Nature:模仿电鳗放电,“皮卡丘”式柔性电源问世

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注:封面图与本文无关

《精灵宝可梦》(我小时候被翻译成“宠物小精灵”……额,暴露年龄了)中的皮卡丘,是一只会卖萌,会撒娇,还很有担当的萌宠。时至今日,我们还会偶尔说起“去吧,皮卡丘”的经典台词。而他“十万伏特”的放电技能,更是酷炫又实用。抛开游戏和动漫,在真实的动物世界中,的确也有一些生物具备放电的“超能力”,电鳗就是其中之一。先做个小科普,电鳗其实并不是真正的鳗类,只是长的有点像而已。电鳗输出的电压可达300~800伏特,完全足以让接触它们的成年人失去意识。在美国《国家地理》杂志(National Geographic)网站评选的“13种最令人恐惧的淡水动物(13 Scariest Freshwater Animals)”中排名第二,仅次于满嘴“剃刀”的食人鱼。[1]

电鳗。图片来源:BETTMAN ARCHIVE / CORBIS / National Geographic

说起“生物电”,其实并不是电鳗的专利,在很多生物体内都存在。比如我们人类的神经冲动就是通过“生物电”信号来传导。当神经受到某种刺激之后,神经细胞膜上的“钠离子通道”被打开,钠离子大量流入,产生电位差,信号从兴奋区域传递到周围区域,由此神经冲动便以电信号的形式在神经纤维上进行传导。

神经元传导原理。图片来自网络

当然,这种生物电的电压很小,只有毫伏级。而电鳗的“超能力”在于能将大量生物电细胞同时激发,用于自身防卫或者攻击猎物。2014年,有研究者通过设计很多有趣的对比实验,对电鳗的放电机制进行了深入的研究,并将结果发表在Science 杂志上。[2]

电鳗的放电研究。图片来源:Science

近日,瑞士弗里堡大学和美国密歇根大学的研究者合作在Nature 杂志上发表文章,模拟电鳗发电细胞(electrocyte)的工作原理,利用生物相容性材料,构建了柔性电源。该文通讯作者Michael Mayer教授认为,这种柔性电源具有巨大的应用潜力,可应用于可穿戴设备和体内植入电子设备中,如心脏起搏器、植入式传感器甚至人造器官。

电鳗体内独特的发电细胞是它们产生数百伏特电压的基础。通过调节细胞内外钾离子和钠离子的浓度差,即可产生电压差。尽管每一个单独的发电细胞只产生很小的电压(~150 mV),但电鳗可以在很短时间内调动体内的数千个发电细胞,仿佛数千节电池串联起来,实现高电压的输出。而平行排列的几组这种“串联电池”,也能保证峰值电流达到1 A左右。

电鳗发电细胞及其产生电压的机理。图片来源:Nature

受电鳗启发,研究者提出了一个巧妙的电源设计概念——用阳离子选择性和阴离子选择性水凝胶膜分隔高盐度和低盐度水凝胶微元件构建人造“发电细胞”,利用微元件之间的离子梯度产生电压。他们选取了四种不同的聚丙烯酰胺水凝胶:高盐度水凝胶、阳离子选择性水凝胶、低盐度水凝胶和阴离子选择性水凝胶(下图c/d中分别用红、绿、蓝、黄标示),来模拟鳗鱼发电细胞的四种主要组件:两种离子选择不同的细胞膜以及细胞内和细胞外的含盐环境。每四种水凝胶微元件构成一个发电单元,就像是鳗鱼的一个发电细胞。根据反向电渗析的原理,每个水凝胶微元件发电单元可产生130-185 mV的开路电压(下图d),这也与鳗鱼的一个发电细胞相差无几。

电鳗式柔性电源结构示意图。图片来源:Nature

研究者进一步在柔性基底上打印聚丙烯酰胺水凝胶微元件的阵列,构建柔性电源。2449个水凝胶微元件构成612个发电单元,形成一个串联的蛇形的离子导电通路,该柔性电源系统产生的电位差可达110 V。

打印水凝胶阵列构造柔性电源。图片来源:Nature

不过,与电鳗不同的是,生物细胞利用ATP提供能量,通过蛋白酶实现Na+/ K+的主动转运,达到细胞膜内外的离子浓度差。在人工模拟的装置中,研究者通过在启动之前确保每个水凝胶微元件之间的物理分离来维持离子梯度,这种设计不需要能量消耗。放电之后,通过施加电流,装置可以恢复到原容量的90%,循环次数10次以上。

为了进一步提高性能,研究者又尝试了利用“折纸”艺术(Miura折叠,点击阅读相关),降低人造“发电细胞”的厚度,减小电阻,提升放电效率。

折叠式人造“发电细胞”。图片来源:Nature

“我们的电源有很多传统电池没有的特性,”本文一作、密歇根大学的Thomas Schroeder说,“它不含任何有毒物质”,或许有一天,这种人造发电装置也可以“利用我们体内的电解液放电”。Mayer教授也表示,尽管新的柔性电源在效率、性能等方面远不如电鳗,“但重要的是我们根据其生物学原理在实验室里人工复制了这一现象。”[3]

视频来源:Nature

电鳗连续放电后电压会迅速减弱,短时休息后电压才能恢复正常,这和皮卡丘在动画中放电前蓄力、过度使用技能后疲劳的表现很相似。不过,皮卡丘的“十万伏特”放电电压确实太太太高了,依靠生物电很难实现,所以我猜,皮卡丘正确的充电方式应该是这样的……

图片来源自网络

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels

Nature, 2017, 552, 214-218, DOI: 10.1038/nature24670

参考资料:

1. https://www.nationalgeographic.com/environment/photos/scariest-freshwater-animals/

2. The shocking predatory strike of the electric eel. Science, 2014, 346, 1231-1234, DOI: 10.1126/science.1260807

3. http://www.ns.umich.edu/new/multimedia/videos/25325-electricity-eel-style-soft-power-cells-could-run-tomorrow-s-implantables

(本文由小希供稿)

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