SoilSense: 土壌微生物燃料電池を活用したリアルタイム力覚フォードバックインタフェースの実現

近年気候変動対策として持続可能なエネルギの需要が高まっている. この課題に対し水分のみで作動する土壌微生物燃料電池 (Soil-based Microbial Fuel Cells,SMFC) が効率的な電力源を代替するものとして注目を集めている. これは, 土壌中の微生物の代謝活動を通じて電力を生成するものである. 本研究では,SMFC を柔軟なセンサとして活用するための新たなデザインスペースを提案する. カソードと土壌表面の接触面積の変化によって生じる電圧変動を利用し, 土壌を様々な環境に適用可能な「ユビキタスなセンサ素材」として導入する. このアプローチにより, 静電容量センサや力センサに類似したセンシング機能を実現する.私たちは, さまざまな電極構成および体積含水率 (VWC) におけるこの現象の基本原理を調査した. また, 多様な入力に対応するため, 柔軟な素材を用いたモジュール型のコンテナを設計・製作した. さらに, SMFC を用いたユーザシナリオを実証し, バイオデザインとして土壌を使用する際の設計上の考慮点について結論を示す.

1. SoilSense: 土壌微生物燃料電池を活用したリアルタイム
力覚フィードバックインタフェースの実現
01
原理 - SMFC 03
塚越 雄真
※1
， Tian Min
※1
， 杉浦 裕太
※1

*1慶應義塾大学
概要01
・再生可能エネルギの需要の高まり
・IoTの普及
背景
・従来の発電手法は環境に対する負担が大きい
・外部センサーを用いた e-wasteの増加
課題
・環境に負荷を与えない自発電型
センサモジュールの開発
アプローチ
提案手法02
原理 - SoilSense 04
・微生物が土壌中の有機物を分解
・発生する電子を収集し電力を生成
・カソード反応（還元反応 )
・2O
2+ 8H
+
+8e
−
→4H
2O
・アノード反応（酸化反応）
・CH
3COO
−
+3H
2→CO
2+HCO
−
+8H
+
+8e
−

評価実験05
結果06
最適な実験条件 : 200 µWの電力と731 mVの電圧を発生
・カソードが酸素にさらされている
・アノードが無酸素状態であること
・VWCが42%以上であること
・砂利などが入っておらず均一である
できること :
•LEDの点火
•Bluetooth通信
•低消費電力センサ
微生物の活動に変化を与える 6つのパラメータ
補足
0507
Oxygen Temperature Nutrients
Other microbes Force Moisture
・SMFCを用いて、 土壌をセンサ素材に転換
・静電容量センサや力センサに類似したセンシング機能を提供
・柔軟な素材を用いた モジュール型コンテナの設計
・各種物理入力（押す、曲げる、捻る）に対する
・リアルタイムの応答性を測定
・接触面積の増加
・圧力でカソードが土壌に沈み込み
接触面積が増加
・酸素やプロトンの移動効率が改善
・電圧が増加
・性能特性の検証
・電極サイズと電圧値の関係
・異なるVWCでの電圧値の比較
・動作モードの検証
・押す・曲げる・捻るの電圧
変化測定
カソード面積と土壌の
水分条件が電圧生成に寄与