曾經(jīng)給予伏打設(shè)計(jì)
電池靈感的電鰻,在兩百年之后又啟發(fā)了這種新
電池的誕生。
電鰻的所有放電體可以同時(shí)翻轉(zhuǎn),它們的微小電壓加起來(lái)就能產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。電鰻的所有放電體可以同時(shí)翻轉(zhuǎn),它們的微小電壓加起來(lái)就能產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。
紅色凝膠含有鹽水,而藍(lán)色凝膠含有淡水。離子原本會(huì)從紅色凝膠流向藍(lán)色凝膠,但由于基板的間隔,無(wú)法出現(xiàn)這樣的流動(dòng)。與此同時(shí),與這塊基板對(duì)應(yīng)的另一塊基板上布置了綠色和黃色凝膠,當(dāng)它們橋接在藍(lán)色和紅色凝膠之間的空隙時(shí),就能為離子運(yùn)動(dòng)提供通道! 〖t色凝膠含有鹽水,而藍(lán)色凝膠含有淡水。離子原本會(huì)從紅色凝膠流向藍(lán)色凝膠,但由于基板的間隔,無(wú)法出現(xiàn)這樣的流動(dòng)。與此同時(shí),與這塊基板對(duì)應(yīng)的另一塊基板上布置了綠色和黃色凝膠,當(dāng)它們橋接在藍(lán)色和紅色凝膠之間的空隙時(shí),就能為離子運(yùn)動(dòng)提供通道。
北京時(shí)間2月25日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,1799年,意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打(Alessandro Volta)著迷于用鋅和銅疊成手臂長(zhǎng)的“伏打堆”,二者之間用鹵水隔開。這種“伏打堆”是世界上第一種電化學(xué)電池,但伏打的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)來(lái)源于更為古老的東西——電鰻的身體。
電鰻是一種淡水魚類,能通過(guò)特化的肌肉組織放電。它們的體長(zhǎng)可達(dá)兩米,而放電器官的長(zhǎng)度就可達(dá)體長(zhǎng)的80%。在放電器官中有數(shù)以千計(jì)的特化肌肉細(xì)胞,稱為“放電體”(electrocyte)。每個(gè)放電體只能產(chǎn)生很小的電壓,但數(shù)千個(gè)放電體合在一起,就能產(chǎn)生高達(dá)600伏的電壓,足以擊倒一個(gè)人,甚至一匹馬。電鰻的放電機(jī)制為伏打提供了發(fā)明電池的靈感,使他稱為一位19世紀(jì)的名人。
兩個(gè)世紀(jì)之后,電池已經(jīng)成為我們的日常用品。但即使現(xiàn)在,電鰻依然在為科學(xué)家提供靈感。在瑞士弗里堡大學(xué),由邁克爾·邁耶(Michael Mayer )領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)就發(fā)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(zhǎng)條排列。如果想啟動(dòng)電池,你只需要把這些凝膠塊疊在一起。
與傳統(tǒng)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(jī)器人身上。而且,由于電池所用的材料可以和我們的身體相容,因此具有促進(jìn)開發(fā)下一代起搏器、假肢和醫(yī)用植入物的潛力。想象一下能發(fā)電的隱形眼鏡,或者能依靠我們體內(nèi)液體和鹽分運(yùn)行的起搏器,所有這些產(chǎn)品的靈感或許都將來(lái)自電鰻。
為了研制這種與眾不同的電池,研究團(tuán)隊(duì)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(xì)胞以長(zhǎng)條形堆疊,互相之間存在充滿液體的間隔——就像涂抹了蜂蜜或糖漿的薄餅疊起來(lái)。當(dāng)電鰻休息時(shí),每個(gè)放電體會(huì)從正面和背面泵出正離子,產(chǎn)生兩股能互相抵消的相反電壓。但是,在需要的時(shí)候,放電體的背面會(huì)翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái),開始向相反方向泵出正離子,形成貫穿整個(gè)細(xì)胞的微小電壓。關(guān)鍵在于,所有放電體可以同時(shí)翻轉(zhuǎn),它們的微小電壓加起來(lái)就能產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。這就好像電鰻的尾巴上有著數(shù)千個(gè)這樣的電池,其中一半指向“錯(cuò)誤”的方向,但電鰻可以隨時(shí)把它們調(diào)整到“正確”的方向,使它們對(duì)齊并放電。這樣的特化程度簡(jiǎn)直不可思議。
施羅德和同事們一開始想在實(shí)驗(yàn)室里仿造出整個(gè)放電器官,但他們很快意識(shí)到這么做太復(fù)雜了。之后,他們又考慮把許多膜疊起來(lái),模仿放電體的堆疊形式——但精細(xì)的膜材料很難以數(shù)以千計(jì)的量級(jí)進(jìn)行操作。如果一張膜破裂,整個(gè)電池就會(huì)失效。
最終,研究人員選擇了更為簡(jiǎn)單的方案,采用凝膠塊填充在兩塊獨(dú)立基板之間。紅色凝膠含有鹽水,而藍(lán)色凝膠含有淡水。離子原本會(huì)從紅色凝膠流向藍(lán)色凝膠,但由于基板的間隔,無(wú)法出現(xiàn)這樣的流動(dòng)。與此同時(shí),與這塊基板對(duì)應(yīng)的另一塊基板上布置了綠色和黃色凝膠,當(dāng)它們橋接在藍(lán)色和紅色凝膠之間的空隙時(shí),就能為離子運(yùn)動(dòng)提供通道。
這一設(shè)計(jì)的機(jī)智之處在于:綠色凝膠塊只允許正離子通過(guò),而黃色凝膠塊只允許負(fù)離子通過(guò)。這意味著正離子只能從一側(cè)流入藍(lán)色凝膠,負(fù)離子則只能從另一側(cè)流入。這就在藍(lán)色凝膠上產(chǎn)生了一個(gè)電壓,就像放電體一樣。而且,正如放電體“合作”放電一樣,每個(gè)凝膠塊只能產(chǎn)生微小的電壓,但數(shù)千個(gè)凝膠塊排成一排時(shí),就能產(chǎn)生高達(dá)110伏的電壓。
電鰻的放電體只有在收到來(lái)自神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)之后才會(huì)放電,但在施羅德等人的設(shè)計(jì)中,凝膠放電的觸發(fā)要簡(jiǎn)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(lái)肯定非常麻煩。為解決這一問(wèn)題,密歇根大學(xué)的工程師馬克斯·斯坦因(Max Shtein)提出了一個(gè)巧妙的方案——折紙。利用類似于太陽(yáng)能電池板折疊放入衛(wèi)星的特殊折疊方法,他設(shè)計(jì)出了能使凝膠以正確順序、正確顏色接觸的折疊平板,使研究團(tuán)隊(duì)能在小得多的空間中制造出相同的電能。電池所占的空間非常小,只有隱形眼鏡那么大,或許有一天能實(shí)現(xiàn)可穿戴的應(yīng)用。
目前這種電池還需要主動(dòng)充電。一旦激活,它們可以提供幾個(gè)小時(shí)的電能,直到不同凝膠之間的離子水平達(dá)到平衡。此時(shí)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(tài)。不過(guò),施羅德指出,我們的身體能夠不斷補(bǔ)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(lái)開發(fā)電池。
從本質(zhì)上說(shuō),這會(huì)使人類的身體變得更接近電鰻。盡管把其他人電倒的可能性很低,但利用我們體內(nèi)的離子梯度,或許可以為一些小體積的醫(yī)學(xué)植入物供電。當(dāng)然,要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。
(責(zé)任編輯:admin)