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人类就可以像电鳗那样发电了吗? 陈晓 黄光裕

2018-01-01 10:34 来源:网络  作者:求是新闻
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人类就可以像电鳗那样发电了吗? 陈晓 黄光裕 成年电鳗有2米长,其中80%的部分属于发电器官,它由数千个特殊的肌肉细胞发电细胞组成,每个发电细胞只能产生一个很小的电压,但是合在一起,就可以产生高达600伏的电压,足以电倒一个人,甚至是一匹马。沃尔特
人类就可以像电鳗那样发电了吗? 陈晓 黄光裕


成年电鳗有2米长,其中80%的部分属于“发电器官”,它由数千个特殊的肌肉细胞发电细胞组成,每个发电细胞只能产生一个很小的电压,但是合在一起,就可以产生高达600伏的电压,足以电倒一个人,甚至是一匹马。沃尔特从电鳗身上获得的灵感,让他成为了19世纪的名人。

如今电池已经是我们生活中的日常用品,但科学家仍然可以从电鳗的身上获得灵感。弗里堡大学(University of Fribourg)的一个研究小组巧妙地模仿了鳗鱼的发电器官,开发了一种新的电池。它由五颜六色的凝胶块组成,像电鳗的发电细胞那样排列起来。你只需将凝胶按压在一起,就可以启用这种电池了。

这个电池的特点就在于它是软的,非常柔软灵活,可能很适合下一代软体机器人使用。而且由于它使用的材料不会伤害人体,所以下一代心脏起搏器、假肢和医用植入物也可以用得上。如果有一天出现了能发电的隐形眼镜,靠人体内液体和盐分运行的起搏器,你也不用惊奇。

电鳗发电的原理

为了开发这种电池,团队成员汤姆-施罗德(Tom Schroeder)和安妮·古哈(Anirvan Guha)对电鳗的工作原理进行了研究。



这种鳗鱼的发电细胞是堆积在一个充满流体的长条空间中的。当鳗鱼处于休息状态时,每个发电细胞就从正面和背面泵出正离子。产生了两个相反的电压,相互抵消了。但是在需要的时候,每个发电细胞的背面就会翻转,从相反的方向泵出正离子,让整个细胞产生一个微小的电压。关键是,每个发电细胞都会同时进行这个翻转操作,所以这些微小的电压加总起来就更加强大了。这就好像是鳗鱼尾巴上有数千个小电池一样。你可以这样来理解:在鳗鱼休息时,一半的小电池“安装”方向是错误的,但是鳗鱼可以随时把它们调整到正确的方向,将它们对齐。

研究小组最初想在实验室里仿造一个电鳗发电器官,但很快就发现这么做太复杂了。于是他们又考虑使用大堆薄膜来模仿层叠的发电细胞——但是这种娇气的材料难以满足工程需要。如果一张薄膜破裂,这一整堆就不能用了。

新电池的原理

最后,研究小组选择了一个更简单的方案。他们在两张分开的基板上排列了一些凝胶块。如图所示,红色凝胶块中是盐水,蓝色凝胶中是淡水。离子本来应该从前者流向后者,但却无法从一个凝胶移动到另一块。而另一张基板上有绿色和黄色的凝胶块,当它们桥接在蓝色和红色凝胶块之间的间隙时,就为离子提供了移动的通道。



关键在于:绿色凝胶块只允许正离子流过,而黄色凝胶块只允许负离子通过。这意味着正离子只从一侧流入蓝色凝胶,而负离子则只能从另一侧流入。这样蓝色凝胶上就会产生一个电压,与发电细胞很相似。而且正如在发电细胞中一样,每个凝胶只产生一个微小的电压,但成千上万的凝胶排成一排之后,就可以产生高达110伏的电压了。

鳗鱼的发电细胞是在接收到神经元的信号后启动的。而在这种凝胶中,触发器要简单得多 —— 只需要将凝胶按压到一起就行了。

使用这么多凝胶块当然很麻烦。但密歇根大学的工程师麦克斯·斯坦恩(Max Shtein)想出了一个巧妙的解决方案。将太阳能电池板装入卫星需要使用一种特殊的折叠方式,斯坦恩借鉴这种方式,设计了一种方法,把一板凝胶折叠起来,让正确颜色的凝胶块以正确的顺序接触。这样一来,该团队就可以在很小的空间内产生同样的电压了——像隐形眼镜那样小的空间也可以。

“人体发电”尚无路线图

目前来说,这种电池还需要你给它充电才能使用。充好之后,它们的供电时间可达几个小时。然后就需要再次充电,让它重新回到高盐分和低盐分凝胶交替的状态。但研究团队表示,人体内本来就有不同离子水平的液体储存,有朝一日或许能够利用它们来给这种电池充电。

到了那时候,你就有机会变成“电鳗侠”了吗?一伸手就电倒一匹马,这可能不太好想象,但是我们或许可以使用体内的离子梯度来给微小的植入物提供动力。该研究小组成员说,目前这还只是一个奇想,并没有实际的路线图。“很多事情都因为各种各样的原因最后没有行得通,所以我们也不希望太超前。”
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