全球能源危机迫使人们亟需可持续的解决方案来替代日益枯竭的化石燃料，因此，水伏技术（hydrovoltaic technologies） 应运而生，成为水能转换的革命性工具。它利用水循环相变中巨量但被忽视的低品位潜热，借助水与纳米材料的吸湿、蒸发等相互作用直接发电。凭借天然亲水性、生物相容性和高效的水利用能力，生物基材料正成为该领域的研究热点。

生物基水伏材料可分为“非活”性与“活”性两大类。“非活”水伏利用无生命生物材料收集能量，性能依赖环境稳定性。“活”水伏则突破传统局限，耦合微生物代谢、植物蒸腾等动态生物过程实现高效能量转换，标志着开发策略从“材料结构调控”向“生物功能驱动”。根据生物材料的来源特性，可进一步分为三大主要类型：（1）微生物基：具备自愈能力、环境适应性及基因工程潜力，兼具环境友好性与可增殖性；（2）植物基：具天然孔径梯度与定向传输通道，利于水伏产电，成本低且资源丰富（研究最广泛）；（3）动物基：研究较少，但凭借优异生物相容性与力学性能展现巨大潜力。

图1. 生物基水伏技术的发展和分类

二者均具有环境友好特性，当前活性水伏能量转换效率较低，但通过基因工程、多源耦合等策略有望突破理论上限。在集成扩展方面，非活性水伏依赖模块化串并联，活性水伏可结合合成生物学实现可持续规模化（如工程菌固定化）；在应用场景方面差异显著，非活性水伏适用于短期受控环境，活性水伏凭借自修复与环境适应能力，在长期复杂场景（如极端寡营养环境）中潜力更大。

图2. 非活性与活性水伏系统的比较。（a）材料特性；（b）可持续扩展潜力；（c）应用场景。

针对水伏性能提升，该文提出三大跨学科技术整合策略：结合分子动力学模拟与机器学习指导材料设计；通过微纳制造实现器件集成；利用合成生物学突破传统材料瓶颈，实现系统化生物功能设计。研究团队提出了三大发展方向：“水伏互联”——构建分布式智能电网；“水伏智能”——结合人工智能优化能量系统，实现自适应调控；“水伏生态”——打造零碳能源网络并促进生态修复。

图3. 生物基水伏技术的未来发展

生物基水伏系统当前面临材料稳定性、成本控制、生物安全等挑战，限制实际应用。未来需通过跨学科协作，重点提升材料稳定性、优化能量转换效率、降低生产成本，并加强生物安全评估，推动技术广泛应用。

来源: 《中国科学》杂志社