未來的電池，可能是用病毒做的 | 近未來㉘
新冠病毒，已經成為目前全世界最大的敵人。
它讓很多人只能「自囚」於家中，社畜們結束了 996 生活 ，卻迎來了 007 的在家辦公，還逼得小學生組隊給網課軟件打一星。
它讓我們不得不壓抑自己的消費慾望，全球電影業因疫情面臨 50 億美元損失，全球航空業的收入則可能減少 1130 億美元。
▲ 圖片來自：紐約時報
在這個特殊時期，似乎沒有人想和病毒扯上關係，可也有科學家想利用病毒造福人類。
麻省理工學院的一位生物工程教授安吉拉·貝爾徹（Angela Belcher），已經成功研製出用病毒製造的電池，而她的終極夢想，是能夠駕駛由 「病毒電池」驅動的汽車。
製造病毒電池
病毒電池其實不是最近才出現的技術，早在 2009 年，由安吉拉·貝爾徹帶領的科研團隊就已經利用一種直徑只有 6 納米的病毒，製造出只有細胞大小的微型電池。
這項研究還吸引了時任美國總統奧巴馬的興趣，貝爾徹受邀前往白宮為奧巴馬展示了這種病毒電池。當時奧巴馬正計劃投入 20 億美元用於支持新電池技術的開發，而貝爾徹的病毒電池則揭示了電池領域一個新的方向。
▲ . 圖片來自：wired
到底科學家是怎麼用病毒來製造電池的？病毒電池和普通電池又有什麼不同？要解答這些問題，首先需要簡單了解電池的工作原理。
一般的鋰電池的放電和充電，是內部的鋰離子通過電解液在正極和負極之間運動實現的，正極使用的材料一般為磷酸鹽，無論是硫酸鹽還是鋰離子，這種材料也廣泛存在地球各種生命體中，因此用生物來製作電池在邏輯上是可行的。
不過要製造這種電池，首先就要找到可以充當電極和導線的生物結構。一開始貝爾徹打算用採用人造神經纖維，因為動物的神經纖維末梢就是天然的納米導線，但這種方式的成本和技術難度都太高，最終只能放棄。
後來貝爾徹在鮑魚殼身上找到了答案，他們發現鮑魚可以分泌出一種蛋白質，可從富含礦物質的水中提取碳酸鈣分子，並讓其在體內定向排列，從而形成鮑魚殼。於是貝爾徹將編碼這種蛋白的基因移植到病毒，讓病毒擁有生成納米結構的能力，用來製作電極和導線。
▲鮑魚殼. 圖片來自：Monad Centre of Balance
在自然情況下，鮑魚要形成一個完整的貝殼需要 15 年，而經過基因編輯，在實驗室內病毒生產一個電極只需要兩星期。
研究團隊在分析了數百萬種病毒後，最後選擇了 M13 噬菌體，這是一種形似雪茄的病毒，直徑只有 6 納米，長度 880 納米。這種病毒除了可以將機械能轉化為電能，而且遺傳物質簡單，易於操控。
與鮑魚類似，這種病毒會在表面生成一種蛋白質，吸附氧化鈷微粒並覆蓋在外殼，當數百萬個病毒連接起來，就能形成一條氧化鈷線，可以作為電極使用。
在這個過程中，這些連成一線的病毒都是活的。眾所周知，病毒需要宿主才能存活，研究人員將病毒感染無害的細菌，來大量複製病毒。
通過這種方式製造的電池，不僅能提升電池的能量密度、壽命和充電效率，生產過程也更加環保。相比於微型電池所用的碳納米管電極材料，病毒組裝而成的電極儲能效率提升了兩倍。
▲普渡大學研發出的銻納米鏈負極.
將納米結構用於電池作為電極材料，近年來被認為是突破目前鋰電池瓶頸的一個重要方向。因為納米電極能更多、更快地吸收和釋放帶電離子，因此可以將電池做得更小、更輕、且容量更大。
約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的高級電池研究科學家 Konstantinos Gerasopoulos 表示，使用病毒的好處在於，它們本身就以「納米」的形式存在，本質上就是用於合成電池材料的天然模板。
當然你可能會擔心，利用病毒製造電池，萬一病毒泄露感染人類，不就危險了嗎？
貝爾徹表示，他們使用的病毒均已經過無害化基因改造，只會感染特定的細菌宿主，而且並不致命，只會使被感染細菌的生長速度減慢。此外這種電池報廢后可生物降解，不會像過去的鋰電池一樣對環境造成污染。
▲ 安吉拉·貝爾徹. 圖片來自：MIT News
經過 10 年的研究，貝爾徹的病毒電池已經取得了不少新的突破。病毒已經可以和 150 多種材料一起使用，用以製造太陽能電池等產品。
雖然目前這種病毒電池只能給手電筒，激光筆，手錶和 LED 燈等小型電子設備供電，但是貝爾徹一直在嘗試將這種技術推出市場，她與別人聯合創辦了兩家生物科技公司，Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies，就是利用病毒來合成用於觸控屏的納米線，以及將二氧化碳轉化為乙烯。
▲ 貝爾徹的病毒電池原型機. 圖片來自：MIT Museum
但要實現貝爾徹理想中的「病毒電池驅動的汽車」，目前還難以做到，病毒電池的商業化存在兩個比較大的問題。
一是病毒體積太小，可一般電池工廠所需的原材料高達數十噸，以目前的生物分子技術實現這種規模的量產並不容易，但 Gerasopoulos 也表示「這個障礙未來並非無法克服」。
▲ 特斯拉的超級電池工廠.
二是病毒電池部分性能還比不上傳統的電池，貝爾徹曾用病毒製造太陽能電池，但其技術效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提並論。
前面提到的鮑魚，能有序地排列鈣分子形成外殼，病毒電池雖然借鑑了這一原理，但目前病毒組裝的電極結構依然是隨機的，貝爾徹團隊正在研究如何讓病毒生成更加有序的電極結構。
儘管目前病毒電池還不夠成熟，但貝爾徹表示，她的研究是希望用生物技術來解決一些目前尚未解決的問題。
除了病毒電池，貝爾徹還利用病毒組裝技術開發出能發現腫瘤的納米粒子，可以發現那些以為體積太小而無法被醫生發現的癌組織，這對早期癌細胞的檢測有很大提升。
當這種病毒納米粒子進入體內，會定向附着在癌細胞上，在紅外光照射下會發出熒光，以此來標記癌細胞的位置。在對小鼠的實驗中，這項技術成功讓接受卵巢癌手術的小鼠壽命延長 40%。
100 多年前，人類就開始用細菌發電
用病毒製造電池這一概念看似新穎，但你可能不知道，早在 100 多年前，人類就開始利用微生物的能量進行發電了。
1911 年，英國植物學家 Michael Cressé Potter 發現大腸桿菌可將有機物中的化學能轉化為電能，他鉑作為電極，利用大腸桿菌和酵母菌的培養液，製作了世界第一個細菌電池。
不過直到 1976 年，日本科學家 Suzuki 才製造出現代意義的微生物燃料電池（MFC）。到了 80 年代，倫敦皇家學院的 Peter Bennetto 以糖液作為養料，讓細菌在電池組裏分解分子，釋放出電子向陽極運動以產生電腦，經計算這種細菌電池的發電效率比如今的太陽能電池還高 40%。
在過去幾十年間，人類陸續發現了更多可以發電的細菌。從用於去除地下鈾污染物的地桿菌到我們腸道內部的厭氧糞腸球菌，都具有轉移電子發出電能的能力。
不久前發表於《自然》雜誌的「空氣發電機」（air-powered generator）研究，就是利用微生物地桿菌產生的導電蛋白納米線形成了 7 微米的薄膜作為電極。
當蛋白納米線與電極相連後，就可以利用薄膜從空氣中吸收水分，水分子被分解成氫離子和氧離子，導致電荷在薄膜頂部聚集，利用兩個電極形成的電荷差讓電子流動，從而產生電能。
研究稱這種「空氣發電機」可以 7 天 24 小時不間斷地發電，而且過程中不需要外部電源。即便在極度乾燥的地方，比如撒哈拉沙漠，一樣能發電，目前「空氣發電機」已經能為小型電子設備供電。
此外用細菌製作的太陽能電池，甚至可以在陰天里正常發電。不列顛哥倫比亞大學的研究團隊就用大腸桿菌開發了一種廉價、可持續的太陽能電池，不僅能產生比同類設備更強的電流，發電效率幾乎不會受到光照強度的影響。
研究人員對大腸桿菌進行基因改造後，讓其可以生成番茄紅素，這種色素吸收光線並轉化為能量的效率很高，通過與一種礦物質結合覆蓋在玻璃表面，就能作為電池陽極。
▲ 細菌太陽能電池示意圖.
不過這種技術還在初期階段，細菌會在發電過程中死亡，還難以達到傳統太陽能電池的發電量。研究人員希望將這種細菌電池用於礦井和深海勘探等微光環境。
利用細菌進行發電的好處在於，驅動這些生物燃料電池的養料隨處可見，且成本不高。腐爛的水果、工業廢水、生活污水，甚至尿液和化糞池的水可以作為養料，既環保又經濟。
▲ 圖片來自：New Frame
西英格蘭大學的生物能源研究小組曾在 2015 年大學校園裏建立了兩個移動廁所，在小便池放置了 8 個由微生物燃料電池構成的電池模塊，利用尿液來驅動這些微生物燃料電池，來為 LED 燈發電。
▲尿液驅動細菌發電的原理圖. 圖片來自：New Frame
此外這個研究小組還試圖通過類似的方式來為手機發電，預計需要 600 ml 尿液（約成年人尿兩次），就能為手機充電 6 小時，給手機續航 3 小時。
電池的未來，可以用交給這些微生物嗎？
無論是病毒電池，還是發展了 100 多年的生物燃料電池，迄今為止都沒有被大規模商用。除了轉換效率不夠高和難以大規模量產外，成本問題也是一個不可忽視的問題。雖然細菌本身和所需的養料所需的成本都很低，但生產過程中使用的生物催化劑卻十分昂貴。
但科學家正在解決這些問題，生物燃料電池依然存在替代傳統電池的可能性。尤其是小型的可穿戴設備和心臟起搏器植入式電子設備，通過這種技術提供電源十分實用，也更加接近於商用。
正如愛範兒此前一篇文章所説的，電池限制了我們對智能產品的想象力。
傳統鋰電池的能量密度有限，過去 20 年都沒有取得太大的突破，這限制了電動車的發展，更讓全電動大型客機成為天方夜譚，像波音 737 這種大型飛機，所需的電池重量甚至要比機身更重，這顯然無法商業化。
▲ 電動車內電池組的單節電池
同時生產鋰電池所需的稀有金屬，本身產量就有限，隨着人類對電池的需求增加，成本也不斷提高。雖然人類已經嘗試潛入深海採礦，但也帶來了不少關於環保問題的爭議，商業化的前景並不明朗。
▲ 深海採礦的專用挖礦機。圖片來自：savethehighseas
如果病毒電池和細菌電池能實現低成本的大規模量產，到那時我們就真的就擁有取之不盡的電池原材料了，電池領域也將進入一個全新的階段。
科幻電影《黑客帝國》曾描繪過一個完全靠生物電池提供的世界，只不過電影裏是人類被當做電池，來為機器人提供電力。
電池的未來，或許就這個星球的生物體內。
資料來源：愛範兒（ifanr）
它讓很多人只能「自囚」於家中，社畜們結束了 996 生活 ，卻迎來了 007 的在家辦公，還逼得小學生組隊給網課軟件打一星。
它讓我們不得不壓抑自己的消費慾望，全球電影業因疫情面臨 50 億美元損失，全球航空業的收入則可能減少 1130 億美元。
▲ 圖片來自：紐約時報
在這個特殊時期，似乎沒有人想和病毒扯上關係，可也有科學家想利用病毒造福人類。
麻省理工學院的一位生物工程教授安吉拉·貝爾徹（Angela Belcher），已經成功研製出用病毒製造的電池，而她的終極夢想，是能夠駕駛由 「病毒電池」驅動的汽車。
製造病毒電池
病毒電池其實不是最近才出現的技術，早在 2009 年，由安吉拉·貝爾徹帶領的科研團隊就已經利用一種直徑只有 6 納米的病毒，製造出只有細胞大小的微型電池。
這項研究還吸引了時任美國總統奧巴馬的興趣，貝爾徹受邀前往白宮為奧巴馬展示了這種病毒電池。當時奧巴馬正計劃投入 20 億美元用於支持新電池技術的開發，而貝爾徹的病毒電池則揭示了電池領域一個新的方向。
▲ . 圖片來自：wired
到底科學家是怎麼用病毒來製造電池的？病毒電池和普通電池又有什麼不同？要解答這些問題，首先需要簡單了解電池的工作原理。
一般的鋰電池的放電和充電，是內部的鋰離子通過電解液在正極和負極之間運動實現的，正極使用的材料一般為磷酸鹽，無論是硫酸鹽還是鋰離子，這種材料也廣泛存在地球各種生命體中，因此用生物來製作電池在邏輯上是可行的。
不過要製造這種電池，首先就要找到可以充當電極和導線的生物結構。一開始貝爾徹打算用採用人造神經纖維，因為動物的神經纖維末梢就是天然的納米導線，但這種方式的成本和技術難度都太高，最終只能放棄。
後來貝爾徹在鮑魚殼身上找到了答案，他們發現鮑魚可以分泌出一種蛋白質，可從富含礦物質的水中提取碳酸鈣分子，並讓其在體內定向排列，從而形成鮑魚殼。於是貝爾徹將編碼這種蛋白的基因移植到病毒，讓病毒擁有生成納米結構的能力，用來製作電極和導線。
▲鮑魚殼. 圖片來自：Monad Centre of Balance
在自然情況下，鮑魚要形成一個完整的貝殼需要 15 年，而經過基因編輯，在實驗室內病毒生產一個電極只需要兩星期。
研究團隊在分析了數百萬種病毒後，最後選擇了 M13 噬菌體，這是一種形似雪茄的病毒，直徑只有 6 納米，長度 880 納米。這種病毒除了可以將機械能轉化為電能，而且遺傳物質簡單，易於操控。
與鮑魚類似，這種病毒會在表面生成一種蛋白質，吸附氧化鈷微粒並覆蓋在外殼，當數百萬個病毒連接起來，就能形成一條氧化鈷線，可以作為電極使用。
在這個過程中，這些連成一線的病毒都是活的。眾所周知，病毒需要宿主才能存活，研究人員將病毒感染無害的細菌，來大量複製病毒。
通過這種方式製造的電池，不僅能提升電池的能量密度、壽命和充電效率，生產過程也更加環保。相比於微型電池所用的碳納米管電極材料，病毒組裝而成的電極儲能效率提升了兩倍。
▲普渡大學研發出的銻納米鏈負極.
將納米結構用於電池作為電極材料，近年來被認為是突破目前鋰電池瓶頸的一個重要方向。因為納米電極能更多、更快地吸收和釋放帶電離子，因此可以將電池做得更小、更輕、且容量更大。
約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的高級電池研究科學家 Konstantinos Gerasopoulos 表示，使用病毒的好處在於，它們本身就以「納米」的形式存在，本質上就是用於合成電池材料的天然模板。
當然你可能會擔心，利用病毒製造電池，萬一病毒泄露感染人類，不就危險了嗎？
貝爾徹表示，他們使用的病毒均已經過無害化基因改造，只會感染特定的細菌宿主，而且並不致命，只會使被感染細菌的生長速度減慢。此外這種電池報廢后可生物降解，不會像過去的鋰電池一樣對環境造成污染。
▲ 安吉拉·貝爾徹. 圖片來自：MIT News
經過 10 年的研究，貝爾徹的病毒電池已經取得了不少新的突破。病毒已經可以和 150 多種材料一起使用，用以製造太陽能電池等產品。
雖然目前這種病毒電池只能給手電筒，激光筆，手錶和 LED 燈等小型電子設備供電，但是貝爾徹一直在嘗試將這種技術推出市場，她與別人聯合創辦了兩家生物科技公司，Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies，就是利用病毒來合成用於觸控屏的納米線，以及將二氧化碳轉化為乙烯。
▲ 貝爾徹的病毒電池原型機. 圖片來自：MIT Museum
但要實現貝爾徹理想中的「病毒電池驅動的汽車」，目前還難以做到，病毒電池的商業化存在兩個比較大的問題。
一是病毒體積太小，可一般電池工廠所需的原材料高達數十噸，以目前的生物分子技術實現這種規模的量產並不容易，但 Gerasopoulos 也表示「這個障礙未來並非無法克服」。
▲ 特斯拉的超級電池工廠.
二是病毒電池部分性能還比不上傳統的電池，貝爾徹曾用病毒製造太陽能電池，但其技術效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提並論。
前面提到的鮑魚，能有序地排列鈣分子形成外殼，病毒電池雖然借鑑了這一原理，但目前病毒組裝的電極結構依然是隨機的，貝爾徹團隊正在研究如何讓病毒生成更加有序的電極結構。
儘管目前病毒電池還不夠成熟，但貝爾徹表示，她的研究是希望用生物技術來解決一些目前尚未解決的問題。
除了病毒電池，貝爾徹還利用病毒組裝技術開發出能發現腫瘤的納米粒子，可以發現那些以為體積太小而無法被醫生發現的癌組織，這對早期癌細胞的檢測有很大提升。
當這種病毒納米粒子進入體內，會定向附着在癌細胞上，在紅外光照射下會發出熒光，以此來標記癌細胞的位置。在對小鼠的實驗中，這項技術成功讓接受卵巢癌手術的小鼠壽命延長 40%。
100 多年前，人類就開始用細菌發電
用病毒製造電池這一概念看似新穎，但你可能不知道，早在 100 多年前，人類就開始利用微生物的能量進行發電了。
1911 年，英國植物學家 Michael Cressé Potter 發現大腸桿菌可將有機物中的化學能轉化為電能，他鉑作為電極，利用大腸桿菌和酵母菌的培養液，製作了世界第一個細菌電池。
不過直到 1976 年，日本科學家 Suzuki 才製造出現代意義的微生物燃料電池（MFC）。到了 80 年代，倫敦皇家學院的 Peter Bennetto 以糖液作為養料，讓細菌在電池組裏分解分子，釋放出電子向陽極運動以產生電腦，經計算這種細菌電池的發電效率比如今的太陽能電池還高 40%。
在過去幾十年間，人類陸續發現了更多可以發電的細菌。從用於去除地下鈾污染物的地桿菌到我們腸道內部的厭氧糞腸球菌，都具有轉移電子發出電能的能力。
不久前發表於《自然》雜誌的「空氣發電機」（air-powered generator）研究，就是利用微生物地桿菌產生的導電蛋白納米線形成了 7 微米的薄膜作為電極。
當蛋白納米線與電極相連後，就可以利用薄膜從空氣中吸收水分，水分子被分解成氫離子和氧離子，導致電荷在薄膜頂部聚集，利用兩個電極形成的電荷差讓電子流動，從而產生電能。
研究稱這種「空氣發電機」可以 7 天 24 小時不間斷地發電，而且過程中不需要外部電源。即便在極度乾燥的地方，比如撒哈拉沙漠，一樣能發電，目前「空氣發電機」已經能為小型電子設備供電。
此外用細菌製作的太陽能電池，甚至可以在陰天里正常發電。不列顛哥倫比亞大學的研究團隊就用大腸桿菌開發了一種廉價、可持續的太陽能電池，不僅能產生比同類設備更強的電流，發電效率幾乎不會受到光照強度的影響。
研究人員對大腸桿菌進行基因改造後，讓其可以生成番茄紅素，這種色素吸收光線並轉化為能量的效率很高，通過與一種礦物質結合覆蓋在玻璃表面，就能作為電池陽極。
▲ 細菌太陽能電池示意圖.
不過這種技術還在初期階段，細菌會在發電過程中死亡，還難以達到傳統太陽能電池的發電量。研究人員希望將這種細菌電池用於礦井和深海勘探等微光環境。
利用細菌進行發電的好處在於，驅動這些生物燃料電池的養料隨處可見，且成本不高。腐爛的水果、工業廢水、生活污水，甚至尿液和化糞池的水可以作為養料，既環保又經濟。
▲ 圖片來自：New Frame
西英格蘭大學的生物能源研究小組曾在 2015 年大學校園裏建立了兩個移動廁所，在小便池放置了 8 個由微生物燃料電池構成的電池模塊，利用尿液來驅動這些微生物燃料電池，來為 LED 燈發電。
▲尿液驅動細菌發電的原理圖. 圖片來自：New Frame
此外這個研究小組還試圖通過類似的方式來為手機發電，預計需要 600 ml 尿液（約成年人尿兩次），就能為手機充電 6 小時，給手機續航 3 小時。
電池的未來，可以用交給這些微生物嗎？
無論是病毒電池，還是發展了 100 多年的生物燃料電池，迄今為止都沒有被大規模商用。除了轉換效率不夠高和難以大規模量產外，成本問題也是一個不可忽視的問題。雖然細菌本身和所需的養料所需的成本都很低，但生產過程中使用的生物催化劑卻十分昂貴。
但科學家正在解決這些問題，生物燃料電池依然存在替代傳統電池的可能性。尤其是小型的可穿戴設備和心臟起搏器植入式電子設備，通過這種技術提供電源十分實用，也更加接近於商用。
正如愛範兒此前一篇文章所説的，電池限制了我們對智能產品的想象力。
傳統鋰電池的能量密度有限，過去 20 年都沒有取得太大的突破，這限制了電動車的發展，更讓全電動大型客機成為天方夜譚，像波音 737 這種大型飛機，所需的電池重量甚至要比機身更重，這顯然無法商業化。
▲ 電動車內電池組的單節電池
同時生產鋰電池所需的稀有金屬，本身產量就有限，隨着人類對電池的需求增加，成本也不斷提高。雖然人類已經嘗試潛入深海採礦，但也帶來了不少關於環保問題的爭議，商業化的前景並不明朗。
▲ 深海採礦的專用挖礦機。圖片來自：savethehighseas
如果病毒電池和細菌電池能實現低成本的大規模量產，到那時我們就真的就擁有取之不盡的電池原材料了，電池領域也將進入一個全新的階段。
科幻電影《黑客帝國》曾描繪過一個完全靠生物電池提供的世界，只不過電影裏是人類被當做電池，來為機器人提供電力。
電池的未來，或許就這個星球的生物體內。
資料來源：愛範兒（ifanr）