植入這種新電池 人類就可以像電鰻那樣發(fā)電了嗎？ —— 文章正文2018-01-15
《大西洋月刊》近日發(fā)表文章，稱意大利科學(xué)家亞歷山德羅?沃爾特（Alessandro Volta）在1799年制作了世界上第一個合成電池，他的靈感就來自于電鰻。而現(xiàn)在，科學(xué)家又借鑒電鰻的生物特性，開發(fā)了一種軟電池，或許可以使用在下一代機(jī)器人中，以下為原文內(nèi)容。
成年電鰻有2米長，其中80％的部分屬于“發(fā)電器官”，它由數(shù)千個特殊的肌肉細(xì)胞發(fā)電細(xì)胞組成，每個發(fā)電細(xì)胞只能產(chǎn)生一個很小的電壓，但是合在一起，就可以產(chǎn)生高達(dá)600伏的電壓，足以電倒一個人，甚至是一匹馬。沃爾特從電鰻身上獲得的靈感，讓他成為了19世紀(jì)的名人。
如今電池已經(jīng)是我們生活中的日常用品，但科學(xué)家仍然可以從電鰻的身上獲得靈感。弗里堡大學(xué)（University of Fribourg）的一個研究小組巧妙地模仿了鰻魚的發(fā)電器官，開發(fā)了一種新的電池。它由五顏六色的凝膠塊組成，像電鰻的發(fā)電細(xì)胞那樣排列起來。你只需將凝膠按壓在一起，就可以啟用這種電池了。
這個電池的特點(diǎn)就在于它是軟的，非常柔軟靈活，可能很適合下一代軟體機(jī)器人使用。而且由于它使用的材料不會傷害人體，所以下一代心臟起搏器、假肢和醫(yī)用植入物也可以用得上。如果有一天出現(xiàn)了能發(fā)電的隱形眼鏡，靠人體內(nèi)液體和鹽分運(yùn)行的起搏器，你也不用驚奇。
電鰻發(fā)電的原理
為了開發(fā)這種電池，團(tuán)隊(duì)成員湯姆-施羅德（Tom Schroeder）和安妮?古哈（Anirvan Guha）對電鰻的工作原理進(jìn)行了研究。
這種鰻魚的發(fā)電細(xì)胞是堆積在一個充滿流體的長條空間中的。當(dāng)鰻魚處于休息狀態(tài)時，每個發(fā)電細(xì)胞就從正面和背面泵出正離子。產(chǎn)生了兩個相反的電壓，相互抵消了。但是在需要的時候，每個發(fā)電細(xì)胞的背面就會翻轉(zhuǎn)，從相反的方向泵出正離子，讓整個細(xì)胞產(chǎn)生一個微小的電壓。關(guān)鍵是，每個發(fā)電細(xì)胞都會同時進(jìn)行這個翻轉(zhuǎn)操作，所以這些微小的電壓加總起來就更加強(qiáng)大了。這就好像是鰻魚尾巴上有數(shù)千個小電池一樣。你可以這樣來理解：在鰻魚休息時，一半的小電池“安裝”方向是錯誤的，但是鰻魚可以隨時把它們調(diào)整到正確的方向，將它們對齊。
研究小組最初想在實(shí)驗(yàn)室里仿造一個電鰻發(fā)電器官，但很快就發(fā)現(xiàn)這么做太復(fù)雜了。于是他們又考慮使用大堆薄膜來模仿層疊的發(fā)電細(xì)胞――但是這種嬌氣的材料難以滿足工程需要。如果一張薄膜破裂，這一整堆就不能用了。
新電池的原理
最后，研究小組選擇了一個更簡單的方案。他們在兩張分開的基板上排列了一些凝膠塊。如圖所示，紅色凝膠塊中是鹽水，藍(lán)色凝膠中是淡水。離子本來應(yīng)該從前者流向后者，但卻無法從一個凝膠移動到另一塊。而另一張基板上有綠色和黃色的凝膠塊，當(dāng)它們橋接在藍(lán)色和紅色凝膠塊之間的間隙時，就為離子提供了移動的通道。
關(guān)鍵在于：綠色凝膠塊只允許正離子流過，而黃色凝膠塊只允許負(fù)離子通過。這意味著正離子只從一側(cè)流入藍(lán)色凝膠，而負(fù)離子則只能從另一側(cè)流入。這樣藍(lán)色凝膠上就會產(chǎn)生一個電壓，與發(fā)電細(xì)胞很相似。而且正如在發(fā)電細(xì)胞中一樣，每個凝膠只產(chǎn)生一個微小的電壓，但成千上萬的凝膠排成一排之后，就可以產(chǎn)生高達(dá)110伏的電壓了。
鰻魚的發(fā)電細(xì)胞是在接收到神經(jīng)元的信號后啟動的。而在這種凝膠中，觸發(fā)器要簡單得多――只需要將凝膠按壓到一起就行了。
使用這么多凝膠塊當(dāng)然很麻煩。但密歇根大學(xué)的工程師麥克斯?斯坦恩（Max Shtein）想出了一個巧妙的解決方案。將太陽能電池板裝入衛(wèi)星需要使用一種特殊的折疊方式，斯坦恩借鑒這種方式，設(shè)計(jì)了一種方法，把一板凝膠折疊起來，讓正確顏色的凝膠塊以正確的順序接觸。這樣一來，該團(tuán)隊(duì)就可以在很小的空間內(nèi)產(chǎn)生同樣的電壓了――像隱形眼鏡那樣小的空間也可以。
“人體發(fā)電”尚無路線圖
目前來說，這種電池還需要你給它充電才能使用。充好之后，它們的供電時間可達(dá)幾個小時。然后就需要再次充電，讓它重新回到高鹽分和低鹽分凝膠交替的狀態(tài)。但研究團(tuán)隊(duì)表示，人體內(nèi)本來就有不同離子水平的液體儲存，有朝一日或許能夠利用它們來給這種電池充電。
到了那時候，你就有機(jī)會變成“電鰻俠”了嗎？一伸手就電倒一匹馬，這可能不太好想象，但是我們或許可以使用體內(nèi)的離子梯度來給微小的植入物提供動力。該研究小組成員說，目前這還只是一個奇想，并沒有實(shí)際的路線圖。“很多事情都因?yàn)楦鞣N各樣的原因最后沒有行得通，所以我們也不希望太超前。”
(責(zé)任編輯： 來源： 時間：2018-01-15)
Keywords（關(guān)鍵詞）： 長距離皮帶托輥傳輸機(jī)
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