凝膠放電靈感來源于電鰻的柔性電池

曾經(jīng)給予伏打設(shè)計(jì)電池靈感的電鰻，在兩百年之后又啟發(fā)了這種新電池的誕生。

電鰻的所有放電體可以同時(shí)翻轉(zhuǎn)，它們的微小電壓加起來就能產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。電鰻的所有放電體可以同時(shí)翻轉(zhuǎn)，它們的微小電壓加起來就能產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。

紅色凝膠含有鹽水，而藍(lán)色凝膠含有淡水。離子原本會(huì)從紅色凝膠流向藍(lán)色凝膠，但由于基板的間隔，無法出現(xiàn)這樣的流動(dòng)。與此同時(shí)，與這塊基板對(duì)應(yīng)的另一塊基板上布置了綠色和黃色凝膠，當(dāng)它們橋接在藍(lán)色和紅色凝膠之間的空隙時(shí)，就能為離子運(yùn)動(dòng)提供通道。

1799年，意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）著迷于用鋅和銅疊成手臂長(zhǎng)的“伏打堆”，二者之間用鹵水隔開。這種“伏打堆”是世界上第一種電化學(xué)電池，但伏打的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)來源于更為古老的東西——電鰻的身體。

電鰻是一種淡水魚類，能通過特化的肌肉組織放電。它們的體長(zhǎng)可達(dá)兩米，而放電器官的長(zhǎng)度就可達(dá)體長(zhǎng)的80%。在放電器官中有數(shù)以千計(jì)的特化肌肉細(xì)胞，稱為“放電體”（electrocyte）。每個(gè)放電體只能產(chǎn)生很小的電壓，但數(shù)千個(gè)放電體合在一起，就能產(chǎn)生高達(dá)600伏的電壓，足以擊倒一個(gè)人，甚至一匹馬。電鰻的放電機(jī)制為伏打提供了發(fā)明電池的靈感，使他稱為一位19世紀(jì)的名人。

兩個(gè)世紀(jì)之后，電池已經(jīng)成為我們的日常用品。但即使現(xiàn)在，電鰻依然在為科學(xué)家提供靈感。在瑞士弗里堡大學(xué)，由邁克爾·邁耶（Michael Mayer ）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)就發(fā)明了一種模仿電鰻放電器官的新型柔性電池。這種電池由一些不同顏色的凝膠塊組成，像電鰻的放電體一樣以長(zhǎng)條排列。如果想啟動(dòng)電池，你只需要把這些凝膠塊疊在一起。

與傳統(tǒng)電池不同，這款新型電池十分柔軟、靈活，或許能用在下一代軟體機(jī)器人身上。而且，由于電池所用的材料可以和我們的身體相容，因此具有促進(jìn)開發(fā)下一代起搏器、假肢和醫(yī)用植入物的潛力。想象一下能發(fā)電的隱形眼鏡，或者能依靠我們體內(nèi)液體和鹽分運(yùn)行的起搏器，所有這些產(chǎn)品的靈感或許都將來自電鰻。

為了研制這種與眾不同的電池，研究團(tuán)隊(duì)成員湯姆·施羅德（Tom Schroeder）和安妮·古哈（Anirvan Guha）開始深入了解電鰻放電體的工作原理。這些細(xì)胞以長(zhǎng)條形堆疊，互相之間存在充滿液體的間隔——就像涂抹了蜂蜜或糖漿的薄餅疊起來。當(dāng)電鰻休息時(shí)，每個(gè)放電體會(huì)從正面和背面泵出正離子，產(chǎn)生兩股能互相抵消的相反電壓。但是，在需要的時(shí)候，放電體的背面會(huì)翻轉(zhuǎn)過來，開始向相反方向泵出正離子，形成貫穿整個(gè)細(xì)胞的微小電壓。關(guān)鍵在于，所有放電體可以同時(shí)翻轉(zhuǎn)，它們的微小電壓加起來就能產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。這就好像電鰻的尾巴上有著數(shù)千個(gè)這樣的電池，其中一半指向“錯(cuò)誤”的方向，但電鰻可以隨時(shí)把它們調(diào)整到“正確”的方向，使它們對(duì)齊并放電。這樣的特化程度簡(jiǎn)直不可思議。

施羅德和同事們一開始想在實(shí)驗(yàn)室里仿造出整個(gè)放電器官，但他們很快意識(shí)到這么做太復(fù)雜了。之后，他們又考慮把許多膜疊起來，模仿放電體的堆疊形式——但精細(xì)的膜材料很難以數(shù)以千計(jì)的量級(jí)進(jìn)行操作。如果一張膜破裂，整個(gè)電池就會(huì)失效。

最終，研究人員選擇了更為簡(jiǎn)單的方案，采用凝膠塊填充在兩塊獨(dú)立基板之間。紅色凝膠含有鹽水，而藍(lán)色凝膠含有淡水。離子原本會(huì)從紅色凝膠流向藍(lán)色凝膠，但由于基板的間隔，無法出現(xiàn)這樣的流動(dòng)。與此同時(shí)，與這塊基板對(duì)應(yīng)的另一塊基板上布置了綠色和黃色凝膠，當(dāng)它們橋接在藍(lán)色和紅色凝膠之間的空隙時(shí)，就能為離子運(yùn)動(dòng)提供通道。

這一設(shè)計(jì)的機(jī)智之處在于：綠色凝膠塊只允許正離子通過，而黃色凝膠塊只允許負(fù)離子通過。這意味著正離子只能從一側(cè)流入藍(lán)色凝膠，負(fù)離子則只能從另一側(cè)流入。這就在藍(lán)色凝膠上產(chǎn)生了一個(gè)電壓，就像放電體一樣。而且，正如放電體“合作”放電一樣，每個(gè)凝膠塊只能產(chǎn)生微小的電壓，但數(shù)千個(gè)凝膠塊排成一排時(shí)，就能產(chǎn)生高達(dá)110伏的電壓。

電鰻的放電體只有在收到來自神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)之后才會(huì)放電，但在施羅德等人的設(shè)計(jì)中，凝膠放電的觸發(fā)要簡(jiǎn)單得多——你只需要把兩組凝膠壓到一起。

這些凝膠如果放在一大張基板上，用起來肯定非常麻煩。為解決這一問題，密歇根大學(xué)的工程師馬克斯·斯坦因（Max Shtein）提出了一個(gè)巧妙的方案——折紙。利用類似于太陽(yáng)能電池板折疊放入衛(wèi)星的特殊折疊方法，他設(shè)計(jì)出了能使凝膠以正確順序、正確顏色接觸的折疊平板，使研究團(tuán)隊(duì)能在小得多的空間中制造出相同的電能。電池所占的空間非常小，只有隱形眼鏡那么大，或許有一天能實(shí)現(xiàn)可穿戴的應(yīng)用。

目前這種電池還需要主動(dòng)充電。一旦激活，它們可以提供幾個(gè)小時(shí)的電能，直到不同凝膠之間的離子水平達(dá)到平衡。此時(shí)就需要再次充電，用電流使凝膠回到高鹽和低鹽交替排列的狀態(tài)。不過，施羅德指出，我們的身體能夠不斷補(bǔ)充含有不同離子濃度的體液蓄存，有朝一日或許能利用這些蓄存來開發(fā)電池。

從本質(zhì)上說，這會(huì)使人類的身體變得更接近電鰻。盡管把其他人電倒的可能性很低，但利用我們體內(nèi)的離子梯度，或許可以為一些小體積的醫(yī)學(xué)植入物供電。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。