哈中軟分享：未來或能為起搏器供電

1799年，義大利物理學家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）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」（electrocyte）。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，使他成為一位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。在瑞士弗里堡大學，由邁克爾·邁耶（Michael Mayer）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。想像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（Tom Schroeder）和安妮·古哈（Anirvan Guha）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里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信號之後才會放電，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，密歇根大學的工程師馬克斯·斯坦因（Max Shtein）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。

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