在探索海洋深处的奥秘时，能源自主性一直是水下机器人技术发展的关键挑战。传统的电池供电设备存在能量存储有限和远程环境下难以充电的问题。为了克服这些限制，科学家们一直在寻找能够直接从海洋环境中获取能量的替代能源。近年来，微生物燃料电池（MFC）技术因其将有机物质转化为电力的潜力而备受关注。本文将探讨如何利用MFC技术，为水下移动机器人提供一种自给自足的动力解决方案。

微生物燃料电池是一种生物电化学系统，它通过微生物代谢活动将有机物质中的化学能直接转化为电能。这种技术的核心在于三个主要组成部分：阳极、阴极和质子交换膜（PEM）。阳极上的微生物能够氧化有机基质，产生电子；阴极作为电子的最终受体，通常通过氧气还原反应接收电子；而PEM则确保从阳极到阴极的选择性质子传递，维持系统的电平衡。

水下机器人在执行任务时需要大量的能量，尤其是在远程和难以到达的环境中，能源供应问题尤为突出。传统的能源解决方案，如太阳能和波浪能，受到环境条件的限制，无法保证机器人的可靠和持续运行。因此，开发一种能够适应水下环境并提供稳定能源的系统变得至关重要。

在这项开创性的研究中，科学家们提出了一种创新的自持能源系统，该系统利用MFC技术，通过催化氧化还原反应，将水环境中的有机物质转化为电能。为了提高MFC的使用寿命，研究中使用了形成孢子的枯草杆菌（Bacillus subtilis）作为阳极生物催化剂。枯草杆菌具有在恶劣条件下存活并在有利环境中重新激活的能力，从而延长了MFC的使用寿命。

为了确保MFC的稳定运行，研究团队采用了生物模拟策略，模仿水黾在水面上的运动方式，使机器人能够在水面上高效移动。机器人使用由微生物代谢驱动的电机，通过Janus膜摄取有机营养物质。这种Janus膜具有不对称的表面润湿性，能够选择性地吸收有机基质，同时防止生物催化剂细菌和代谢副产品的反向扩散。

实验结果表明，使用枯草杆菌的微型MFC能够在水环境中持续产生电力。通过在阳极上接种枯草杆菌孢子，然后让它们在特定营养条件下发芽，可以增强MFC在动态水下环境中的适应性和韧性。此外，通过精确控制Janus膜上亲水PVA层的厚度，研究人员实现了对水滴通过时间的精确控制，从而显著提高了Janus膜在不同操作场景下的适用性。

虽然这项工作成功展示了利用集成MFC阵列为水下机器人提供自给自足的动力，但在水下机器人平台上进行定位、传感以及信号处理和传输的实际应用仍然是一个有待开发的领域。此外，系统的长期运行能力、在不同环境条件下的完全自给自足性以及可靠性需要进行全面的研究。

这项研究为开发自持水下机器人提供了一种创新的蓝图，通过结合生物模拟策略和MFC技术，实现了一种新型的水下动力解决方案。通过使用枯草杆菌孢子和Janus膜，该系统能够自主地从水环境中获取营养，为机器人提供稳定而高效的电力。这项技术不仅为水下机器人的自主性和适应性带来了显著的提升，也为海洋探索和环境监测开辟了新的途径。

通过这项技术，我们有望在未来看到更加智能、更加环保的水下机器人，它们能够在海洋深处进行长时间的自主探索，为我们揭开更多海洋的神秘面纱。随着技术的不断进步和完善，生物模拟和MFC技术的结合将为水下机器人的发展带来无限可能。

A. Elhadad, Y. Gao, S. Choi, Revolutionizing Aquatic Robotics: Advanced Biomimetic Strategies for Self-Powered Mobility Across Water Surfaces. Adv. Mater. Technol. 2024, 2400426. https://doi.org/10.1002/admt.202400426