我們知道，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要可持續(xù)的、可負(fù)擔(dān)的、分散的電能來(lái)提供動(dòng)力來(lái)源。

雖然單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗很溫和，范圍只是從微瓦到毫瓦，但如今物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億，預(yù)計(jì)到2035年增加到一萬(wàn)億，這就需要大量的便攜式能源，比如一塊電池或者一個(gè)能量收割機(jī)。

但是電池主要依賴于昂貴和不可持續(xù)的材料(如稀土元素)，而且電量最終會(huì)耗盡。

而現(xiàn)有的能源收割機(jī)(例如太陽(yáng)能、溫度、振動(dòng))雖然持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)環(huán)境不友好，比如光伏生產(chǎn)中會(huì)使用到有害材料。

那么，有沒(méi)有一種既便攜，又便宜耐用，而且還能保護(hù)環(huán)境的能源收集系統(tǒng)呢?

劍橋大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)告訴你：當(dāng)然有!

就是下面這個(gè)裝有藍(lán)藻的容器，它已經(jīng)為一臺(tái)計(jì)算機(jī)供電長(zhǎng)達(dá)一年!

這個(gè)裝置高6厘米，長(zhǎng)3.1厘米，寬2.3厘米，可以說(shuō)是非常小了。(道理我都懂，為什么這張圖看起來(lái)那么大...)

而且，它所需的材料簡(jiǎn)單廉價(jià)可回收：塑料、鋁、藍(lán)藻、水。

有了這個(gè)，還要電池干嘛??

1、日夜不休，超強(qiáng)續(xù)航六個(gè)月以上

這個(gè)能源收割機(jī)是一種生物光伏能源收集系統(tǒng)，它出自劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的Chris Howe教授和他的同事之手。

這項(xiàng)研究的題目為"Powering a microprocessor by photosynthesis"，論文已發(fā)表在Energy&Environmental Science期刊上。

研究人員用鋁和透明塑料造了一個(gè)AA電池大小的金屬外殼，里面放置了一種名為PCC 6803的藍(lán)藻菌群，也就是俗稱的「藍(lán)藻」。當(dāng)藍(lán)藻暴露在陽(yáng)光下時(shí)，它就可以通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣。

在2021年疫情封鎖期間，這個(gè)裝置就待在團(tuán)隊(duì)成員Paolo Bombelli家中的窗臺(tái)上，通過(guò)藻類進(jìn)行光合作用產(chǎn)生微小的電流，為微處理器ARM Cortex-M0+連續(xù)供電。

ARM Cotex-M0+芯片來(lái)自芯片制造商Arm，他們與劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，為其提供了測(cè)試設(shè)備和用于數(shù)據(jù)收集的云接口。

這款芯片并非專門(mén)為研究而生，而是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的微處理器，樹(shù)莓派Pico的CPU就是它。

研究人員原本以為，這個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)在幾周后就停止工作，沒(méi)想到它日夜不休地工作了6個(gè)月，而且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，藍(lán)藻還在繼續(xù)發(fā)電，一直運(yùn)行到現(xiàn)在。

那么這個(gè)裝置是怎么產(chǎn)生能源的呢?

2、神奇的“煉金術(shù)士”

理論上有兩種可能的來(lái)源：要么是藍(lán)藻自身產(chǎn)生電子，從而產(chǎn)生電流;要么是它們創(chuàng)造了條件，使容器中的鋁陽(yáng)極在化學(xué)反應(yīng)中被腐蝕，從而產(chǎn)生電子和電流。

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，并沒(méi)有對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行任何明顯的降解，所以研究人員認(rèn)為，藍(lán)藻產(chǎn)生了大部分電流。

近年來(lái)，海藻已經(jīng)成為生物燃料的新寵兒，藻類可以生成氫、凈化廢水、去除大氣中的二氧化碳等等，儼然成為了不起的“煉金術(shù)士”，有著發(fā)展清潔技術(shù)的強(qiáng)大潛力。

而該實(shí)驗(yàn)所用的PCC 6803是一種單細(xì)胞淡水藍(lán)細(xì)菌的菌株，屬于集胞藻(Synechocystis sp)，它像其他植物一樣可以通過(guò)光合作用從太陽(yáng)光中獲得能量，產(chǎn)生微弱的電流。

以只要在水槽中放入電極，就可以將產(chǎn)生的電流作為電池來(lái)使用。而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的處理器只需要非常微弱的功率就可以驅(qū)動(dòng)，所以使用藻類來(lái)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電是很合適的。

在實(shí)驗(yàn)期間，這臺(tái)由藻類驅(qū)動(dòng)的微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行了一些基本運(yùn)算，以45分鐘為周期，計(jì)算連續(xù)整數(shù)的總和來(lái)模擬計(jì)算工作量，僅耗費(fèi)0.3微瓦的電力，待機(jī)15分鐘則需要0.24微瓦的電力。

計(jì)算機(jī)自己測(cè)量設(shè)備輸出的電流，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，供研究人員分析。

圖注：研究團(tuán)隊(duì)成員 Christopher Howe(左)和 Paolo Bombelli(右)，圖片來(lái)自劍橋大學(xué)

雖然這個(gè)裝置產(chǎn)生的電流比較微弱，但已經(jīng)足夠?yàn)橐恍┬⌒碗娮釉O(shè)備充電了。

不過(guò)要想為一臺(tái)普通的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一臺(tái)計(jì)算機(jī)的實(shí)際耗能情況會(huì)因工作量和使用年限等因素而不同。

如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)每小時(shí)消耗 100 瓦的功率，那么運(yùn)行這臺(tái)電腦大約需要333,000,000 塊藻類“電池”。

所以，將來(lái)還需要進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，來(lái)為需要耗費(fèi)更多電力的設(shè)備供電。

目前藻類“電池”規(guī)模是小了點(diǎn)，但Christopher Howe對(duì)這個(gè)裝置的續(xù)航能力尤為自豪，「這個(gè)光合作用裝置不會(huì)像電池那樣很快耗盡。」

與傳統(tǒng)的電池或太陽(yáng)能相比，水藻對(duì)環(huán)境依賴性小，不斷地使用光作為能量來(lái)源提供持續(xù)電力。

這種藻類并不需要喂養(yǎng)，它們可以在光合作用時(shí)「生產(chǎn)」自己的食物，從自然陽(yáng)光中收集能量。而且，在夜間沒(méi)有光的情況下，這個(gè)設(shè)備可以通過(guò)「吃」白天儲(chǔ)存的電繼續(xù)供能。藻類分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型，最為常見(jiàn)易得的就是光能自養(yǎng)型。也就是說(shuō)有「光」啥都好說(shuō)。

3、藻類，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是池塘里的浮渣

該裝置目前只在概念驗(yàn)證階段，下一步，研究者很有可能將藻類供電芯片應(yīng)用于的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)有很大的電能缺口，它需要像藻類生物發(fā)電這樣的持續(xù)供能系統(tǒng)，而不是一塊只會(huì)簡(jiǎn)單儲(chǔ)存能量的電池。

近年來(lái)，碳達(dá)峰、碳中和風(fēng)很大，固碳減排是實(shí)現(xiàn)全球碳中和的關(guān)鍵一環(huán)。像用藻類植物光合作用賦能某臺(tái)機(jī)器設(shè)備，就屬于「綠色計(jì)算」范疇。

「綠色計(jì)算」拆開(kāi)理解，綠色簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是低碳和無(wú)害，即環(huán)境友好、資源節(jié)約，可高效循環(huán)利用。計(jì)算可理解為包含軟硬件結(jié)合的終端設(shè)備、服務(wù)器和相關(guān)系統(tǒng)等。

海藻是一種常見(jiàn)的海洋生物，在三十五億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了，四舍五入也算是世界上釋放氧氣最多的生物TopX。

藻類能源的利用方式屬于「生物光伏」(biophotovoltaics, BPV)，是一條生物學(xué)路徑利用太陽(yáng)能的方式，聽(tīng)起來(lái)好像產(chǎn)業(yè)大地即將有一股清新風(fēng)吹過(guò)似的。

人類通過(guò)光合作用利用微生物產(chǎn)生的能量為設(shè)備為產(chǎn)業(yè)續(xù)航，想來(lái)，豈不是白白浪費(fèi)了數(shù)十億年微生物光合作用產(chǎn)生的能量?開(kāi)墾的鋤頭要揮的更勤些才是。

當(dāng)然，孔雀開(kāi)屏還暴露屁股呢，這個(gè)項(xiàng)目也不是沒(méi)有缺點(diǎn)，比如，除藻類「電池」生產(chǎn)規(guī)模小之外，藻類能量效率極低——同樣場(chǎng)景下，太陽(yáng)能電池板吸收20%的陽(yáng)光，植物才吸收到0.25%。這個(gè)項(xiàng)目顯然還需要配以解決方案。

一個(gè)好消息是，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能產(chǎn)生更高電流的藻類，再加上成本極低，所以未來(lái)5年內(nèi)很有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

可以想象，在不久的將來(lái)，廣袤海域上覆蓋著一片片巨大荷葉形狀的藻類，它們的身份是海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的移動(dòng)發(fā)電站。

關(guān)鍵詞： 超強(qiáng)續(xù)航六個(gè)月以上 從微瓦到毫瓦 能量收割機(jī) 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備