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受电鳗启发 科学家研发新型软体机器人电池方案

北极蚊子 2017-12-21 18:31

两百多年前,意大利物理学家伏特从电鳗身体结构得到启发,发明了最早的电池——伏打电池。如今,人类在研究出电鳗放电的原理后,又研发出了“软体电池”。这种“软体电池”又软又灵活,有可能应用于下一代的软体机器人和起搏器中。

这种新型“软体电池”由瑞士弗里堡大学和美国密歇根大学、加利福尼亚大学的研究团队共同研制。相关的研究论文已于12月13日在国际学术期刊《自然》(nature)上发表。

此前的科学研究已发现,电鳗可以通过发电器官来发电,其发电器官占到了其两米长身体的80%。电鳗尾部两侧的肌肉由规则排列着的6000-10000枚肌肉薄片组成,薄片之间有结缔组织相隔,并由许多神经直通中枢神经系统。其头部是正极,尾部是负极,每枚肌肉薄片像一个小电池,可产生约150毫伏的电压。但近万个“小电池”串联起来,放电时的电压可高达600-800伏,足以电死一个人,甚至一匹马。

弗里堡大学阿道夫?梅克尔研究所(Adolphe Merkle Institute)的教授迈克尔·梅尔(Michael Mayer)团队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,这种电池又软又灵活,有可能会应用于下一代的软体机器人。因材料更贴合人体,这种电池也有望用于制造下一代的起搏器等。

为了研制这种不同寻常的电池,该研究团队成员托马斯·施罗德(Thomas B. H. Schroeder)和Anirvan Guha开始大量阅读有关电鳗的放电原理。这些细胞以长条状堆叠,细胞间填充着液体。就好比是涂抹了蜂蜜或糖浆的薄饼,再将其放倒。

图片来自Michael Mayer等人在《自然》(nature)上发表的文章

当电鳗处于休息状态时,每个发电细胞都会把阳离子从背面和正面转运出去,产生两个相反的电流,进而互相抵消。但电鳗需要电的时候,发电细胞的背面就会翻过来,向相反的方向转运相互阳离子,就会产生电压。关键的是,每个发电细胞都同时完成这个操作时,加起来的电压是十分高的。这就好比是电鳗的尾巴里有几千个小电池,其中有一半的方向是相反的,但它们可以翻转使其全部一致,产生电压。“这种专业程度简直是太神奇了,” 施罗德说。

所以,施罗德和其同事首先想到的就是在实验室里重塑类似的发电器官,但他们很快意识到这太复杂了。随后,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,整个系统就会关闭。施罗德说:“这样会遇到圣诞灯串的问题,即一个灯泡坏了,一串灯泡都不亮了。”

最后,他和Guha选了更简单的一个装置,这就涉及到在两片单独的板上排列放置凝胶块。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,就为离子提供了可以通过的通道。

图片来自《自然》(nature)

值得注意的是,这里有个设计巧妙的地方: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。在施罗德设计的凝胶中,触发器就简单很多,只要把凝胶压在一起就可以。

不过,承载凝胶的板材如果过大会很麻烦。但是密歇根大学的工程师Max Shtein提出了一个巧妙的解决方案——折纸。类似于卫星太阳能电池板可折叠一样,他用一种特殊的折叠方式将板材折叠来折叠,使正确的颜色的以正确的顺序接触。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,或许某天可以戴到身上。

但对现在来说,这种电池必须要具备充电功能。因为电池一旦激活,可供电几小时,之后整个凝胶中的离子会趋于平衡,电池也就没电了。这时需要把电池通上电,让凝胶回到高盐度和低盐度排列的状态。施罗德称,身体会持续地补充离子含量不同的液体。他想象或许有朝一日可以利用这些液体来制造电池。

美国范德堡大学的Ken Catania花了很多年来研究电鳗的生物学原理。他表示:“我很惊讶电鳗能为科学界带来这么多贡献,这对基本的科学价值观来说,是一个很好的范例。”

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