网易首页 > 网易手机 > 正文

灵感来自电鳗的柔性电池:或能为起搏器供电

0
分享至
从本质上说,这会使人类的身体变得更接近电鳗。尽管把其他人电倒的可能性很低,但利用我们体内的离子梯度,或许可以为一些小体积的医学植入物供电。当然,要实现这样的目标还有很长的路要走。

(原标题:灵感来自电鳗的柔性电池:未来或能为起搏器供电)

据国外媒体报道,1799年,意大利物理学家亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta)着迷于用锌和铜叠成手臂长的“伏打堆”,二者之间用卤水隔开。这种“伏打堆”是世界上第一种电化学电池,但伏打的设计基础来源于更为古老的东西——电鳗的身体。

电鳗是一种淡水鱼类,能通过特化的肌肉组织放电。它们的体长可达两米,而放电器官的长度就可达体长的80%。在放电器官中有数以千计的特化肌肉细胞,称为“放电体”(electrocyte)。每个放电体只能产生很小的电压,但数千个放电体合在一起,就能产生高达600伏的电压,足以击倒一个人,甚至一匹马。电鳗的放电机制为伏打提供了发明电池的灵感,使他成为一位19世纪的名人。

两个世纪之后,电池已经成为我们的日常用品。但即使现在,电鳗依然在为科学家提供灵感。在瑞士弗里堡大学,由迈克尔·迈耶(Michael Mayer)领导的研究团队就发明了一种模仿电鳗放电器官的新型柔性电池。这种电池由一些不同颜色的凝胶块组成,像电鳗的放电体一样以长条排列。如果想启动电池,你只需要把这些凝胶块叠在一起。

▲曾经给予伏打设计电池灵感的电鳗,在两百年之后又启发了这种新电池的诞生。

▲电鳗的所有放电体可以同时翻转,它们的微小电压加起来就能产生强大的电能。

▲红色凝胶含有盐水,而蓝色凝胶含有淡水。离子原本会从红色凝胶流向蓝色凝胶,但由于基板的间隔,无法出现这样的流动。与此同时,与这块基板对应的另一块基板上布置了绿色和黄色凝胶,当它们桥接在蓝色和红色凝胶之间的空隙时,就能为离子运动提供通道。

与传统电池不同,这款新型电池十分柔软、灵活,或许能用在下一代软体机器人身上。而且,由于电池所用的材料可以和我们的身体相容,因此具有促进开发下一代起搏器、假肢和医用植入物的潜力。想象一下能发电的隐形眼镜,或者能依靠我们体内液体和盐分运行的起搏器,所有这些产品的灵感或许都将来自电鳗。

为了研制这种与众不同的电池,研究团队成员汤姆·施罗德(Tom Schroeder)和安妮·古哈(Anirvan Guha)开始深入了解电鳗放电体的工作原理。这些细胞以长条形堆叠,互相之间存在充满液体的间隔——就像涂抹了蜂蜜或糖浆的薄饼叠起来。当电鳗休息时,每个放电体会从正面和背面泵出正离子,产生两股能互相抵消的相反电压。但是,在需要的时候,放电体的背面会翻转过来,开始向相反方向泵出正离子,形成贯穿整个细胞的微小电压。关键在于,所有放电体可以同时翻转,它们的微小电压加起来就能产生强大的电能。这就好像电鳗的尾巴上有着数千个这样的电池,其中一半指向“错误”的方向,但电鳗可以随时把它们调整到“正确”的方向,使它们对齐并放电。这样的特化程度简直不可思议。

施罗德和同事们一开始想在实验室里仿造出整个放电器官,但他们很快意识到这么做太复杂了。之后,他们又考虑把许多膜叠起来,模仿放电体的堆叠形式——但精细的膜材料很难以数以千计的量级进行操作。如果一张膜破裂,整个电池就会失效。

最终,研究人员选择了更为简单的方案,采用凝胶块填充在两块独立基板之间。红色凝胶含有盐水,而蓝色凝胶含有淡水。离子原本会从红色凝胶流向蓝色凝胶,但由于基板的间隔,无法出现这样的流动。与此同时,与这块基板对应的另一块基板上布置了绿色和黄色凝胶,当它们桥接在蓝色和红色凝胶之间的空隙时,就能为离子运动提供通道。

这一设计的机智之处在于:绿色凝胶块只允许正离子通过,而黄色凝胶块只允许负离子通过。这意味着正离子只能从一侧流入蓝色凝胶,负离子则只能从另一侧流入。这就在蓝色凝胶上产生了一个电压,就像放电体一样。而且,正如放电体“合作”放电一样,每个凝胶块只能产生微小的电压,但数千个凝胶块排成一排时,就能产生高达110伏的电压。

电鳗的放电体只有在收到来自神经系统的信号之后才会放电,但在施罗德等人的设计中,凝胶放电的触发要简单得多——你只需要把两组凝胶压到一起。

这些凝胶如果放在一大张基板上,用起来肯定非常麻烦。为解决这一问题,密歇根大学的工程师马克斯·斯坦因(Max Shtein)提出了一个巧妙的方案——折纸。利用类似于太阳能电池板折叠放入卫星的特殊折叠方法,他设计出了能使凝胶以正确顺序、正确颜色接触的折叠平板,使研究团队能在小得多的空间中制造出相同的电能。电池所占的空间非常小,只有隐形眼镜那么大,或许有一天能实现可穿戴的应用。

目前这种电池还需要主动充电。一旦激活,它们可以提供几个小时的电能,直到不同凝胶之间的离子水平达到平衡。此时就需要再次充电,用电流使凝胶回到高盐和低盐交替排列的状态。不过,施罗德指出,我们的身体能够不断补充含有不同离子浓度的体液蓄存,有朝一日或许能利用这些蓄存来开发电池。

从本质上说,这会使人类的身体变得更接近电鳗。尽管把其他人电倒的可能性很低,但利用我们体内的离子梯度,或许可以为一些小体积的医学植入物供电。当然,要实现这样的目标还有很长的路要走。

相关推荐
热点推荐
超7.9万人非法滞留日本!中国 4 月拟颁法律,严惩海外非法移民?

超7.9万人非法滞留日本!中国 4 月拟颁法律,严惩海外非法移民?

东京在线
2024-03-29 00:07:11
3-2!仁川冠军赛:女单16强诞生!早田希娜苦战5局 点名孙颖莎

3-2!仁川冠军赛:女单16强诞生!早田希娜苦战5局 点名孙颖莎

开心体育站
2024-03-28 18:30:57
22分惨败!CBA第二惨遭吊打,名将下黑脚,培根27分开启扣篮秀

22分惨败!CBA第二惨遭吊打,名将下黑脚,培根27分开启扣篮秀

体坛野秀才
2024-03-28 21:50:47
岳父家有三个女儿,大女儿脸上有黑色胎记无人娶,后来我捡漏了

岳父家有三个女儿,大女儿脸上有黑色胎记无人娶,后来我捡漏了

可乐88
2024-03-27 08:59:48
革命初期,真正拉起一支队伍的只有三位元帅,都被尊称为“老总”

革命初期,真正拉起一支队伍的只有三位元帅,都被尊称为“老总”

百年历史老号
2024-03-27 22:26:13
70场打完,5位球员彻底打出身价:杰伦格林爆发,水拉迎第二春

70场打完,5位球员彻底打出身价:杰伦格林爆发,水拉迎第二春

大西体育
2024-03-28 20:43:55
喜讯!前国米锋霸将驰援国足踢泰国,就等足协向国际足联递交申请

喜讯!前国米锋霸将驰援国足踢泰国,就等足协向国际足联递交申请

评球论事
2024-03-28 12:37:09
刘强东:不要和雷军比营销,把手机卖几百亿出去,绝对不是一般人

刘强东:不要和雷军比营销,把手机卖几百亿出去,绝对不是一般人

元气科技馆
2024-03-28 21:03:39
曝《浪姐5》多位姐姐退赛,赛制疑有很大问题,大Vocal也留不住

曝《浪姐5》多位姐姐退赛,赛制疑有很大问题,大Vocal也留不住

木木夕木可
2024-03-28 20:11:47
耳朵里面经常痒,却啥也掏不出来?或是4种病的征兆,最好上点心

耳朵里面经常痒,却啥也掏不出来?或是4种病的征兆,最好上点心

39健康网
2024-03-28 19:06:06
乌克兰总统与美国众议院议长通话 呼吁美众议院在援乌问题上统一立场

乌克兰总统与美国众议院议长通话 呼吁美众议院在援乌问题上统一立场

财联社
2024-03-29 01:20:35
四名暴徒全部招供,普京点名幕后黑手,接下来就是复仇了

四名暴徒全部招供,普京点名幕后黑手,接下来就是复仇了

冒泡泡的鱼儿
2024-03-28 12:35:27
去了内科才知道,2种维生素,连吃30天,炎症清零,肺里干干净净

去了内科才知道,2种维生素,连吃30天,炎症清零,肺里干干净净

王云飞噢噢
2024-03-28 17:11:54
中方当面要求,确保光刻机正常输华,荷方:出口管制不针对第三国

中方当面要求,确保光刻机正常输华,荷方:出口管制不针对第三国

我是娱乐哥
2024-03-28 13:07:04
美主持人问了大家想问不敢问的问题,白宫“震怒”

美主持人问了大家想问不敢问的问题,白宫“震怒”

观察者网
2024-03-28 19:57:13
小米汽车爆火“急坏”高管:一年产能用完 正连夜想办法

小米汽车爆火“急坏”高管:一年产能用完 正连夜想办法

手机中国
2024-03-29 00:13:13
价格发布,它惊呆了所有人

价格发布,它惊呆了所有人

新车评网
2024-03-28 14:22:55
马英九提出登陆,想见大陆最高层,蔡英文一反常态:给予必要协助

马英九提出登陆,想见大陆最高层,蔡英文一反常态:给予必要协助

美食阿鳕
2024-03-27 19:53:50
大清算来了!俄罗斯开启斩首之战,泽连斯基真危险了!

大清算来了!俄罗斯开启斩首之战,泽连斯基真危险了!

大嘴说天下
2024-03-28 21:35:48
另谋高就!曝哈维将接手英超土豪!4员大将离开巴萨,换1.8亿欧

另谋高就!曝哈维将接手英超土豪!4员大将离开巴萨,换1.8亿欧

头狼追球
2024-03-28 15:25:32
2024-03-29 06:46:44

头条要闻

小米汽车7分钟大定破2万 网友:这价格真可以杀穿同行

头条要闻

小米汽车7分钟大定破2万 网友:这价格真可以杀穿同行

体育要闻

疯狂的格林,冲刺的火箭

娱乐要闻

莱昂纳多与25岁新女友互相投喂超恩爱

财经要闻

中国版QE要来?国内外机构观点罕见一致

科技要闻

李斌李想何小鹏喊你买小米汽车

汽车要闻

混动增程双模式 长安UNI-Z售11.79万起

态度原创

艺术
亲子
时尚
健康
军事航空

艺术要闻

艺术开卷|从闺阁、庭院到郊野,古画中的女性生活空间

亲子要闻

网友:小孩姐让我坐一会儿吧

2024的流行色,一定离不开安可拉红

早防早筛,远离肝硬化

军事要闻

乌方声称击落两枚俄"锆石"高超音速导弹 俄方未予回应

无障碍浏览 进入关怀版
×