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可望植入人体的新软式电池,灵感竟来自电鳗!

可望植入人体的新软式电池,灵感竟来自电鳗!

这种电池柔软可弯曲的特性可望用于人体植入物,如心律调节器、修复医材等,甚至用于未来的穿戴产品如电子隐形眼镜等。不过这种电池目前还是每过几小时就要充电,要应用在人体中至少得先想办法解决充电问题,比如利用人体内离子来充电的机制。

ED Yong 日前发表了一篇名为 A New Kind of Soft Battery, Inspired by the Electric Eel 的文章,介绍了现在刚研发出来,一种模仿电鳗发电机制的软体电池,让人不禁感慨自然界的神奇。

1799 年,义大利科学家 Alessandro Volta用锌和铜做了一个手臂长度的电池堆,锌和铜是用盐浸的纸壳分开的。这个「电流堆」是世界上第一个合成电池,但是 Volta 的设计基础却很古老——电鳗的身体。

电鳗可以透过发电器官来自我发电,发电器官佔了其两米长身体的 80%。发电器官含有数千个特殊的肌肉细胞,名为发电细胞。每个细胞可以产生一个小小的电压,但是合在一起,这些细胞可以产生 600 伏特左右的电压,足以电死一个人,甚至一匹马。这些细胞也使 Volta 在电池研发上有了更多想法,也让他享誉盛名。 

两个世纪之后的今天,电池已经成为了不可或缺的日用品。但即使是现在,电鳗还在为科学家提供灵感。在佛立堡大学,由 Michael Mayer 带领的研究队伍 创造了一种新的能量来源,模仿的就是电鳗的发电器官。其含有多种颜色的凝胶块,呈长条排列,很像电鳗的发电细胞。想启动电池,只需要一起按压这些凝胶。

与传统电池不同,这个团队设计的电池又软又灵活,可能会为下一代的软体机器人供能。因为材料更贴合人体,电池也可能用于製造下一代的心律调节器、修复材料和医学植入物。想像一下,以后可通电隐形眼镜的灵感可能就来自一条鱼。

为了研发这种不同寻常的电池,团队成员 Tom Schroeder 和 Anirvan Guha 在开始时阅读了大量关于电鳗发电细胞如何运作的资料。这些细胞以长条状堆叠,细胞之间充满液体。就好像把抹了蜂蜜的薄饼一层一层堆起来,堆到很高,然后把它放倒,就和这个电池很像了。

电鳗休息的时候,每个发电细胞都会把阳离子从背面和正面发射出去,产生两个相反的电压,互相抵消。但电鳗需要电的时候,发电细胞的背面就会翻过来,向相反的方向放出阳离子,就会产生一点电压。关键的是,每个发电细胞都会同时完成这个操作,所以加起来的电压是十分高的。就好像电鳗的尾巴里有几千个小电池,其中有一半的方向是反的,但是它们可以同时翻转,产生电压。「这简直太神奇了,」Schroeder 说。

可望植入人体的新软式电池,灵感竟来自电鳗!

他和同事本来想在实验室里重塑整个发电器官,但是很快就意识到那太複杂了。之后,他们想到可以製造大量的细胞膜来模仿发电细胞堆,但是这些材料无法大量操作,因为如果一个破了,整个系统就会停摆。Schroeder 说:「这样会遇到『串联小灯泡』的问题,一个灯泡坏了,一串灯泡都不亮了。」

最后,他和 Guha 选了更简单的一种配置方式,在两片板材上排列放置凝胶块。如下图中的底板,红色凝胶含有盐水,蓝色的含有淡水,离子可以从红色流到蓝色,但是由于凝胶是分散的,所以离子并不能流动。当另一块板材上的绿色和黄色凝胶桥连上红蓝凝胶之间的缝隙时,离子就有了移动的通道。

厉害的地方来了:绿色凝胶块只允许阳离子通过,黄色的只允许阴离子通过。也就是说阳离子只能从一边流入蓝色凝胶,阴离子则从另一边流入,蓝色凝胶周围就会产生电压,就像发电细胞一样,而且每个凝胶块会产生一个小电压,但是数以千计的凝胶块成行排列,最高可产生 110 伏特的电压。

在电鳗神经元发出信号后,电鳗的发电细胞就会开始放电。但是 Schroeder 的电池开关就简单很多了,只要把凝胶积压在一起就可以。

承载凝胶的板材太大会很不方便。但是密西根大学的工程师 Max Shtein 提出了一个聪明的解决办法——摺纸。用把太阳能板放进卫星的折叠方式来折叠凝胶板,然后把每个颜色的顺序排好,这样整个电池所佔的空间就会小很多,大小只有隐形眼镜那幺大,说不定哪天真的可以佩戴到身上。

但对现在来说,这种电池必须要具备充电功能。电池一旦启动,可以供电几小时,之后整个凝胶中的离子会趋于平衡,电池也就没电了。之后你需要把电池通上电,让凝胶回到高盐度和低盐度排列的状态。但 Schroeder 指出我们的身体会持续地补充离子含量不同的液体,或许有朝一日我们可以利用这些液体来製造电池。

重要的是,这会让人体变得像电鳗一样。我们不太可能会电死其他人,但是我们可以利用体内的离子原料为小型植入物供能。当然,Schroeder 说这只是一个初步的设想,并没有实际的计划。他说:「很多东西常因为种种原因无法实现,所以我也不想抱有太大的期望。」

范登堡大学的 Ken Catania 花了很多年来研究电鳗的生物学原理,他认为这个设想也不是不合理。「Volta 的电池可以不只是装在手机里,你看现在,我们都已经离不开电池了,」他说。「这可能再造历史。」

他补充道:「我很惊讶电鳗能为科学界带来这幺多贡献,这对科学基础价值观来说,是一个很好的範例。」Schroeder 只在动物园里见过电鳗,但他想有一天去亲自看看电鳗。「我从来没被电鳗电过,但我觉得我应该被电一下试试,」他说。

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