1799年, 意大利物理学家亚历山德罗·伏打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' . 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, 使他称为一位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.
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·施罗德和安妮·古哈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.
