作者 | 李梅 、刘冰一

我们知道，物联网设备需要可持续的、可负担的、分散的电能来提供动力来源。虽然单一物联网设备的功耗很温和，范围只是从微瓦到毫瓦，但如今物联网设备的数量已经达到数十亿，预计到2035年增加到一万亿，这就需要大量的便携式能源，比如一块电池或者一个能量收割机。

但是电池主要依赖于昂贵和不可持续的材料（如稀土元素），而且电量最终会耗尽。

而现有的能源收割机（例如太阳能、温度、振动）虽然持续时间较长，但对环境不友好，比如光伏生产中会使用到有害材料。

那么，有没有一种既便携，又便宜耐用，而且还能保护环境的能源收集系统呢？

剑桥大学的一个研究团队告诉你：当然有！

就是下面这个装有蓝藻的容器，它已经为一台计算机供电长达一年！

这个装置高6厘米，长3.1厘米，宽2.3厘米，可以说是非常小了。（道理我都懂，为什么这张图看起来那么大...）

而且，它所需的材料简单廉价可回收：塑料、铝、蓝藻、水。

有了这个，还要电池干嘛？?

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日夜不休，超强续航六个月以上

这个能源收割机是一种生物光伏能源收集系统，它出自剑桥大学生物化学系的Chris Howe教授和他的同事之手。这项研究的题目为"Powering a microprocessor by photosynthesis"，论文已发表在Energy&Environmental Science期刊上。

论文地址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/EE/D2EE00233G

研究人员用铝和透明塑料造了一个AA电池大小的金属外壳，里面放置了一种名为PCC 6803的蓝藻菌群，也就是俗称的「蓝藻」。当蓝藻暴露在阳光下时，它就可以通过光合作用产生氧气。

图注：蓝藻菌群（图源ScienceDirect）

在2021年疫情封锁期间，这个装置就待在团队成员Paolo Bombelli家中的窗台上，通过藻类进行光合作用产生微小的电流，为微处理器ARM Cortex-M0+连续供电。

图注：Arm Cortex-M0+ 微处理器

ARM Cotex-M0+芯片来自芯片制造商Arm，他们与剑桥大学的研究团队合作，为其提供了测试设备和用于数据收集的云接口。这款芯片并非专门为研究而生，而是物联网设备常用的微处理器，树莓派Pico的CPU就是它。

图注：给ARM芯片供电的蓝藻发电装置

研究人员原本以为，这个系统可能会在几周后就停止工作，没想到它日夜不休地工作了6个月，而且在实验结束后，蓝藻还在继续发电，一直运行到现在。

那么这个装置是怎么产生能源的呢？

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神奇的“炼金术士”

理论上有两种可能的来源：要么是蓝藻自身产生电子，从而产生电流；要么是它们创造了条件，使容器中的铝阳极在化学反应中被腐蚀，从而产生电子和电流。而在这项实验中，并没有对阳极进行任何明显的降解，所以研究人员认为，蓝藻产生了大部分电流。

近年来，海藻已经成为生物燃料的新宠儿，藻类可以生成氢、净化废水、去除大气中的二氧化碳等等，俨然成为了不起的“炼金术士”，有着发展清洁技术的强大潜力。

而该实验所用的PCC 6803是一种单细胞淡水蓝细菌的菌株，属于集胞藻（Synechocystis sp），它像其他植物一样可以通过光合作用从太阳光中获得能量，产生微弱的电流。

所以只要在水槽中放入电极，就可以将产生的电流作为电池来使用。而物联网设备的处理器只需要非常微弱的功率就可以驱动，所以使用藻类来为物联网设备供电是很合适的。

在实验期间，这台由藻类驱动的微型计算机执行了一些基本运算，以45分钟为周期，计算连续整数的总和来模拟计算工作量，仅耗费0.3微瓦的电力，待机15分钟则需要0.24微瓦的电力。计算机自己测量设备输出的电流，这些数据存储在云端，供研究人员分析。

图注：研究团队成员 Christopher Howe（左）和 Paolo Bombelli（右），图片来自剑桥大学

虽然这个装置产生的电流比较微弱，但已经足够为一些小型电子设备充电了。不过要想为一台普通的台式计算机供电还是远远不够的，一台计算机的实际耗能情况会因工作量和使用年限等因素而不同，如果一台计算机每小时消耗 100 瓦的功率，那么运行这台电脑大约需要333,000,000 块藻类“电池”。所以，将来还需要进一步扩大规模，来为需要耗费更多电力的设备供电。

目前藻类“电池”规模是小了点，但Christopher Howe对这个装置的续航能力尤为自豪，「这个光合作用装置不会像电池那样很快耗尽。」与传统的电池或太阳能相比，水藻对环境依赖性小，不断地使用光作为能量来源提供持续电力。

这种藻类并不需要喂养，它们可以在光合作用时「生产」自己的食物，从自然阳光中收集能量。而且，在夜间没有光的情况下，这个设备可以通过「吃」白天储存的电继续供能。藻类分为自养型和异养型，最为常见易得的就是光能自养型。也就是说有「光」啥都好说。

3

藻类，远远不止是池塘里的浮渣

该装置目前只在概念验证阶段，下一步，研究者很有可能将藻类供电芯片应用于的物联网设备。物联网有很大的电能缺口，它需要像藻类生物发电这样的持续供能系统，而不是一块只会简单储存能量的电池。

近年来，碳达峰、碳中和风很大，固碳减排是实现全球碳中和的关键一环。像用藻类植物光合作用赋能某台机器设备，就属于「绿色计算」范畴。

「绿色计算」拆开理解，绿色简单来说就是低碳和无害，即环境友好、资源节约，可高效循环利用。计算可理解为包含软硬件结合的终端设备、服务器和相关系统等。

海藻是一种常见的海洋生物，在三十五亿年前就已经出现了，四舍五入也算是世界上释放氧气最多的生物TopX。藻类能源的利用方式属于「生物光伏」（biophotovoltaics, BPV），是一条生物学路径利用太阳能的方式，听起来好像产业大地即将有一股清新风吹过似的。人类通过光合作用利用微生物产生的能量为设备为产业续航，想来，岂不是白白浪费了数十亿年微生物光合作用产生的能量？开垦的锄头要挥的更勤些才是。

图注：池塘浮藻

当然，孔雀开屏还暴露屁股呢，这个项目也不是没有缺点，比如，除藻类「电池」生产规模小之外，藻类能量效率极低——同样场景下，太阳能电池板吸收20%的阳光，植物才吸收到0.25%。这个项目显然还需要配以解决方案。

一个好消息是，研究人员已经发现了能产生更高电流的藻类，再加上成本极低，所以未来5年内很有可能实现大规模的商业应用。

可以想象，在不久的将来，广袤海域上覆盖着一片片巨大荷叶形状的藻类，它们的身份是海上风力发电场的移动发电站。

参考链接：

https://www.theverge.com/2022/5/16/23074715/algae-computer-chip-photosynthesis-arm-cortext-iot-biophotovoltaics

https://www.newscientist.com/article/2319584-computer-powered-by-colony-of-blue-green-algae-has-run-for-six-months/?utm_source=rakuten&utm_medium=affiliate&utm_campaign=2116208:Skimlinks.com&utm_content=10&ranMID=47192&ranEAID=TnL5HPStwNw&ranSiteID=TnL5HPStwNw-teKaGR8RIkr5gEOMQx841A

https://kknews.cc/science/e85z3py.html

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