能。目前团队正致力于开发可规模化的单步打印工艺，并希望让人造绒毛更逼真地还原小肠的生理与化学环境。

来源：Binghamton University