水黾一般的"Ocean of Things"机器人靠细菌驱动的燃料电池运行

研究人员研制出了装有传感器的机器虫原型，这些机器虫可以模仿生物消化系统来满足能量需求，并能像水黾一样在水面上移动。早在 2017 年，DARPA 就提出了一项计划，开发和部署数千个浮动传感器，旨在收集"海洋温度、海况和位置等环境数据，以及商船、飞机甚至海洋哺乳动物在海洋上移动的活动数据"。

该项目被称为Ocean of Things，其本质类似于通过物联网收集信息的大量传感器智能设备，项目页面称，传感器数据将上传到政府拥有的云存储中进行分析，"物联网海洋"将支持军事任务，同时也向研究机构和商业机构开放。

宾汉姆顿大学的 Seokheum Choi 教授在海军研究办公室的资助下，在过去十多年里一直在研究这样一种装置。现在，Choi 和他的团队开发出了一种可以在水面上滑行的微型水生机器人，它由机载细菌提供动力，而不是由太阳能、动力或热能等普通能源系统提供动力。

研究小组在论文中指出："我们正在积极探索各种创新策略，使自持机器人能够直接从海洋环境中获取能量。这些策略包括利用太阳能、海浪或海流产生的动能、盐水的渗透势、热梯度和湿气驱动的能源。"

"尽管这些方法具有创新性，但在海洋环境中，光能和机械能的可用性各不相同，加上盐度梯度、热差和湿度产生的能量相对较低，这些都带来了巨大的挑战。这些限制阻碍了仅依靠当前的能量采集技术来保证水生机器人可靠和持续运行的能力"。

水上机器人由一种微生物燃料电池提供动力，这种燃料电池具有孢子形成细菌的特点

新系统的动力装置是围绕一个微生物燃料电池构建的，该电池采用了一种名为枯草芽孢杆菌的孢子形成菌，它是一种小型发电机，其灵感来自生物消化过程，通过催化还原-氧化反应将有机物转化为电能。

Choi说："当环境对细菌有利时，它们会变成无性细胞并产生能量，但当条件不利时--例如，天气非常寒冷或没有养分--它们又会变回孢子。这样，我们就可以延长运行寿命。"

燃料电池的阳极是由聚吡咯涂层碳布制成的--之所以选择这种材料，是因为它具有出色的导电性和支持细菌繁殖的能力。接受电子的阴极也是碳布，但装饰有聚吡咯涂层的铂，选择它是因为它具有"加速氧气还原的催化特性"。拼图的最后一部分是用于选择性质子转移的 Nafion 117 膜。

集成动力装置还具有相邻的疏水和亲水表面，使海水中的"有机基质"能够"单向流动"，为细菌孢子提供养分。

单个燃料电池装置的"最大功率密度为 135 µW cm-2，开路电压为 0.54 V"，但扩大到六个单元阵列后，观察到的发电量几乎达到一毫瓦。从整体上看，这个输出功率可能相对较小，但对于平台顶部的小型直流电机和机载传感器来说，已经足够了。

研究人员解释说："为了实现平稳的水上运动，机器人利用电机的旋转力，对平台施加反作用力，推动它在水面上前进，而不直接作用于水本身。同时，"疏水特性有助于产生主要浮力"。小机器人的腿部也经过疏水涂层处理，这样它就能像水上黾一样在水面上滑行。"

因此，这样做的目的是能够在任何特定时间将微型数据采集器部署到需要的地方，而不是在其整个运行寿命期间将其束缚在一个地方。

研究小组指出："虽然这项工作成功地展示了由集成 MFC 阵列驱动的水面自持移动能力，但对水生机器人平台的定位、传感、信号处理和传输等实际应用的探索仍然是一个有待开发的领域。还需要在长期性能和不同环境条件下的适用性方面开展更多工作。但目前的系统可以作为新型设计的概念验证。"

研究论文已发表在《先进材料技术》杂志上。