可望植入人體的新軟式電池,靈感竟來自電鰻!

ED Yong 日前發表了一篇名為 A New Kind of Soft Battery, Inspired by the Electric Eel 的文章,介紹了現在剛研發出來,一種模仿電鰻發電機制的軟體電池,讓人不禁感慨自然界的神奇。
評論
Photo credit: 《An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels》
評論

原文刊登於 The Atlantic36Kr 編譯,INSIDE 獲授權轉載。

這種電池柔軟可彎曲的特性可望用於人體植入物,如心律調節器、修復醫材等,甚至用於未來的穿戴產品如電子隱形眼鏡等。不過這種電池目前還是每過幾小時就要充電,要應用在人體中至少得先想辦法解決充電問題,比如利用人體內離子來充電的機制。

ED Yong 日前發表了一篇名為 A New Kind of Soft Battery, Inspired by the Electric Eel 的文章,介紹了現在剛研發出來,一種模仿電鰻發電機制的軟體電池,讓人不禁感慨自然界的神奇。

1799 年,義大利科學家 Alessandro Volta(伏特)用鋅和銅做了一個手臂長度的電池堆,鋅和銅是用鹽浸的紙殼分開的。這個「電流堆」是世界上第一個合成電池,但是 Volta 的設計基礎卻很古老——電鰻的身體。

電鰻可以透過發電器官來自我發電,發電器官佔了其兩米長身體的 80%。發電器官含有數千個特殊的肌肉細胞,名為發電細胞。每個細胞可以產生一個小小的電壓,但是合在一起,這些細胞可以產生 600 伏特左右的電壓,足以電死一個人,甚至一匹馬(編按:經查證網友留言補充,實際會不會電死人還是取決於通過人體電流)。這些細胞也使 Volta 在電池研發上有了更多想法,也讓他享譽盛名。 

兩個世紀之後的今天,電池已經成為了不可或缺的日用品。但即使是現在,電鰻還在為科學家提供靈感。在佛立堡大學,由 Michael Mayer 帶領的研究隊伍 創造了一種新的能量來源,模仿的就是電鰻的發電器官。其含有多種顏色的凝膠塊,呈長條排列,很像電鰻的發電細胞。想啟動電池,只需要一起按壓這些凝膠。

與傳統電池不同,這個團隊設計的電池又軟又靈活,可能會為下一代的軟體機器人供能。因為材料更貼合人體,電池也可能用於製造下一代的心律調節器、修復材料和醫學植入物。想像一下,以後可通電隱形眼鏡的靈感可能就來自一條魚。

為了研發這種不同尋常的電池,團隊成員 Tom Schroeder 和 Anirvan Guha 在開始時閱讀了大量關於電鰻發電細胞如何運作的資料。這些細胞以長條狀堆疊,細胞之間充滿液體。就好像把抹了蜂蜜的薄餅一層一層堆起來,堆到很高,然後把它放倒,就和這個電池很像了。

電鰻休息的時候,每個發電細胞都會把陽離子從背面和正面發射出去,產生兩個相反的電壓,互相抵消。但電鰻需要電的時候,發電細胞的背面就會翻過來,向相反的方向放出陽離子,就會產生一點電壓。關鍵的是,每個發電細胞都會同時完成這個操作,所以加起來的電壓是十分高的。就好像電鰻的尾巴里有幾千個小電池,其中有一半的方向是反的,但是它們可以同時翻轉,產生電壓。「這簡直太神奇了,」Schroeder 說。

Photo credit: 《An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels》
Photo credit:《An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels》

他和同事本來想在實驗室裡重塑整個發電器官,但是很快就意識到那太複雜了。之後,他們想到可以製造大量的細胞膜來模仿發電細胞堆,但是這些材料無法大量操作,因為如果一個破了,整個系統就會停擺。Schroeder 說:「這樣會遇到『串聯小燈泡』的問題,一個燈泡壞了,一串燈泡都不亮了。」

最後,他和 Guha 選了更簡單的一種配置方式,在兩片板材上排列放置凝膠塊。如下圖中的底板,紅色凝膠含有鹽水,藍色的含有淡水,離子可以從紅色流到藍色,但是由於凝膠是分散的,所以離子並不能流動。當另一塊板材上的綠色和黃色凝膠橋連上紅藍凝膠之間的縫隙時,離子就有了移動的通道。

厲害的地方來了:綠色凝膠塊只允許陽離子通過,黃色的只允許陰離子通過。也就是說陽離子只能從一邊流入藍色凝膠,陰離子則從另一邊流入,藍色凝膠周圍就會產生電壓,就像發電細胞一樣,而且每個凝膠塊會產生一個小電壓,但是數以千計的凝膠塊成行排列,最高可產生 110 伏特的電壓。

在電鰻神經元發出信號後,電鰻的發電細胞就會開始放電。但是 Schroeder 的電池開關就簡單很多了,只要把凝膠積壓在一起就可以。

承載凝膠的板材太大會很不方便。但是密西根大學的工程師 Max Shtein 提出了一個聰明的解決辦法——摺紙。用把太陽能板放進衛星的折疊方式來折疊凝膠板,然後把每個顏色的順序排好,這樣整個電池所佔的空間就會小很多,大小只有隱形眼鏡那麼大,說不定哪天真的可以佩戴到身上。

但對現在來說,這種電池必須要具備充電功能。電池一旦啟動,可以供電幾小時,之後整個凝膠中的離子會趨於平衡,電池也就沒電了。之後你需要把電池通上電,讓凝膠回到高鹽度和低鹽度排列的狀態。但 Schroeder 指出我們的身體會持續地補充離子含量不同的液體,或許有朝一日我們可以利用這些液體來製造電池。

重要的是,這會讓人體變得像電鰻一樣。我們不太可能會電死其他人,但是我們可以利用體內的離子原料為小型植入物供能。當然,Schroeder 說這只是一個初步的設想,並沒有實際的計劃。他說:「很多東西常因為種種原因無法實現,所以我也不想抱有太大的期望。」

范登堡大學的 Ken Catania 花了很多年來研究電鰻的生物學原理,他認為這個設想也不是不合理。「Volta 的電池可以不只是裝在手機裡,你看現在,我們都已經離不開電池了,」他說。「這可能再造歷史。」

他補充道:「我很驚訝電鰻能為科學界帶來這麼多貢獻,這對科學基礎價值觀來說,是一個很好的範例。」Schroeder 只在動物園裡見過電鰻,但他想有一天去親自看看電鰻。「我從來沒被電鰻電過,但我覺得我應該被電一下試試,」他說。

論文原文刊登於 Nature

延伸閱讀:


以前瞻眼光展開電動化車款轉型,Lexus HEV 油電複合車獨步全球

早從2005年便投入電動化轉型研發的Lexus, 在15年前就推出全球首款豪華油電複合車(HEV, Hybrid Electric Vehicle),透過兼顧油耗環保與優異性能等多重優勢,成為消費者踏入電動化領域最佳首選。
評論
Photo Credit:Lexus
評論

時間回到 2005 年,Lexus 獨步全球豪華車廠,率先推出首款 HEV 油電複合車 RX 400h,不僅成為電動化豪華先驅,經過多年的發展,更奠定在此領域不可撼動的領導地位。在純電車款尚未普及前,Lexus 便已佈局油電複合動力產品線,提供消費者務實且環保的豐富選擇。從這一點就能看出 Lexus 的精準眼光,而在油電複合動力領域耕耘多年的 Lexus,至 2020 年為止已累計減少全球約 1900 萬噸的二氧化碳,成為其他品牌的比較標竿。

以深厚技術為基礎 破除 HEV 為轉性過渡產品迷思

10 幾年下來,Lexus 在油電複合動力領域累積深厚實力,並不斷突破,陸續推出首款後驅油電複合車(HEV, Hybrid Electric Vehicle)-GS450h、首款 V8 引擎 HEV-LS 600h ,現在更打造出業界最為先進的第 4 代 Hybrid 系統。Lexus 針對不同的動力及操駕需求,推出多元的電動化車款。證明了油電複合車 HEV 並非純油轉純電的過渡性產品,而是能夠滿足消費者需求的務實之選。

其關鍵就在於「均衡性」,油電複合動力系統除了可以寧靜行駛,動力輸出同樣飽滿卻較為平穩順暢,因此駕駛無須重新適應過去多年來習慣的動力特性,無痛轉換加上養護方便,又兼顧高油耗經濟性的優勢,Lexus 旗下 HEV 油電複合車款可說是面面俱到。

而目前最先進第 4 代油電技術,最具代表性的產品就屬 LS 與 LC 車系的 500h 車型,採用 3.5 升 V6 引擎為基礎,並首度換上鋰電池,因此綜效馬力輸出比過去更好,且作動效率更佳。另外最關鍵為具備 Multi Stage Hybrid 科技,除了原本 ECVT 變速系統之外,後軸再增加一具 4 速變速箱,提供更強勁的加速感受,並能在高檔位駕駛時有效降低引擎轉速,進一步達到節能目的。

全球屢創佳績 深受台灣市場肯定

Lexus HEV 油電複合車自從推出以來,就一直受到消費者高度支持,不僅在全球市場交出好成績,在台灣同樣也引領著豪華油電市場發展。Lexus 品牌於全球約 90 個國家銷售,截至 2021 年 4 月底為止,電動化車款累積超過 200 萬輛販賣,占比品牌整體銷售量高達 33%,累計減少二氧化碳排放超過 1,900 萬噸,換算約等同 30 萬輛新車的碳排量,可說成果卓著!

而台灣市場方面,1999 年 Lexus 引進 RX 車系,一上市旋即獲得消費者熱愛,打下在豪華 SUV 市場的重要地位,並創下驚人的銷售記錄,2006 年導入油電複合動力車款- RX 400h 以來,便以獨跑之姿持續領導豪華油電市場走向,目前 Lexus 在台灣市場已經達成全車系都有油電複合動力 HEV 動力選擇,遙遙領先其他對手。

堅強產品陣容佈局 顛覆傳統豪華定義

作為第一款在台灣推出油電複合動力車型的產品,RX 的油電複合動力車型受到許多關注,小改款時,除了調整車款外觀特色帶來更為精緻與豪華的風範,內裝配備亦有所提升,觸控式中控螢幕和搭配 remote touch 操作介面,操作體驗直覺便利。另外還新增 6 人座設定,第二排座椅採用 Premium Captain Seat,乘客可在 2、3 排座椅間穿梭,同時大幅提升車室使用便利性。

RX 450h 全面創新 豪華新視野。/Photo Credit:Lexus

RX 450h 亦在先進安全科技上搭載豐富配備,全車系標配全速域 DRCC 雷達感應式車距維持定速系統,支援跟車到停與重新起步,加上 LTA 車道循跡輔助系統、ICS 智慧停車輔助系統,以及 RCTB 後方車流煞車輔助系統等駕駛輔助功能,確保減少長途行車疲勞,並降低因疏忽而產生的事故意外。搭配增加焊點與膠合部位,提升車身剛性,讓駕駛同時擁有安全性和駕馭樂趣。

另外同樣也屬於 Lexus 核心 SUV 產品的 UX,乃是品牌最年輕的成員,採用 GA-C 平台打造,擁有高剛性、低重心、充滿駕馭樂趣的特性。其中 UX 250h 搭載最新第 4 代 Hybrid 系統,擁用更佳的作動效率,以及高達 41% 的熱效率,使得 UX 250h 得以兼顧優異動力輸出、絕佳油耗表現。

UX 250h 油電複合動力車型搭載最新第 4 代 Hybrid 系統,非常吸引年輕人的目光。/Photo Credit:Lexus

Lexus 持續進化的腳步絕不停歇,即便在 HEV 領域獲得了卓著成就,但仍不斷探索各種未來可能與更多元的電動動力組合,Lexus 將持續部署 Lexus Electrified,像是電動車(BEV, Battery Electric Vehicle) UX 300e 不久的將來將於台灣上市,敬請期待。

想要瞭解更多關於 Lexus Electrified 的詳細消息?您可至 Lexus 官方網站獲得詳細資訊。更不能錯過後續即將推出 Lexus Electrifired 概念的動畫報導文章,所有想知道的大小事情,通通一次滿足!