电能共生体

它是什么?

电能共生体是一种轻质、柔性、可移动、绿色的可穿戴自驱动型蓝藻细菌发电材料，能够从人体汗液、阳光和空气中获取养分，通过蓝藻细菌光合和呼吸作用释放电能，为可穿戴传感或物联网的小型智能设备提供绿色能源，使其摆脱外部电源充电等各种限制。并且它在运作过程中能减碳产氧，有助于缓解温室效应，促进可持续发展。

你的灵感

从定点的电话亭到移动的手机，用电器在变小变轻、离网离线，近未来将是物联网和可穿戴传感网络。但现有的供电方式却构成诸多限制：（1）需要外接电源或定期充电，限制使用者活动；（2）电池占据可穿戴设备的大部分重量，增加负担；（3）硅基材料体感差（4）最重要的是，大部分获取能源的方式都对自然造成了巨大的伤害：化石燃料发电排放温室气体和有毒物质；电网在层层分配传输过程中产生隐形浪费；硅基电池原料不可降解…… 我在思考如何使新能源促进移动智能设备发展时，近年来世界各地爆发的“藻华”给了我灵感，我发现蓝藻细菌在光合作用过程中会释放电子，就像细胞级的发电厂。利用无处安放的“自然垃圾”蓝藻，电能否被设计得更绿色、更轻负担、更移动？

如何运作？

利用蓝藻细菌在光合作用中释放电子的生命机制，我设计并实现了完整的可穿戴自驱动型电池结构，具体的技术运作包括： （1）基于生物光伏电池的基本结构，该发电材料具备产生电子的阳极、催化氧化还原反应的阴极，和进行离子交换的盐桥。该结构能捕获蓝藻细菌的电子，每12平方厘米（相当于一块奥利奥饼干的面积大小）产生0.3-0.4v的电压。 （2）单向导湿的水分管理织物像液泵一样自然地诱导水分子连续、高速地从皮肤表面向外流动，从而促进电池的化学反应。 （3）人体汗液作为自驱动力触发离子交换，构成了人体环境下完整的发电结构，为小型可穿戴设备提供绿色电能。 （4）并且人体汗液能持续为蓝藻细胞提供水分、氯化钠等养分，并有阳光、空气、雨水等环境元素共同使得蓝藻保持活性，以产生电能。 （5）利用微藻光合产氧的生命机制，蓝藻细菌发电材料能够吸收二氧化碳、释放氧气，帮助缓解温室效应，有益于可持续发展。

设计过程

在代尔夫特理工大学的材料体验实验室和同济大学环境科学与工程学院的帮助和指导下，我开始了跨学科的研究与实验。 在诸多科研论文的基础上，我运用蓝藻细菌涂层、多壁碳纳米管导电油墨、镀铂碳布等原材料制作电池，第一次成功捕获了蓝藻细菌产生的电子。该蓝藻细菌发电材料的原型大致经过三次迭代：（1）第一种“chamber”腔室型电池体积和质量相对较大，具备完整但复杂的光伏电池结构；（2）为了更好的拓展性，化简为了第二种“sandwich”三明治型，其轻质、柔性，仅有1-2毫米厚；（3）为了更适宜人体穿戴，我又将材料的结构改变为“wearable”可穿戴型，并通过面料吸水性等性能测试，从10余种材料中筛选出具有快速单向导湿性能的水分管理织物，作为构建电池盐桥的重要部分。通过在实验室环境和健身房中的多次原型测试，实现了可穿戴自驱动型蓝藻细菌发电。 为了使电能共生体系统的效率更高，在另一位团队成员的帮助下引入了参数化生成式设计。运用基于人体汗液图谱和沃罗诺伊图的算法，最大化利用人体汗液、加速电池阴阳极之间的离子交换，使能量循环更高效，以减少自驱动型电池的无效能耗。 最后，经过3D建模、制版、丝网印刷、数字切割等工艺流程制作了最终功能性的成衣，用手臂上的灯光反馈来表达可穿戴蓝藻电池的运行状态。

它有什么不同？

对比于功率大、有序性强、移动性弱的低熵能源，电能共生体是一种功率小、数量多、移动性强的高熵能源，帮助智能电子设备从“中心化的电网传输和有线充电”向“分布式的离网离线自供电”发展，满足近未来物联网和可穿戴传感网络的能源需求。与干电池或蓄电池相比，电能共生体像一个移动的绿色发电厂，材料轻质、柔性、透气，更适合作为面料为可穿戴设备供电，并且更环保可持续。与其它生物电池相比，电能共生体有效利用人体环境中“无用”的汗液，构成了自然与人类协作共生的新能源。与太阳能电池相比，电能共生体在夜晚无光照时，也能通过蓝藻细菌的呼吸作用来产生电能。与其他环保材料相比，电能共生体不仅仅是生物可降解的，还有效利用了被遗忘或丢弃的丰富自然资源蓝藻，能够减碳产氧，不止“零”排放，而是“负”排放。

未来计划

技术发明专利正在审核中。目标一：对材料做更全面的性能实验和研究，并专门针对批量化生产做更深入的实验和探索。目标二：探索将技术应用于各个具体场景的方案，例如在日常环境下，为健康监测设备、残疾人或老人安全监测等智能可穿戴设备供电；在野外极端环境下，使用其应急供电等。目标三：获得支持资金，获得研究、技术、生产、等方面的合作。

奖项

2021年6月-同济大学2021届校级优秀毕业设计（论文）