1799年, 意大利物理學家亞曆山德羅·伏打著迷於用鋅和銅疊成手臂長的 '伏打堆' , 二者之間用滷水隔開. 這種 '伏打堆' 是世界上第一種電化學電池, 但伏打的設計基礎來源於更為古老的東西——電鰻的身體.
電鰻是一種淡水魚類, 能通過特化的肌肉組織放電. 它們的體長可達兩米, 而放電器官的長度就可達體長的80%. 在放電器官中有數以千計的特化肌肉細胞, 稱為 '放電體' . 每個放電體只能產生很小的電壓, 但數千個放電體合在一起, 就能產生高達600伏的電壓, 足以擊倒一個人, 甚至一匹馬. 電鰻的放電機製為伏打提供了發明電池的靈感, 使他稱為一位19世紀的名人.
兩個世紀之後, 電池已經成為我們的日常用品. 但即使現在, 電鰻依然在為科學家提供靈感. 在瑞士弗裡堡大學, 由邁克爾·邁耶領導的研究團隊就發明了一種模仿電鰻放電器官的新型柔性電池. 這種電池由一些不同顏色的凝膠塊組成, 像電鰻的放電體一樣以長條排列. 如果想啟動電池, 你只需要把這些凝膠塊疊在一起.
與傳統電池不同, 這款新型電池十分柔軟, 靈活, 或許能用在下一代軟體機器人身上. 而且, 由於電池所用的材料可以和我們的身體相容, 因此具有促進開發下一代起搏器, 假肢和醫用植入物的潛力. 想象一下能發電的隱形眼鏡, 或者能依靠我們體內液體和鹽分運行的起搏器, 所有這些產品的靈感或許都將來自電鰻.
為了研製這種與眾不同的電池, 研究團隊成員湯姆·施羅德和安妮·古哈開始深入了解電鰻放電體的工作原理. 這些細胞以長條形堆疊, 互相之間存在充滿液體的間隔——就像塗抹了蜂蜜或糖漿的薄餅疊起來. 當電鰻休息時, 每個放電體會從正面和背面泵出正離子, 產生兩股能互相抵消的相反電壓.
但是, 在需要的時候, 放電體的背面會翻轉過來, 開始向相反方向泵出正離子, 形成貫穿整個細胞的微小電壓. 關鍵在於, 所有放電體可以同時翻轉, 它們的微小電壓加起來就能產生強大的電能. 這就好像電鰻的尾巴上有著數千個這樣的電池, 其中一半指向 '錯誤' 的方向, 但電鰻可以隨時把它們調整到 '正確' 的方向, 使它們對齊並放電. 這樣的特化程度簡直不可思議.
施羅德和同事們一開始想在實驗室裡仿造出整個放電器官, 但他們很快意識到這麼做太複雜了. 之後, 他們又考慮把許多膜疊起來, 模仿放電體的堆疊形式——但精細的膜材料很難以數以千計的量級進行操作. 如果一張膜破裂, 整個電池就會失效.
最終, 研究人員選擇了更為簡單的方案, 採用凝膠塊填充在兩塊獨立基板之間. 紅色凝膠含有鹽水, 而藍色凝膠含有淡水. 離子原本會從紅色凝膠流向藍色凝膠, 但由於基板的間隔, 無法出現這樣的流動. 與此同時, 與這塊基板對應的另一塊基板上布置了綠色和黃色凝膠, 當它們橋接在藍色和紅色凝膠之間的空隙時, 就能為離子運動提供通道.
這一設計的機智之處在於: 綠色凝膠塊只允許正離子通過, 而黃色凝膠塊只允許負離子通過. 這意味著正離子只能從一側流入藍色凝膠, 負離子則只能從另一側流入. 這就在藍色凝膠上產生了一個電壓, 就像放電體一樣. 而且, 正如放電體 '合作' 放電一樣, 每個凝膠塊只能產生微小的電壓, 但數千個凝膠塊排成一排時, 就能產生高達110伏的電壓.
電鰻的放電體只有在收到來自神經系統的訊號之後才會放電, 但在施羅德等人的設計中, 凝膠放電的觸發要簡單得多——你只需要把兩組凝膠壓到一起.
這些凝膠如果放在一大張基板上, 用起來肯定非常麻煩. 為解決這一問題, 密西根大學的工程師馬克斯·斯坦因提出了一個巧妙的方案——摺紙. 利用類似於太陽能電池板摺疊放入衛星的特殊摺疊方法, 他設計出了能使凝膠以正確順序, 正確顏色接觸的摺疊平板, 使研究團隊能在小得多的空間中製造出相同的電能. 電池所佔的空間非常小, 只有隱形眼鏡那麼大, 或許有一天能實現可穿戴的應用.
目前這種電池還需要主動充電. 一旦激活, 它們可以提供幾個小時的電能, 直到不同凝膠之間的離子水平達到平衡. 此時就需要再次充電, 用電流使凝膠回到高鹽和低鹽交替排列的狀態. 不過, 施羅德指出, 我們的身體能夠不斷補充含有不同離子濃度的體液蓄存, 有朝一日或許能利用這些蓄存來開發電池.
從本質上說, 這會使人類的身體變得更接近電鰻. 儘管把其他人電倒的可能性很低, 但利用我們體內的離子梯度, 或許可以為一些小體積的醫學植入物供電. 當然, 要實現這樣的目標還有很長的路要走.
