蓝藻为微处理器持续供电6个月？剑桥大学团队研发生物光电系统，为物联网小型设备供电提供新方法

长期以来，发展以绿色、可持续的能源发电是科学家们聚焦的方向之一。

近日，剑桥大学团队与微处理器设计公司 Arm 合作开发了一种新的生物光电系统。他们通过蓝藻的光合作用，使该系统在仅需要环境光和水的条件下，实现了为微处理器供电至少 6 个月。

图丨剑桥大学团队展示生物光电系统（来源：剑桥大学）

相关论文以《通过光合作用为微处理器供电》（Powering a microprocessor by photosynthesis）为题发表在 Energy & Environmental Science 上[1]。

“不断增长的物联网需要越来越多的电力，我们认为这必须来自能够产生能量的系统，而不是像电池一样简单地储存能量。”该论文通讯作者、剑桥大学生物化学系教授克里斯托弗·豪（Christopher Howe）教授对媒体表示。

图丨相关论文（来源：Energy & Environmental Science）

该团队使用的设备是广泛地应用在物联网领域的微处理器 Arm Cortex M0+。该绿藻供电系统的尺寸和 AA 电池（5 号电池，尺寸为直径 14mm，高度 50mm）类似，由名为“集胞藻”的藻类构成。

该系统利用光合作用，仅依靠环境光和水就能达到供电效果。这种生物光电系统的研发为小型设备稳定、可再生供电提供了新方法。

为检验该系统的供电效果，研究人员在无任何专用人工照明系统、额外电池或存在补充有机燃料的条件下进行了相关测试。该系统在仅需要环境光和水的条件下完成了测试。

首先，该系统利用光合作用在太阳中得到能量。然后，再将这种能量转化为微小电流与铝电极相互作用，为微处理器持续性地供电。

（来源：剑桥大学）

不仅能维持持续性的效果，该系统还能实现能源的可再生。据悉，该系统的组成材料具有大规模使用的优势，其材料价格低，并且多数成分为可回收材料。也就是说，该系统可实现数十万次持续地为小型设备循环供电使用。

该系统依赖光合作用，是不是就意味着在没有太阳光的条件下就停止发电了呢？

对于微生物燃料电池来说，虽然其不受光照变化影响，但依赖于异养细菌的代谢和供给。而该系统通过光合作用在水中释放电子，在无太阳光条件下仍可发电。经研究人员实验，该系统在黑暗和环境光条件下的峰值功率分别为 0.2mWcm ^-2 以及 0.37mWcm ^-2。

“该系统在很长一段时间内的持续运行给我们留下了深刻的印象，我们认为它可能会在几周后停止，但它一直在运行。”该论文第一作者、剑桥大学生物化学系博士保罗·邦贝利（Paolo Bombelli）对媒体表示。

图丨原型和紧凑型生物光电系统系统的开发和表征，以及测试芯片中 Arm Cortex-M0+ 处理器的示意图（来源：Energy & Environmental Science）

为物联网的电子设备网络供电，需要可持续、低价的供电能源。物联网设备的数量目前已达到数十亿，并且，预计到 2035 年可能增长到 1 万亿。因此，电池或能量采集器等便携式能源亟待开发。

以往的供电方式多数依赖于电池，但使用电池供电存在电池材料昂贵，并且电量有限等缺点，对于可持续供电来说，采用电池并不长久。而现有的能量采集器虽然寿命更长，但在光伏生产中对环境可能会产生不利影响。因此，需要探寻一种稳定、可持续的供电方式。

值得关注的是，由于该系统是利用光合作用产生能源，因此其使用范围更广泛，也不与电池相同是有限的。因此，该系统适用于家庭、农业、工业等环境，尤其适用于网络不发达的偏远地区。

研究人员表示，“使用锂离子电池为数以万亿计的物联网设备供电是不切实际的，它需要的锂是全球每年生产量的三倍。传统的光伏器件是使用对环境有不利影响的有害材料制成的。”

图丨生物光电系统运行机制示意图（来源：Energy & Environmental Science）

该团队通过实验证明了该系统能在没有任何辅助储能装置、人工照明或补充燃料电池的条件下，仅依靠环境光和水的家庭环境和半户外条件下，就可持续为微处理器 Arm Cortex M0+ 持续供电至少 6 个月。

据报道，该团队已经尝试通过空塑料瓶制造绿藻系统的外壳，并且，他们认为可以以非常低的成本生产相关设备。他们计划在五年内实现该系统的产业化应用，并且研究人员已发现一种产能更高的藻类。

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参考：
https://www.cam.ac.uk/research/news/scientists-create-reliable-biological-photovoltaic-cell-using-algae
https://www.newscientist.com/article/2319584-computer-powered-by-colony-of-blue-green-algae-has-run-for-six-months/#ixzz7U4PvdnWv

1.P. Bombelli et al. Energy & Environmental Science(2022).https://doi.org/10.1039/D2EE00233G

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