2026 年 10 月 15 日
宾汉顿大学（Binghamton University）的研究团队开发出一款受小肠绒毛结构启发的新型生物电池。该设计旨在解决传统二维电极表面积不足的问题，并展示了从废水中产生电力的潜力。
突破二维结构的局限
研究由电气与计算机工程系教授肖恩·崔（Sean Choi）和博士生罗汉·张（Luohan Zhang）主导，成果近期发表在学术期刊《Small》上。
人体消化道内壁布满类似手指的突起，称为绒毛（villi），其表面附着大量微生物协助消化。这种三维结构不仅提供了巨大的表面积，还具备高效的物质传输特性，被视为构建细菌驱动生物能源装置的理想模型。
此前，作为纸质电子技术的先驱，肖恩·崔曾尝试将生物电池整合到 3D 打印电路中，甚至开发过可在小肠内激活的可摄入式生物电池。然而，他在实验中发现，包括纸张在内的多数材料存在共性缺陷：二维结构提供的表面积有限，而多孔结构虽有一定三维延展性，却容易因生物膜堵塞导致营养输送受阻、废物积累及生长不均等问题。
“我们需要一种模仿活体组织的生物电极，”肖恩·崔表示，“它需要在提供大面积和短扩散距离以实现高效质量运输的同时，保持机械灵活性、伸展性和可扩展性。”
稳定输出与废水处理应用
在新研究中，团队利用常用于生物医学领域的柔性聚合物水凝胶制造出仿绒毛结构。这些结构接种了非活性细菌作为阳极，并通过离子交换膜与改性碳布阴极分离，从而构成完整的生物电池单元。
在持续供应营养介质的条件下，该装置在至少 14 小时内保持了约 0.75 伏的稳定电压输出。这一功率足以点亮小型 LED 或为微传感器供电。
该技术的一个主要应用场景是自动供电的废水处理系统。“我们可以将这种生物电池放入废物管道中，因为它能很容易地与周围环境结合，”肖恩·崔解释道，“它可以利用水中的废物作为营养源产生电力，并且能够完全贴合管道的形状和尺寸。”
深化仿生机制理解
对于电气工程师出身的罗汉·张而言，这项研究促使她深入探索人类消化系统。“我现在清楚肠道结构的形态以及其中细菌的工作方式，”她说，“我还研究了不同绒毛的确切结构及其细胞层的功能。”
目前，宾汉顿团队正致力于开发单步、可扩展的打印工艺，以优化仿绒毛生物电池的制造流程。此外，研究人员希望进一步探究消化道内细菌靠近表面的生理机制。
“在这项工作中，我们主要模仿的是建筑部分，”肖恩·崔指出，“为了真正了解这些细菌细胞如何保持生命力，未来还需要模仿其实际的生理和化学构成。”
参考文献：
Luohan Zhang et al, Gut-Inspired Biobattery via Engineered Conductive Hydrogel Architecture of Intestinal Villi, Small (2026). DOI: 10.1002/smll.76091
