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灵感来源于电鳗的柔性电池:未来或许能为起搏器供电

生物技术 时间:2020-01-14 02:55:12 作者:莫敖坤
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1799年,意大利物理学家亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta)着迷于用锌和铜叠成手臂长的“伏打堆”,二者之间用卤水隔开。这种“伏打堆”是世界上第一种电化学电池,但伏打的设计基础来源于更为古老的东西——电鳗的身体。

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曾经给予伏打设计电池灵感的电鳗,在两百年之后又启发了这种新电池的诞生。

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电鳗的所有放电体可以同时翻转,它们的微小电压加起来就能产生强大的电能。

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红色凝胶含有盐水,而蓝色凝胶含有淡水。离子原本会从红色凝胶流向蓝色凝胶,但由于基板的间隔,无法出现这样的流动。与此同时,与这块基板对应的另一块基板上布置了绿色和黄色凝胶,当它们桥接在蓝色和红色凝胶之间的空隙时,就能为离子运动提供通道。

电鳗是一种淡水鱼类,能通过特化的肌肉组织放电。它们的体长可达两米,而放电器官的长度就可达体长的80%。在放电器官中有数以千计的特化肌肉细胞,称为“放电体”(electrocyte)。每个放电体只能产生很小的电压,但数千个放电体合在一起,就能产生高达600伏的电压,足以击倒一个人,甚至一匹马。电鳗的放电机制为伏打提供了发明电池的灵感,使他称为一位19世纪的名人。

两个世纪之后,电池已经成为我们的日常用品。但即使现在,电鳗依然在为科学家提供灵感。在瑞士弗里堡大学,由迈克尔·迈耶(Michael Mayer )领导的研究团队就发明了一种模仿电鳗放电器官的新型柔性电池。这种电池由一些不同颜色的凝胶块组成,像电鳗的放电体一样以长条排列。如果想启动电池,你只需要把这些凝胶块叠在一起。

与传统电池不同,这款新型电池十分柔软、灵活,或许能用在下一代软体机器人身上。而且,由于电池所用的材料可以和我们的身体相容,因此具有促进开发下一代起搏器、假肢和医用植入物的潜力。想象一下能发电的隐形眼镜,或者能依靠我们体内液体和盐分运行的起搏器,所有这些产品的灵感或许都将来自电鳗。

为了研制这种与众不同的电池,研究团队成员汤姆·施罗德(Tom Schroeder)和安妮·古哈(Anirvan Guha)开始深入了解电鳗放电体的工作原理。这些细胞以长条形堆叠,互相之间存在充满液体的间隔——就像涂抹了蜂蜜或糖浆的薄饼叠起来。当电鳗休息时,每个放电体会从正面和背面泵出正离子,产生两股能互相抵消的相反电压。但是,在需要的时候,放电体的背面会翻转过来,开始向相反方向泵出正离子,形成贯穿整个细胞的微小电压。关键在于,所有放电体可以同时翻转,它们的微小电压加起来就能产生强大的电能。这就好像电鳗的尾巴上有着数千个这样的电池,其中一半指向“错误”的方向,但电鳗可以随时把它们调整到“正确”的方向,使它们对齐并放电。这样的特化程度简直不可思议。

施罗德和同事们一开始想在实验室里仿造出整个放电器官,但他们很快意识到这么做太复杂了。之后,他们又考虑把许多膜叠起来,模仿放电体的堆叠形式——但精细的膜材料很难以数以千计的量级进行操作。如果一张膜破裂,整个电池就会失效。

最终,研究人员选择了更为简单的方案,采用凝胶块填充在两块独立基板之间。红色凝胶含有盐水,而蓝色凝胶含有淡水。离子原本会从红色凝胶流向蓝色凝胶,但由于基板的间隔,无法出现这样的流动。与此同时,与这块基板对应的另一块基板上布置了绿色和黄色凝胶,当它们桥接在蓝色和红色凝胶之间的空隙时,就能为离子运动提供通道。

这一设计的机智之处在于:绿色凝胶块只允许正离子通过,而黄色凝胶块只允许负离子通过。这意味着正离子只能从一侧流入蓝色凝胶,负离子则只能从另一侧流入。这就在蓝色凝胶上产生了一个电压,就像放电体一样。而且,正如放电体“合作”放电一样,每个凝胶块只能产生微小的电压,但数千个凝胶块排成一排时,就能产生高达110伏的电压。

电鳗的放电体只有在收到来自神经系统的信号之后才会放电,但在施罗德等人的设计中,凝胶放电的触发要简单得多——你只需要把两组凝胶压到一起。

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