近期，中国科大苏州高等研究院苏育德研究员团队，与东北师范大学周明教授、哈尔滨工业大学路璐教授合作，在美国化学会旗下杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表题为“Wearable Microbial Fuel Cells for Sustainable Self-Powered Electronic Skins”的展望论文。苏育德研究员为本文的共同通讯作者，中国科学技术大学苏州高等研究院为本文的第一通讯单位。
电子皮肤是一项快速发展的技术，在实时健康诊断和监测方面有着广泛的应用。因为电池需要经常更换，人体自供能技术被认为是未来电子皮肤可持续工作的关键。潜在的自供能能量来源包括阳光、人体运动、汗液和体热，其中人体汗液中的生物燃料是最自然、最有效的潜在自供能来源。
目前，可穿戴酶生物燃料电池已经被开发出来，可以利用汗液中的乳酸，葡萄糖、乙醇等作为燃料在皮肤表面发电。当与电子皮肤集成时，可穿戴的酶生物燃料电池已经显示出了很有前景的发电效率。然而，基于酶的燃料电池通常稳定性较差，限制了它们的实际应用。与基于酶的燃料电池相比，微生物燃料电池(MFC)利用产电微生物(可以自我修复和自我复制)的代谢发电，可以显著提高系统的稳定性，发电周期可以长达数年。在这篇展望中，苏育德研究员团队与合作者从能源利用、效率、健康等方面讨论并展望了可穿戴MFC的可行性与未来前景。
图1.柔性超薄贴片MFC和器件结构示意图
根据人体每天的排汗量和汗液的收集，利用汗液发电的可穿戴微生物燃料电池有希望持续为功率为1.5瓦的电子皮肤实时供电。虽然可穿戴MFC的标准化架构尚未完全建立，但目前已经提出了两种潜在的器件结构，即超薄贴片MFC(图1)和织物MFC(图2)。贴片MFC的超薄柔性结构可以容纳微流控模块，利于收集汗液，并将多余的汗液保存在超薄水凝胶结构中。提高超薄贴片MFC发电效率的策略在于将更多的器件串联或者并联起来。织物型MFC，其阳极和阴极由导电材料和催化剂在一根不导电纤维的两端涂覆而成，而纤维的中间部分起到离子交换传输的作用。织物型纤维MFC方便了多根纤维的串联和并联，形成2D或者3D的多维度纤维结构，增大可穿戴MFC的发电效率。但是织物型MFC的开放结构不利于汗液的收集。
产电细菌对人体可能产生的健康危害，也是可穿戴微生物燃料电池需要重点考虑的因素。束缚产电细菌避免细菌与人体的接触是提高可穿戴微生物燃料电池安全性的可靠方案。目前的策略包括1）利用半透膜将细菌与人体隔离；2）把细菌负载到多孔材料中，避免细菌的暴露。
与已经成熟的可穿戴酶燃料电池技术相比，可穿戴MFC的发展仍处于起步阶段。除了上述讨论的能源、效率和健康因素外，未来还需要解决其输出功率的稳定性、器件的按需使用、生物膜的过度生长等问题。这些问题的解决将使可穿戴MFC成为一个可靠的人体自供能技术为电子皮肤供电。
图2.织物型MFC装置的示意图
文献链接
https://doi.org/10.1021/acsami.2c00313
