科学家研发出一种以泥土为动力的燃料电池，有望取代电池。这项新技术将土壤微生物转化为智能传感器的稳定电源。

2026年4月19日 西北大学

燃料电池的3D打印顶盖露出地面。该顶盖可防止杂物进入装置，同时保证空气流通。图片来源：比尔·延/西北大学

由西北大学领导的研究团队开发出一种利用土壤中天然存在的微生物发电的燃料电池。这种装置大小与一本平装书相仿，它通过捕获这些微生物分解土壤中有机物时释放的能量来产生少量电力。

这种土壤供电系统旨在为精准农业和环境监测中使用的地下传感器供电。它有望替代传统的电池，传统电池含有有毒易燃物质，依赖复杂的全球供应链，并加剧电子垃圾的产生。

无电池供电传感器

为了展示其性能，研究团队利用燃料电池驱动传感器，这些传感器可以测量土壤湿度并检测触摸。这种触摸感应功能有助于监测野生动物的活动，例如动物穿过田野。该系统还包含一个小型天线，它通过反射现有的射频信号进行无线数据传输，从而将能耗降至极低。

该装置在各种条件下都表现出了可靠性。它既能在干燥土壤中运行，也能在洪水环境中运行，并且比同类系统产生更持久的电力，持续时间延长了约120%。

该研究发表于美国计算机协会（ACM）的《交互式、移动式、可穿戴式和普适技术会议论文集》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies）。研究人员还公开了他们的设计、教程和仿真工具，以便其他人可以在此基础上开展研究。

为什么土壤微生物对物联网至关重要

“物联网 (IoT) 设备的数量正在不断增长，”领导这项研究的西北大学校友比尔·延 (Bill Yen) 说。“如果我们设想未来会有数万亿台这样的设备，我们不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一台设备。我们需要找到能够以低能耗为分散式设备网络供电的替代方案。在寻找解决方案的过程中，我们将目光投向了土壤微生物燃料电池。这种燃料电池利用特殊的微生物分解土壤，并将产生的低能耗用于驱动传感器。只要土壤中存在可供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永久运行。”

微生物燃料电池（简称MFC）的工作原理与电池有些类似。它们也包含阳极、阴极和电解质，但不同之处在于，它们并非通过化学反应，而是依靠细菌自然释放电子。当这些电子在系统中流动时，就会产生电流。

“这些微生物无处不在；它们本来就生活在世界各地的土壤中，”西北大学的乔治·威尔斯说道，他是这项研究的资深作者。“我们可以利用非常简单的工程系统来收集它们产生的能量。我们不可能用这些能量为整个城市供电。但我们可以收集微量的能量，用于一些实用的低功耗应用。”

太阳能和电池供电传感器的挑战

精准农业依赖于庞大的传感器网络，这些传感器持续监测土壤状况，例如湿度、养分和污染物。这些数据有助于农民做出更明智的决策，并提高作物产量。

但为这些传感器供电是一大挑战。电池最终会耗尽电量，必须更换，这对于大型农场来说并不现实。太阳能电池板也不稳定，因为它们会变脏，需要阳光照射，而且占用空间。

“如果你想在野外、农场或湿地安装传感器，就只能选择安装电池或利用太阳能，”颜说。“太阳能电池板在脏乱的环境中效果不佳，因为它们容易被灰尘覆盖，没有阳光时就无法工作，而且占用空间很大。电池也存在问题，因为它们会耗尽电量。农民不可能经常跑遍100英亩的农场去更换电池或清理太阳能电池板上的灰尘。”

研究人员转而专注于直接从土壤中获取能量，将环境转化为能源。

早期微生物燃料电池为何失败

土壤微生物燃料电池自1911年就已存在，但其性能一直难以保持稳定。这些系统需要水分和氧气才能正常工作，而地下环境，尤其是在干燥条件下，很难维持这两种条件。

“虽然微生物燃料电池的概念已经存在了一个多世纪，但其性能不稳定、输出功率低，阻碍了人们将其应用于实际，尤其是在低湿度条件下，”颜先生说。

新设计提升性能

为了解决这些问题，团队花了两年时间开发和测试不同的设计方案。他们比较了四个版本，收集了九个月的性能数据，最终选定了一个原型，并在户外进行了测试。

这项突破源于几何结构的改变。新设计不再将阳极和阴极平行放置，而是使它们相互垂直。

阳极由碳毡（一种廉价且储量丰富的导电材料，用于捕获微生物的电子）制成，水平放置在土壤下方。阴极由导电金属制成，垂直延伸至地表。

这种结构有助于同时解决多个问题。装置的顶部暴露在空气中，确保稳定的氧气供应。同时，底部埋在湿润的土壤中，即使在干燥的环境下也能保持水分。保护盖可防止杂物进入，而小型气室则允许空气流通。

这种设计还能提高设备在洪水期间的抗灾能力。防水涂层能确保阴极持续工作，而垂直布局则有助于其在洪水退去后逐渐干燥。

在实际条件下取得了显著成果

最终原型机在各种土壤条件下均表现良好，从中度干燥的土壤（含水量为41%）到完全浸没的环境均能胜任。平均而言，其产生的能量是传感器运行所需能量的68倍。

这些结果表明，该系统足够稳健，可以实际部署在农田或自然环境中。

正在进行的研究和未来潜力

自该研究首次发表以来，人们对微生物燃料电池的兴趣持续增长。研究人员正致力于提高其效率、稳定性和材料性能，包括探索可生物降解的设计，以进一步减少对环境的影响。

西北大学的研究团队指出，他们系统的所有部件都可以使用常见的硬件材料。他们目前的目标是研发完全可生物降解的版本，以避免复杂的供应链和冲突矿产的使用。

  新型自补给水下电池利用海洋微生物发电-由美国国防高级研究计划局 (DARPA) 资助的研究人员制造了微生物燃料电池，利用海洋微生物在水下发电。https://interestingengineering.com/energy/darpa-microbial-fuel-cell-underwater-sensors
  密歇根理工大学研究人员为DARPA BLUE项目开发自充电式船用电池https://www.mtu.edu/unscripted/2026/05/michigan-tech-researchers-develop-selffueling-marine-battery-for-darpa-blue-program.html水下传感器需要电池供电。电池耗尽后，必须更换，这既昂贵又困难。密歇根理工大学的研究人员正在开发一种用于水下传感器的自补充电源，该电源可将溶解的有机物和微小的海洋生物质转化为电能。 密歇根理工大学生物科学系杰出教授艾米·马卡雷利是该项目的首席研究员，该项目由美国国防高级研究计划局（DARPA）的生物逻辑海底能源（BLUE）计划资助。