灵感来自电鳗的柔性电池:未来或能为起搏器供电

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北京时间2月25日消息,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。你五种“伏打堆”是世界上第五种电化学电池,但伏打的设计基础来源于更为古老的东西——电鳗的身体。

电鳗是五种淡水鱼类,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50%。在放电器官饱含 数以千计的特化肌肉细胞,称为“放电体”(electrocyte)。每个放电体不需要 产生很小的电压,但数千个放电体合在共同,就能产生高达500伏的电压,足以击倒不需要 人,甚至一匹马。电鳗的放电机制为伏打提供了造出的故事电池的灵感,使他成为一位19世纪的名人。

不需要 世纪时候,电池肯能成为亲们的日常用品。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)领导的研究团队就造出的故事了五种模仿电鳗放电器官的新型柔性电池。你五种电池由其他不同颜色的凝胶块组成,像电鳗的放电体一样以长条排列。肯能想启动电池,你只时要把哪此凝胶块叠在共同。

▲不需要 给予伏打设计电池灵感的电鳗,在两百年时候又启发了你五种新电池的诞生。

▲电鳗的所有放电体可不时要共同翻转,它们的微小电压加起来就能产生强大的电能。

▲红色凝胶饱含 盐水,而浅蓝色凝胶饱含 淡水。离子不需要 会从红色凝胶流向浅蓝色凝胶,但肯能基板的间隔,无法出现不需要 的流动。与此共同,与这块基板对应的另一块基板上布置了绿色和黄色凝胶,当它们桥接在浅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。随后,肯能电池所用的材料可不时要和亲们的身体相容,随后具有有有助于于开发下一代起搏器、假肢和医用植入物的潜力。想象一下能发电的隐形眼镜,肯可不时要依靠亲们体内气体和盐分运行的起搏器,所有哪此产品的灵感或许都将来自电鳗。

为了研制你五种与众不同的电池,研究团队成员汤姆·施罗德(Tom Schroeder)和安妮·古哈(Anirvan Guha)结束了深入了解电鳗放电体的工作原理。哪此细胞以长条形堆叠,互相之间地处充满气体的间隔——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。随后,在时要的时候,放电体的背面会翻转过来,结束了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,所有放电体可不时要共同翻转,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不需要 的电池,其中一半指向“错误”的方向,但电鳗可不时要随时把它们调整到“正确”的方向,使它们对齐并放电。不需要 的特化程度你造不可思议。

施罗德和同事们一结束了想在实验室里仿造出的故事整个放电器官,但亲们变慢意识到不需要 做太多样化了。时候,亲们又考虑把其他膜叠起来,模仿放电体的堆叠形式——但精细的膜材料这麼以数以千计的量级进行操作。肯能一张膜破裂,整个电池就会失效。

最终,研究人员选则了更为简单的方案,采用凝胶块填充在两块独立基板之间。红色凝胶饱含 盐水,而浅蓝色凝胶饱含 淡水。离子不需要 会从红色凝胶流向浅蓝色凝胶,但肯能基板的间隔,无法出现不需要 的流动。与此共同,与这块基板对应的另一块基板上布置了绿色和黄色凝胶,当它们桥接在浅蓝色和红色凝胶之间的空隙时,就能为离子运动提供通道。

你五种设计的机智之地处于: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。这意味正离子不需要 从一侧流入浅蓝色凝胶,负离子则不需要 从另一侧流入。这就在浅蓝色凝胶上产生了不需要 电压,就像放电体一样。随后,正如放电体“合作者协议”放电一样,每个凝胶块不需要 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。

电鳗的放电体不需要 在收到来自神经系统的信号时候才会放电,但在施罗德等人的设计中,凝胶放电的触发要简单得多——你只时要把两组凝胶压到共同。

哪此凝胶肯能倒入一大张基板上,用起来肯定非常麻烦。为补救你五种间题,密歇根大学的工程师马克斯·斯坦因(Max Shtein)提出了不需要 巧妙的方案——折纸。利用这类 于太阳能电池板折叠倒入卫星的特殊折叠措施,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的故事相同的电能。电池所占的空间非常小,不需要 隐形眼镜不需要 大,或许有一天能实现可穿戴的应用。

目前你五种电池还时要主动充电。一旦激活,它们可不时要提供几只小时的电能,直到不同凝胶之间的离子水平达到平衡。此时就时要再次充电,用电流使凝胶回到高盐和低盐交替排列的具体情况。不过,施罗德指出,亲们的身体不需要 不断补充饱含 不同离子浓度的体液蓄存,有朝一日或许能利用哪此蓄存来开发电池。

从本质上说,这会使人类的身体变得更接近电鳗。尽管把当事人电倒的肯能性很低,但利用亲们体内的离子梯度,或许可不时要为其他小体积的医学植入物供电。当然,要实现不需要 的目标还有很长的路要走。