Empa研究人員3D打印可生物降解真菌電池，電力足以為溫度傳感器供電數(shù)天

2025年1月19日，南極熊獲悉，Empa研究人員已經(jīng)生產(chǎn)出一種 3D 打印的可生物降解真菌電池。據(jù)報(bào)道，這種活體電池可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)或研究傳感器供電。一旦完成工作，它就會(huì)從內(nèi)部自我消化。

△在材料科學(xué)領(lǐng)域，真菌的研究仍不夠充分。圖片來源：Empa

作為一項(xiàng)為期三年的研究項(xiàng)目的一部分（項(xiàng)目由 Gebert Rüf Stiftung 資助，屬于微生物資助計(jì)劃的一部分），來自 Empa 纖維素和木材材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種功能齊全的真菌電池�；罴�(xì)胞不會(huì)產(chǎn)生大量電能，但足以為溫度傳感器供電數(shù)天。此類傳感器用于農(nóng)業(yè)或環(huán)境研究。與傳統(tǒng)電池不同，真菌電池的最大優(yōu)勢(shì)在于它們完全無毒且可生物降解。

嚴(yán)格來說，這種真菌生物“電池”不屬于傳統(tǒng)電池，而是所謂的微生物燃料電池。與所有生物一樣，微生物將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。微生物燃料電池利用這種新陳代謝，將部分能量捕獲為電能。到目前為止，它們主要由細(xì)菌提供動(dòng)力。Empa 研究員 Carolina Reyes 說道：“我們首次將兩種真菌結(jié)合在一起，創(chuàng)造出一個(gè)功能齊全的燃料電池。”兩種真菌的新陳代謝相互補(bǔ)充——酵母菌的新陳代謝在陽極側(cè)釋放電子。陰極上生長(zhǎng)著一種白腐真菌，它會(huì)產(chǎn)生一種特殊的酶——使電子被捕獲并傳導(dǎo)出細(xì)胞。

△打印網(wǎng)格電池陽極室中含有真菌。圖片來源：Empa

真菌并非“植入”電池，而是從一開始就是電池不可分割的一部分。真菌電池的組件采用 3D 打印技術(shù)制造。這使得研究人員能夠以某種方式構(gòu)造電極，使微生物能夠盡可能輕松地獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。為此，將真菌細(xì)胞混入打印油墨中。

纖維素和木材材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人古斯塔夫·尼斯特羅姆 (Gustav Nyström) 說道：“找到一種能讓真菌良好生長(zhǎng)的材料已經(jīng)夠難了。但墨水還必須易于擠出，且不會(huì)殺死細(xì)胞——當(dāng)然，我們希望它具有導(dǎo)電性和可生物降解性�！�

得益于實(shí)驗(yàn)室在3D 打印軟生物基材料方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，研究人員能夠生產(chǎn)出一種以纖維素為基礎(chǔ)的合適墨水。真菌細(xì)胞甚至可以使用纖維素作為營(yíng)養(yǎng)物——幫助在使用后分解電池。然而，它們首選的營(yíng)養(yǎng)來源是簡(jiǎn)單的糖，這些糖被添加到電池中。雷耶斯說：“你可以將真菌電池儲(chǔ)存在干燥狀態(tài)下，只需添加水和營(yíng)養(yǎng)物即可在現(xiàn)場(chǎng)激活它們�！�

盡管這些頑強(qiáng)的真菌能夠經(jīng)受住這種干燥階段，但使用活體材料對(duì)研究人員來說仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。這個(gè)跨學(xué)科項(xiàng)目結(jié)合了微生物學(xué)、材料科學(xué)和電氣工程。為了表征真菌電池，訓(xùn)練有素的微生物學(xué)家雷耶斯不僅必須學(xué)習(xí)電化學(xué)技術(shù)，還必須將它們應(yīng)用于3D 打印油墨。

研究人員現(xiàn)在計(jì)劃讓真菌電池更強(qiáng)大、更耐用，并尋找其他適合供電的真菌。雷耶斯和尼斯特羅姆說：“真菌的研究和利用仍然不足，特別是在材料科學(xué)領(lǐng)域。”