پژوهشگران دانشگاه بینگهمتون، باتری جدیدی با انرژی باکتریایی ساخته‌اند که از ساختار روده باریک انسان الهام می‌گیرد. این باتری در آزمایش‌ها توانست دست‌کم ۱۴ ساعت ولتاژی در حدود ۰.۷۵ ولت تولید کند. این دستگاه از ساختارهای انعطاف‌پذیر و انگشت‌مانندی الهام گرفته از پرزهای روده بهره می‌برد تا فضای بیشتری برای رشد باکتری‌ها فراهم کند و
پژوهشگران دانشگاه بینگهمتون، باتری جدیدی با انرژی باکتریایی ساخته‌اند که از ساختار روده باریک انسان الهام می‌گیرد. این باتری در آزمایش‌ها توانست دست‌کم ۱۴ ساعت ولتاژی در حدود ۰.۷۵ ولت تولید کند.
این دستگاه از ساختارهای انعطاف‌پذیر و انگشت‌مانندی الهام گرفته از پرزهای روده بهره می‌برد تا فضای بیشتری برای رشد باکتری‌ها فراهم کند و انتقال مواد مغذی و دفع مواد زائد را بهبود ببخشد. این برجستگی‌های کوچک که در بدن انسان به جذب مواد مغذی کمک می‌کنند، الگویی برای افزایش تولید برق با استفاده از باکتری‌های اسپورساز در اختیار محققان قرار داده‌اند.
تیم پژوهشی با استفاده از یک هیدروژل پلیمری انعطاف‌پذیر، این ساختارها را ساخت و باکتری‌های باسیلوس سوبتیلیس را درون آن‌ها قرار داد. این بخش‌ها نقش آند باتری را بر عهده دارند و فعالیت باکتری‌ها به تولید جریان الکتریکی کمک می‌کند.
پژوهشگران امیدوارند در آینده بتوانند این فناوری را در خطوط انتقال فاضلاب نصب کنند تا باکتری‌ها از مواد آلی موجود در پساب به‌عنوان منبع غذایی استفاده کنند و برق موردنیاز دستگاه‌های کم‌مصرف را تأمین کنند.
باتری‌های باکتریایی با بهره‌گیری از فعالیت متابولیکی میکروارگانیسم‌ها برق تولید می‌کنند. با این حال، عملکرد آن‌ها تا حد زیادی به میزان دسترسی باکتری‌ها به مواد مغذی و توانایی آن‌ها در دفع مواد زائد بستگی دارد.
الکترودهای دوبعدی متداول، فضای محدودی برای رشد باکتری‌ها فراهم می‌کنند. مواد متخلخل می‌توانند سطح بیشتری در اختیار آن‌ها قرار دهند، اما با تشکیل زیست‌لایه‌های باکتریایی احتمال مسدود شدن منافذ افزایش می‌یابد. این اتفاق حرکت مواد مغذی و خروج مواد زائد را مختل می‌کند.
سئوک‌هون شان چوی، استاد مهندسی برق و رایانه در دانشگاه بینگهمتون، درباره این مشکل گفت:
ساختارهای متخلخل به‌راحتی در اثر تشکیل زیست‌لایه مسدود می‌شوند. به همین دلیل، با مشکلات زیادی در انتقال مواد مغذی، تجمع مواد زائد و رشد نامتوازن زیست‌لایه‌ها مواجه بودیم.
برای رفع این مشکلات، چوی به همراه دو پژوهشگر دوره دکتری، روهوان ژانگ و بوتیان وانگ، به سراغ ساختار روده باریک انسان رفتند.
پرزهای روده سطح بزرگی برای جذب مواد فراهم می‌کنند و در عین حال، فاصله حرکت مواد مغذی را نسبتاً کوتاه نگه می‌دارند. پژوهشگران تلاش کردند این ویژگی‌ها را در طراحی یک الکترود انعطاف‌پذیر برای باتری بازسازی کنند.
آن‌ها برجستگی‌های انگشت‌مانندی را از هیدروژل پلیمری ساختند؛ ماده‌ای که کاربردهای گسترده‌ای در حوزه زیست‌پزشکی دارد. این ماده امکان تولید ساختاری سه‌بعدی را فراهم کرد که باکتری‌ها می‌توانند در بخش‌های مختلف آن جای بگیرند.
ساختارهای حاوی باکتری، آند باتری را تشکیل می‌دهند. در سمت دیگر یک غشای تبادل یونی نیز کاتدی از جنس پارچه کربنی اصلاح‌شده قرار گرفته است. این اجزا در کنار یکدیگر امکان تولید برق را از طریق سوخت‌وساز باکتری‌ها و مصرف مواد مغذی فراهم می‌کنند.
کاربرد در فاضلاب هنوز آزمایش نشده است
پژوهشگران تصور می‌کنند نسخه‌های آینده این باتری زیستی را بتوان درون لوله‌های فاضلاب نصب کرد تا میکروارگانیسم‌ها از مواد آلی موجود در آب به‌عنوان سوخت استفاده کنند.
چوی درباره این کاربرد احتمالی گفت:
می‌توانیم این باتری زیستی را داخل یک لوله فاضلاب قرار دهیم، زیرا به‌راحتی قابلیت ادغام با محیط اطراف خود را دارد.
انعطاف‌پذیری هیدروژل می‌تواند به باتری اجازه دهد با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف لوله‌ها سازگار شود. در آینده، چنین سامانه‌هایی شاید بتوانند برق موردنیاز حسگرهای کوچک را بدون استفاده از باتری‌های معمولی تأمین کنند.
با وجود این، پژوهش هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد. ولتاژ گزارش‌شده در آزمایش‌ها با تأمین پیوسته محیط حاوی مواد مغذی حفظ شد و تیم تحقیقاتی هنوز عملکرد این سامانه را درون یک خط واقعی انتقال فاضلاب به نمایش نگذاشته است.
پژوهشگران همچنین قصد دارند با استفاده از یک فرایند چاپ تک‌مرحله‌ای، روش ساخت این ساختارها را ساده‌تر کنند تا تولید آن‌ها در مقیاس صنعتی آسان‌تر شود.
هدف دیگر این گروه، بهبود نحوه توزیع باکتری‌ها درون دستگاه است. در روده انسان، میکروارگانیسم‌ها عمدتاً در لایه مخاطی نزدیک به سطح پرزها متمرکز هستند، اما در طراحی فعلی، باکتری‌ها در سراسر هیدروژل قرار گرفته‌اند.
در مراحل بعدی پژوهش، محققان بررسی خواهند کرد که آیا بازسازی دقیق‌تر شرایط فیزیکی و شیمیایی روده می‌تواند به حفظ فعالیت باکتری‌ها و افزایش بازده تولید برق کمک کند یا خیر.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Small منتشر شده است.