兩百多年前, 意大利物理學家伏特從電鰻身體結構得到啟發, 發明了最早的電池——伏打電池. 如今, 人類在研究出電鰻放電的原理後, 又研發出了 '軟體電池' . 這種 '軟體電池' 又軟又靈活, 有可能應用於下一代的軟體機器人和起搏器中.
這種新型 '軟體電池' 由瑞士弗裡堡大學和美國密西根大學, 加利福尼亞大學的研究團隊共同研製. 相關的研究論文已於12月13日在國際學術期刊《自然》 (nature) 上發表.
此前的科學研究已發現, 電鰻可以通過發電器官來發電, 其發電器官佔到了其兩米長身體的80%. 電鰻尾部兩側的肌肉由規則排列著的6000-10000枚肌肉薄片組成, 薄片之間有結締組織相隔, 並由許多神經直通中樞神經系統. 其頭部是正極, 尾部是負極, 每枚肌肉薄片像一個小電池, 可產生約150毫伏的電壓. 但近萬個 '小電池' 串聯起來, 放電時的電壓可高達600-800伏, 足以電死一個人, 甚至一匹馬.
弗裡堡大學阿道夫•梅克爾研究所(Adolphe Merkle Institute)的教授邁克爾·梅爾 (Michael Mayer) 團隊模仿的就是電鰻的發電器官. 其含有多種顏色的凝膠塊, 呈長條排列, 很像電鰻的發電細胞. 想開啟電池, 只需要一起按壓這些凝膠. 與傳統電池不同, 這種電池又軟又靈活, 有可能會應用於下一代的軟體機器人. 因材料更貼合人體, 這種電池也有望用於製造下一代的起搏器等.
為了研製這種不同尋常的電池, 該研究團隊成員托馬斯·施羅德 (Thomas B. H. Schroeder) 和Anirvan Guha開始大量閱讀有關電鰻的放電原理. 這些細胞以長條狀堆疊, 細胞間填充著液體. 就好比是塗抹了蜂蜜或糖漿的薄餅, 再將其放倒.
當電鰻處於休息狀態時, 每個發電細胞都會把陽離子從背面和正面轉運出去, 產生兩個相反的電流, 進而互相抵消. 但電鰻需要電的時候, 發電細胞的背面就會翻過來, 向相反的方向轉運相互陽離子, 就會產生電壓. 關鍵的是, 每個發電細胞都同時完成這個操作時, 加起來的電壓是十分高的. 這就好比是電鰻的尾巴裡有幾千個小電池, 其中有一半的方向是相反的, 但它們可以翻轉使其全部一致, 產生電壓. '這種專業程度簡直是太神奇了, ' 施羅德說.
所以, 施羅德和其同事首先想到的就是在實驗室裡重塑類似的發電器官, 但他們很快意識到這太複雜了. 隨後, 他們想到可以製造大量的細胞膜來模仿發電細胞堆, 但是這些材料無法大量操作, 因為如果一個破了, 整個系統就會關閉. 施羅德說: '這樣會遇到聖誕燈串的問題, 即一個燈泡壞了, 一串燈泡都不亮了. '
最後, 他和Guha選了更簡單的一個裝置, 這就涉及到在兩片單獨的板上排列放置凝膠塊. 請看下圖中的底板, 紅色凝膠含有鹽水, 藍色的含有淡水, 離子可以從紅色凝膠流到藍色凝膠, 但是由於凝膠是分散的, 所以離子並不能流動. 當另一塊板材上的綠色和黃色凝膠橋連上紅藍凝膠之間的縫隙時, 就為離子提供了可以通過的通道.
值得注意的是, 這裡有個設計巧妙的地方: 綠色凝膠塊只允許陽離子通過, 黃色的只允許陰離子通過. 也就是說陽離子只能從一邊流入藍色凝膠, 陰離子則從另一邊流入, 藍色凝膠周圍就會產生電壓, 就像發電細胞一樣, 而且每個凝膠塊會產生一個小電壓, 但是數以千計的凝膠塊成行排列, 最高可產生110伏的電壓.
在電鰻神經元發出訊號後, 電鰻的發電細胞就會開始放電. 在施羅德設計的凝膠中, 觸發器就簡單很多, 只要把凝膠壓在一起就可以.
不過, 承載凝膠的板材如果過大會很麻煩. 但是密西根大學的工程師Max Shtein提出了一個巧妙的解決方案——摺紙. 類似於衛星太陽能電池板可摺疊一樣, 他用一種特殊的摺疊方式將板材摺疊來摺疊, 使正確的顏色的以正確的順序接觸. 這樣整個電池所佔的空間就會小很多, 大小隻有隱形眼鏡那麼大, 或許某天可以戴到身上.
但對現在來說, 這種電池必須要具備充電功能. 因為電池一旦激活, 可供電幾小時, 之後整個凝膠中的離子會趨於平衡, 電池也就沒電了. 這時需要把電池通上電, 讓凝膠回到高鹽度和低鹽度排列的狀態. 施羅德稱, 身體會持續地補充離子含量不同的液體. 他想象或許有朝一日可以利用這些液體來製造電池.
美國範德堡大學的Ken Catania花了很多年來研究電鰻的生物學原理. 他表示: '我很驚訝電鰻能為科學界帶來這麼多貢獻, 這對基本的科學價值觀來說, 是一個很好的範例. '
