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.
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.
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. '
