依靠食糞菌為電池供能，今后人們在海中也能為機(jī)器人“加油”了！
美國海軍對魚糞供能非常感興趣。
目前，海軍在各項(xiàng)任務(wù)（探索海床、定位水下礦藏等）中使用的機(jī)器人的自主性并不出眾?；鹦擒嚈C(jī)器人利用钚核微型反應(yīng)器來維持多年的自主運(yùn)行，而美國海軍的機(jī)器人卻只能依靠電池供能，更別提電池的壽命最長也只有幾天而已。
若是把機(jī)器人用電纜連接到船上，則會縮小其探測范圍。那能否直接在海洋中給機(jī)器人充電呢？
美國海軍的研究部門將目光投向了已在污水處理廠得到驗(yàn)證的細(xì)菌電池，或說生物電池。細(xì)菌分解有機(jī)物（例如魚糞）時(shí)會產(chǎn)生多余的電子。但這些粒子一旦達(dá)到較高濃度就可能產(chǎn)生毒性，因此細(xì)菌必須盡快將它們清除。當(dāng)細(xì)菌周圍存在氧氣時(shí)，后者會結(jié)合電子與氫離子，形成無害的水。
那么如何從這種自然現(xiàn)象中制造電流呢？只需將“產(chǎn)生電子”的過程與“生成水”的過程分開，并確保細(xì)菌分解有機(jī)物的過程中沒有氧氣參與。將產(chǎn)生的電子通過金屬絲輸送到另一個(gè)含有氧氣的隔間，便形成了電流！
海底廢棄物
2007年，澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員率先在廢水處理廠對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試。他們不僅利用細(xì)菌分解了大量的有機(jī)排泄物，還成功“回收”了其間產(chǎn)生的電流……簡直是一舉兩得！從排泄物的角度來看，海床與污水處理廠并無不同：廢棄物從上層水域緩慢而連續(xù)地沉積到海底，形成有機(jī)物的堆積并被細(xì)菌分解。
基于此，美國海軍的微生物學(xué)家默里亞·阿里亞斯-托德（Meriah Arias-Thode）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了第一代靠魚糞供能的食糞菌機(jī)器人，并進(jìn)行了測試。將簡單的測量儀器放在海床上，每五分鐘讀取一次溫度、氧氣含量和水的酸度，直到能量儲備耗盡。然后，將儀器帶回地面重新充能。
在測試中，部分設(shè)備使用了傳統(tǒng)電池，而其他設(shè)備使用了“魚糞電池”，后者通過水流進(jìn)行充電，水流不斷帶來新鮮的糞便和分解糞便的細(xì)菌。
結(jié)果表明，傳統(tǒng)電池能維持機(jī)器人兩個(gè)月的自主運(yùn)行，而“魚糞電池”提供了一年以上的能量！“這些電池的生產(chǎn)成本可能會更高，但更長的使用壽命能彌補(bǔ)這些額外的成本。”默里亞·阿里亞斯-托德總結(jié)道。
細(xì)菌電池由兩個(gè)被膜隔開的電極組成。陽極被聚集在排泄物周遭的細(xì)菌包圍，浸沒在富含有機(jī)底物的厭氧菌隔間。細(xì)菌呼吸時(shí)會消耗有機(jī)物，產(chǎn)生二氧化碳并釋放氫離子和電子。電子被陽極獲取，沿著導(dǎo)線傳輸?shù)疥帢O。在陰極處，電子與氫離子和氧氣分子反應(yīng)生成水分子。電子在陽極和陰極之間的轉(zhuǎn)移形成了電流。
海底加油站
那什么時(shí)候能用糞便為機(jī)器人供能，從而探索海洋呢？情況還不好說。目前，生物電池可以提供250至500毫瓦的功率，是LED燈泡功率的十分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到探索型無人機(jī)所需的數(shù)百瓦功率……
“即使能起作用，機(jī)器人也需要放置在水底整整幾個(gè)星期才能完全充滿電，這不實(shí)際。”法國蒙彼利埃機(jī)器人技術(shù)、微電子學(xué)和信息技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（LIRMM）的文森特·克勒澤（Vincent Creuze）補(bǔ)充道。
另一種途徑似乎更有可能實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)一種大型水下加油站。在海底建造加油站，將細(xì)菌產(chǎn)生的電能儲存其中，從而為經(jīng)過的機(jī)器人充電。由此，“加油”似乎具有了全新的意義。
撰文 Simon Devos
編譯 周玉府
