灵感来源于电鳗的柔性电池:未来或许能为起搏器供电

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。


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。


　　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。

　　新浪科技讯 北京时间2月25日消息，据国外媒体报道，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。

　　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。

　　这些凝胶如果放在一大张基板上，用起来肯定非常麻烦。为解决这一问题，密歇根大学的工程师马克斯?斯坦因（Max Shtein）提出了一个巧妙的方案――折纸。利用类似于太阳能电池板折叠放入卫星的特殊折叠方法，他设计出了能使凝胶以正确顺序、正确颜色接触的折叠平板，使研究团队能在小得多的空间中制造出相同的电能。电池所占的空间非常小，只有隐形眼镜那么大，或许有一天能实现可穿戴的应用。

　　目前这种电池还需要主动充电。一旦激活，它们可以提供几个小时的电能，直到不同凝胶之间的离子水平达到平衡。此时就需要再次充电，用电流使凝胶回到高盐和低盐交替排列的状态。不过，施罗德指出，我们的身体能够不断补充含有不同离子浓度的体液蓄存，有朝一日或许能利用这些蓄存来开发电池。

　　从本质上说，这会使人类的身体变得更接近电鳗。尽管把其他人电倒的可能性很低，但利用我们体内的离子梯度，或许可以为一些小体积的医学植入物供电。当然，要实现这样的目标还有很长的路要走。（任天）


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