科学家们已经建造了一种由酸奶中的微生物驱动的电池，这种电池在使用后会溶解。
在《碟中谍》系列电影中，汤姆·克鲁斯饰演的伊桑·亨特收到的消息会在几秒钟内自毁。科幻吗？那么如果您的医疗植入物也能这样做呢？
在纽约宾厄姆顿大学，研究人员朝着这一愿景迈出了重要的一步。他们建造了一种电池，不仅使用益生菌酸奶中的微生物来发电，而且在完成任务后还能自行溶解，不会留下任何有毒物质。
“我们使用了众所周知的产电细菌，这些细菌属于生物安全等级1，因此是安全的，”电气与计算机工程教授、这项新研究的共同作者Seokheun “Sean” Choi说。“但我们不确定如果这些细菌被释放到自然界中会发生什么。”
这种担忧促使Choi和他的学生团队重新考虑他们所谓的“生物电池”内的微生物。他们的新工作发表在《Small》杂志上，将传统的产电微生物替换为15种商业益生菌——与膳食补充剂和发酵食品中相同的种类。
会消失的电池
一次性电子产品在医学和环境监测领域是一个不断发展的领域。想象一下，一种像药丸一样吞下的临时传感器，或者埋在受污染土壤中的传感器，只在需要时激活，完成任务后就会消失。
但尽管电子设备本身现在可以制成可溶解的，电源仍然是一个问题。
大多数电池依赖于锂或镉等有毒金属——如果你要把它们放在人体内或倾倒在自然环境中，这并不是理想的选择。微生物燃料电池利用细菌来发电，提供了一种更环保的选择。但许多这样的细菌，如Shewanella oneidensis，并不被认为是完全安全或可生物降解的，尤其是在实验室之外。
这就是益生菌发挥作用的地方。
“每当我参加学术会议做报告时，人们都会问：‘你们用的是细菌？我们可以安全地使用吗？’”Choi回忆道。“有充分的文献证明益生菌是安全且生物相容的，但我们不确定这些益生菌是否具有产电能力。”
于是，由博士生Maryam Rezaie领导的团队进行了测试。
不仅仅是酸奶细菌
最初的实验令人沮丧。与它们更具电性的亲戚不同，益生菌并不是天然的发电机。但研究人员尝试了一个解决办法。他们在纸基电池的电极上涂覆了一种粗糙多孔的材料，由聚吡咯和氧化锌纳米颗粒组成——这种混合物已知能促进微生物生长并增强电子转移。
这个技巧奏效了。
电压和电流水平保持适中——单个生物电池产生的功率约为4微瓦，持续时间从4分钟到100分钟不等，具体取决于其大小和涂层——但这足以证明这一点。
更重要的是，整个系统是安全且可生物降解的。纸基底材在水中溶解。电极和膜——材料极少——分解。
“这是一个概念验证，”Choi强调说。“还需要进行其他研究。我们使用了益生菌混合物，但我希望研究哪些个体具有额外的电基因，以及协同作用如何提高发电能力。”
设计成自我销毁
这种生物电池最引人注目的地方不仅仅是微生物——而是电池知道何时消失。
研究团队用一种对低pH值敏感的聚合物包裹了他们的设备，这种聚合物只有在酸性环境中才会溶解。这意味着电池可以在进入胃部或一片受污染的土壤之前保持完整，在那里它会被激活并开始供电。
在一个测试中，封装的设备在中性的自来水中保持休眠状态，但在pH值为3.5的溶液中完全溶解，耗时160分钟。随着它的分解，它产生了电力——然后消失了。
通过调整纸电池内部的微通道数量，研究人员可以延长或缩短电池的寿命。最简单的版本运行了4分钟。较长的设计持续了22分钟。增加更多的涂层后，它可以超过100分钟。
这一切都由水或酸渗入电池层的方式控制，触发了电力和破坏。
它能为哪些设备供电？
目前，不多。
这些电池短期内不会为你的手机充电。但对于小型、低功耗的任务——比如温度或pH值感应、短信号传输或微型电路激活——它们可能足够。
潜在的应用可能是革命性的。
临时医疗植入物可以避免第二次手术。环境传感器可以在难以到达的地方进行监测而不会造成污染。军用设备可以不留痕迹地消失。在每种情况下，都不需要回收或再利用任何东西。
输出功率仍然是一个挑战。但Choi认为，这个概念将会持久存在。
“我想串联或并联它们以提高功率，”他说。“这只是个开始。”
利用生物体为设备供电的想法不再是边缘科学。近年来，研究人员已经利用汗水、血液甚至眼泪作为电源。但这项研究标志着首次利用友好、食品级微生物——并在使用后使整个设备消失。
(全文结束)