發(fā)布日期：2017-12-20
一種受電鰻啟發(fā)研制而成的靈活且透明的電源，可以用來為身體佩戴的電子設(shè)備供電，比如心臟起搏器、植入式傳感器甚至假肢器官。
研究人員在12月13日出版的《自然》雜志上描述了這種電源的原型——其在鹽和水的溶液中運(yùn)行，但研究人員希望未來的版本能夠從體液中獲得能量。
“我們的人造發(fā)電器官有很多傳統(tǒng)電池沒有的特征。”Thomas Schroeder說。他是美國安阿伯市密歇根大學(xué)的一名化學(xué)工程師，同時也是這項(xiàng)研究的聯(lián)合負(fù)責(zé)人之一。Schroeder說，除了其理想的物理特性外，“它并沒有潛在的毒性，同時可在潛在的可再生電解質(zhì)溶液中運(yùn)行”。
為了設(shè)計一種不會引起生物排斥的電源，Schroeder和他的同事從刀魚或電鰻中獲得了靈感，這些魚類可以通過發(fā)出高達(dá)600伏特的電荷來保護(hù)自己，同時捕捉獵物。
電鰻會利用被稱為發(fā)電細(xì)胞的特殊細(xì)胞來產(chǎn)生這些強(qiáng)大的電流。發(fā)電細(xì)胞存在于電鰻身體的大部分區(qū)域。這些細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)濃度變化產(chǎn)生了一種攜帶電荷的離子流。雖然每個單獨(dú)的細(xì)胞只產(chǎn)生很小的電壓，但電鰻有成千上萬個串聯(lián)在一起的發(fā)電細(xì)胞，從而將所有的電壓都累加在一起。
Schroeder的研究小組用由聚丙烯酰胺和水組成的4種不同的水凝膠，模擬了發(fā)電細(xì)胞的解剖結(jié)構(gòu)，然后將大約2500個這樣的單元組合在一起。
這個合成系統(tǒng)產(chǎn)生了110伏特的電位差。但是它的總輸出功率比電鰻所能達(dá)到的水平要小2到3個數(shù)量級，這是因?yàn)殡婗牭陌l(fā)電細(xì)胞更薄，因此電阻也更小。
Schroeder指出，從理論上講，人造電池所產(chǎn)生的能量足以運(yùn)行現(xiàn)有的超低功率設(shè)備，包括一些心臟起搏器和植入式傳感器。但研究小組認(rèn)為，應(yīng)該有可能大幅度提高系統(tǒng)的性能，例如通過讓水凝膠膜更薄以減少它們的電阻。
電鰻利用能量代謝來維持發(fā)電細(xì)胞之間的電解質(zhì)濃度差異。Schroeder希望他們最終也能模仿這一能力。他說:“可以想象，我們有一天可能會采用將體內(nèi)不同的液體接入我們的人造發(fā)電器官這樣的方案。”
Markus Buehler是劍橋市麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家和工程師，他對該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計印象深刻。Buehler說，這是“超越傳統(tǒng)思維的令人興奮的進(jìn)步”。“我預(yù)計在不久的將來會開發(fā)這種新技術(shù)。”
電鰻是裸背電鰻科的鰻形南美魚類，能產(chǎn)生足以將人擊昏的電流，是放電能力最強(qiáng)的淡水魚類，輸出的電壓可達(dá)300～800伏特，因此電鰻有水中的“高壓線”之稱。它不是真正的鰻類，而與鲇形目的種類近緣。世界上已知的發(fā)電魚類達(dá)數(shù)十種，其他會放電的魚類還有電鲇、電鰩等。
電鰻分布于南美洲亞馬遜流域的圭亞那地區(qū)，多在淺水的池沼或水體較混濁的岸邊活動，體型很大，是原產(chǎn)地著名的食用魚。其高超的放電本領(lǐng)使其成為十分出名的魚類，可作為水族館中的展示魚或觀賞魚。
來源：科學(xué)網(wǎng)
