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受电鳗启发的“软体电池”,为下一代软体机器人供能
梅西 2017-12-20
导语

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,电池也可能用于制造下一代的起搏器、修复物质和医学植入物。

编者按: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的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,意大利科学家Alessandro Volta(伏特)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。

电鳗可以通过发电器官来自我发电,发电器官占到了其两米长身体的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在电池研发中有了更多思路,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。在弗里堡大学,由Michael Mayer带领的科研队伍创造了一种新的动力源,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。想打开电池,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,电池也可能用于制造下一代的起搏器、修复物质和医学植入物。想象一下,以后有电隐形眼镜的灵感竟然来自于一条鱼。

为了研制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,细胞之间被液体填充。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泵出去,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,向相反的方向泵出阳离子,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。

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复杂了。之后,他们想到可以制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选了更简单的一种装配方式,在两片板材上排列放置凝胶块。请看下图中的底板,红色凝胶含有盐水,蓝色的含有淡水,离子可以从红色凝胶流到 蓝色凝胶,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。

承载凝胶的板材过大会很不方便。但是密歇根大学的工程师Max Shtein提出了一个聪明的解决办法——折纸。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,这样整个电池所占的空间就会小 很多,大小只有隐形眼镜那么大,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。电池一旦激活,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制造电池。

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的植入物供能。当然,Schroeder还说这只是一个初步的设想,并没有一个实际的计划。他说:“很多东西因为很多原因无法实现,所以我也不想抱有太大的期望。”

范德堡大学的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的电池不仅仅可以装进手机里,你看现在,我们都已经离不开电池了,”他说。“历史可能会再现。”

他补充道:“我很惊讶电鳗能为科学届带来这么多贡献,这对基本的科学价值观来说,是一个很好的范例。” 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。

(本文来源:36Kr,原文见这里;)

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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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