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

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

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