來自1000萬個青蛙卵的電能可以點亮一盞LED燈，這有什麼用？

圖片來源 Tes

撰文 Sophia Chen

翻譯 李楊

審校 阿金

編輯 魏瀟

路易吉·卡塔奇諾（Luigi Catacuzzeno）將一根又長又細的針對準了青蛙卵。在顯微鏡下，他轉動機器的旋鈕，將針頭向前推進了幾微米。然後他熟練地刺穿了柔軟蛙卵的薄膜，把它連接到一個小電容器上（一種類似電池的電子元件）。

這個不同尋常的實驗能夠讓卡塔奇諾從生物細胞中獲取能量，為微小的電子設備提供動力。他目前在義大利佩魯賈大學（University of Perugia）工作。卡塔奇諾的實驗對象是青蛙卵——每個卵都是一個單細胞，而且有針頭那麼大。卡塔奇諾告訴我們，「每個細胞都像一塊電池」。它們通過傳遞如鉀離子和鈉離子等電解質進出細胞膜來儲存和傳遞電荷。「通常，細胞的能量是用來維持正常的生理功能的，」他說，「神經元利用這種能量發送信號，肌肉利用這種能量進行收縮。」與鋰電池不同的是，細胞可以自行「充電」，從我們攝入的食物中獲得化學能量。運動後喝的佳得樂就能夠幫助我們全身的細胞維持微電流的流通。

卡塔奇諾的團隊最近的一項研究展示了他們可以從青蛙卵中「竊取」一些電能給電容充電，然後利用這些被儲存起來的電能產生無線電信號——他們用一顆蛙卵成功驅動了一個小型對講機。研究結果目前貼在 arXiv 網站上，並且正在接受同行評議。

所有這一切的關鍵在於最終設計出無需依賴外部電源，能完全依靠人體細胞進行內部充電的微型機器人和其他醫療設備。沿著卡塔奇諾獲取蛙卵電能的思路，植入靜脈的感測器可以測量血糖；下一代內窺鏡不僅可以拍攝你的腸道，同時還能釋放藥物。重要的是，這些設備能定期接入你體內的細胞進行充電。義大利佩魯賈大學的物理學家盧卡·伽馬托尼（Luca Gammaitoni）是卡塔奇諾的合作者，他說：「這是一個全新的研究方向，我們可以製造出非常微小的機器，在生物體內自主運作。」

與日常使用的電子產品相比，一顆卵細胞提供的能量少得可憐。研究人員能從一顆青蛙卵上獲得 1.1 納瓦（nanowatts）的電量，這意味著你需要收集超過 1000 萬個青蛙卵才能點亮一盞 LED 燈。充電大約 13 分鐘後，它儲存的電量相當於 16 納安培時（nano-ampere-hours）。按照這個速度，累積1億多顆蛙卵才能與一個 AA 電池儲存的電量相匹配。

猶他大學（University of Utah）的機械工程師沙德·朗迪（Shad Roundy）並沒有參與這項工作，但他說這種規格「對於無線感測來說是合理的」，因為你並不需要大量能量來保證每 13 分鐘都發送一次無線電信號。另外，微型機器人的電容器可以用另外的細胞充電，保證在 13 分鐘後進行下一次信號傳輸。這種充電周期足以滿足某些類型的醫療感測器。「想想一個糖尿病患者每天扎幾次手指測血糖，」朗迪說。「如果能每 30 分鐘更新一次血糖數據，那將是一個巨大的進步。」

朗迪說，更大的問題是電容的微小化。現在，電容器太大了，無法在人體內工作。給動物或人體內的電容器充電所要求的技術可比卡塔奇諾在顯微鏡下演示的要複雜得多。

朗迪說，他們還必須確保這些微小的電子設備在體內不發生排異反應。伽馬托尼說，至少對於一個人來說，電容器抽取的能量是微不足道的。在這裡和那裡偷幾個納瓦，不會影響一個人的健康。「在我們的身體里，每隔幾分鐘就會有大量的細胞死亡和再生，」他說，「從統計學上講，這對身體本身並沒有什麼害處。

研究小組接下來正在老鼠的肌肉細胞上做實驗。伽馬托尼說：「我們希望證明許多細胞都可以為電容器充電。」此外，從肌肉細胞中獲取電能的想法將擴大感測器類型的設計範圍，因為肌肉遍布全身。它會讓你有新的目標去探索。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！