西北大学的研究人员开发出一种约平装书大小的燃料电池，利用土壤中天然存在的微生物发电。该设备捕获这些微生物分解有机物时释放的能量，产生少量电力。它专为地下传感器设计，用于精准农业和环境监测，为传统电池提供了潜在替代方案——毕竟传统电池含有有毒物质、依赖复杂的全球供应链，还会产生电子垃圾。

研究团队通过使用该燃料电池操作测量土壤湿度和检测触摸的传感器来展示其功能——这种能力有助于监测野生动物活动。该系统包含一个小型天线，通过反射现有射频信号无线传输数据，将能耗保持在极低水平。该设备在各种条件下都表现出可靠性，无论是在干燥土壤还是水淹环境中都能正常工作，并且比类似系统产生更持久的电力，续航时间延长约120%。

这项研究发表在《ACM交互式、移动、可穿戴和普适技术汇刊》上。研究人员还公开了他们的设计、教程和仿真工具。正如领导这项工作的西北大学校友Bill Yen所指出的，面对即将到来的数万亿物联网设备，我们不能都用锂和重金属来制造。他说：“只要土壤中有供微生物分解的有机碳，这种燃料电池理论上就能永远工作下去。”

微生物燃料电池的工作原理有点像电池，有阳极、阴极和电解质，但依赖天然释放电子的细菌来产生电流。资深作者George Wells解释道：“我们不可能用这种能源为整座城市供电。但我们可以捕获微量能量来驱动实用的低功耗应用。”当前精准农业传感器电源面临的挑战在于：电池会耗尽，太阳能电池板会变脏、需要阳光且占用空间。

基于土壤的微生物燃料电池自1911年就已存在，但一直受困于性能不可靠和输出功率低的问题，特别是在低湿度条件下。西北大学团队花了两年时间开发和测试设计，在九个月内比较了四个版本。他们的突破来自几何结构的改变：将阳极（由碳毡制成）水平放置，阴极（由导电金属制成）垂直放置。这种结构确保了表面的稳定氧气供应，并在下方保持湿润，配有保护盖和空气室。防水涂层有助于应对水淹情况。

最终原型在从适度干燥（含水量41%）到完全浸没的各种土壤条件下都表现良好，产生的电力是其传感器运行所需电力的68倍。自研究发表以来，关注度不断上升，研究人员正致力于提高效率、稳定性和材料性能，包括探索可生物降解的设计。团队的目标是创建完全可生物降解的版本，以避免复杂的供应链和冲突矿物。合著者Josiah Hester指出，目标是“构建使用本地供应链和低成本材料的设备，让所有社区都能用上计算技术”。

这项题为《土壤驱动计算：实用土壤微生物燃料电池设计工程师指南》的研究得到了美国国家科学基金会（资助号CNS-2038853）、美国农业部国家食品与农业研究所农业与食品研究计划（资助号2023-67021-40628）、阿尔弗雷德·P·斯隆基金会、VMware研究院和3M公司的支持。