靈感來源於電鰻的柔性電池:未來或許能為起搏器供電
2018年02月25日08:15
曾經給予伏打設計電池靈感的電鰻,在兩百年之後又啟發了這種新電池的誕生。
曾經給予伏打設計電池靈感的電鰻,在兩百年之後又啟發了這種新電池的誕生。
電鰻的所有放電體可以同時翻轉,它們的微小電壓加起來就能產生強大的電能。
電鰻的所有放電體可以同時翻轉,它們的微小電壓加起來就能產生強大的電能。
紅色凝膠含有鹽水,而藍色凝膠含有淡水。離子原本會從紅色凝膠流向藍色凝膠,但由於基板的間隔,無法出現這樣的流動。與此同時,與這塊基板對應的另一塊基板上佈置了綠色和黃色凝膠,當它們橋接在藍色和紅色凝膠之間的空隙時,就能為離子運動提供通道。
紅色凝膠含有鹽水,而藍色凝膠含有淡水。離子原本會從紅色凝膠流向藍色凝膠,但由於基板的間隔,無法出現這樣的流動。與此同時,與這塊基板對應的另一塊基板上佈置了綠色和黃色凝膠,當它們橋接在藍色和紅色凝膠之間的空隙時,就能為離子運動提供通道。

  新浪科技訊 北京時間2月25日消息,據國外媒體報導,1799年,意大利物理學家亞曆山德羅・伏打(Alessandro Volta)著迷於用鋅和銅疊成手臂長的“伏打堆”,二者之間用滷水隔開。這種“伏打堆”是世界上第一種電化學電池,但伏打的設計基礎來源於更為古老的東西――電鰻的身體。

  電鰻是一種淡水魚類,能通過特化的肌肉組織放電。它們的體長可達兩米,而放電器官的長度就可達體長的80%。在放電器官中有數以千計的特化肌肉細胞,稱為“放電體”(electrocyte)。每個放電體只能產生很小的電壓,但數千個放電體合在一起,就能產生高達600伏的電壓,足以擊倒一個人,甚至一匹馬。電鰻的放電機製為伏打提供了發明電池的靈感,使他稱為一位19世紀的名人。

  兩個世紀之後,電池已經成為我們的日常用品。但即使現在,電鰻依然在為科學家提供靈感。在瑞士弗里堡大學,由邁克爾・邁耶(Michael Mayer )領導的研究團隊就發明了一種模仿電鰻放電器官的新型柔性電池。這種電池由一些不同顏色的凝膠塊組成,像電鰻的放電體一樣以長條排列。如果想啟動電池,你只需要把這些凝膠塊疊在一起。

  與傳統電池不同,這款新型電池十分柔軟、靈活,或許能用在下一代軟體機器人身上。而且,由於電池所用的材料可以和我們的身體相容,因此具有促進開發下一代起搏器、假肢和醫用植入物的潛力。想像一下能發電的隱形眼鏡,或者能依靠我們體內液體和鹽分運行的起搏器,所有這些產品的靈感或許都將來自電鰻。

  為了研製這種與眾不同的電池,研究團隊成員湯姆・施羅德(Tom Schroeder)和安妮・古哈(Anirvan Guha)開始深入瞭解電鰻放電體的工作原理。這些細胞以長條形堆疊,互相之間存在充滿液體的間隔――就像塗抹了蜂蜜或糖漿的薄餅疊起來。當電鰻休息時,每個放電體會從正面和背面泵出正離子,產生兩股能互相抵消的相反電壓。但是,在需要的時候,放電體的背面會翻轉過來,開始向相反方向泵出正離子,形成貫穿整個細胞的微小電壓。關鍵在於,所有放電體可以同時翻轉,它們的微小電壓加起來就能產生強大的電能。這就好像電鰻的尾巴上有著數千個這樣的電池,其中一半指向“錯誤”的方向,但電鰻可以隨時把它們調整到“正確”的方向,使它們對齊並放電。這樣的特化程度簡直不可思議。

  施羅德和同事們一開始想在實驗室里仿造出整個放電器官,但他們很快意識到這麼做太複雜了。之後,他們又考慮把許多膜疊起來,模仿放電體的堆疊形式――但精細的膜材料很難以數以千計的量級進行操作。如果一張膜破裂,整個電池就會失效。

  最終,研究人員選擇了更為簡單的方案,採用凝膠塊填充在兩塊獨立基板之間。紅色凝膠含有鹽水,而藍色凝膠含有淡水。離子原本會從紅色凝膠流向藍色凝膠,但由於基板的間隔,無法出現這樣的流動。與此同時,與這塊基板對應的另一塊基板上佈置了綠色和黃色凝膠,當它們橋接在藍色和紅色凝膠之間的空隙時,就能為離子運動提供通道。

  這一設計的機智之處在於:綠色凝膠塊只允許正離子通過,而黃色凝膠塊只允許負離子通過。這意味著正離子只能從一側流入藍色凝膠,負離子則只能從另一側流入。這就在藍色凝膠上產生了一個電壓,就像放電體一樣。而且,正如放電體“合作”放電一樣,每個凝膠塊只能產生微小的電壓,但數千個凝膠塊排成一排時,就能產生高達110伏的電壓。

  電鰻的放電體只有在收到來自神經系統的信號之後才會放電,但在施羅德等人的設計中,凝膠放電的觸發要簡單得多――你只需要把兩組凝膠壓到一起。

  這些凝膠如果放在一大張基板上,用起來肯定非常麻煩。為解決這一問題,密歇根大學的工程師馬克斯・斯坦因(Max Shtein)提出了一個巧妙的方案――摺紙。利用類似於太陽能電池板摺疊放入衛星的特殊摺疊方法,他設計出了能使凝膠以正確順序、正確顏色接觸的摺疊平板,使研究團隊能在小得多的空間中製造出相同的電能。電池所占的空間非常小,只有隱形眼鏡那麼大,或許有一天能實現可穿戴的應用。

  目前這種電池還需要主動充電。一旦激活,它們可以提供幾個小時的電能,直到不同凝膠之間的離子水平達到平衡。此時就需要再次充電,用電流使凝膠回到高鹽和低鹽交替排列的狀態。不過,施羅德指出,我們的身體能夠不斷補充含有不同離子濃度的體液蓄存,有朝一日或許能利用這些蓄存來開發電池。

  從本質上說,這會使人類的身體變得更接近電鰻。儘管把其他人電倒的可能性很低,但利用我們體內的離子梯度,或許可以為一些小體積的醫學植入物供電。當然,要實現這樣的目標還有很長的路要走。(任天)

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