兩百多年前，意大利物理學(xué)家伏特從電鰻身體結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，發(fā)明了最早的電池——伏打電池。如今，人類在研究出電鰻放電的原理后，又研發(fā)出了“軟體電池”。這種“軟體電池”又軟又靈活，有可能應(yīng)用于下一代的軟體機(jī)器人和起搏器中。

 

 

這種新型“軟體電池”由瑞士弗里堡大學(xué)和美國(guó)密歇根大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)共同研制。相關(guān)的研究論文已于12月13日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（

 

nature

 

）上發(fā)表。

 

 

此前的科學(xué)研究已發(fā)現(xiàn)，電鰻可以通過(guò)發(fā)電器官來(lái)發(fā)電，其發(fā)電器官占到了其兩米長(zhǎng)身體的80%。電鰻尾部?jī)蓚?cè)的肌肉由規(guī)則排列著的6000-10000枚肌肉薄片組成，薄片之間有結(jié)締組織相隔，并由許多神經(jīng)直通中樞神經(jīng)系統(tǒng)。其頭部是正極，尾部是負(fù)極，每枚肌肉薄片像一個(gè)小電池，可產(chǎn)生約150毫伏的電壓。但近萬(wàn)個(gè)“小電池”串聯(lián)起來(lái)，放電時(shí)的電壓可高達(dá)600-800伏，足以電死一個(gè)人，甚至一匹馬。

 

 

弗里堡大學(xué)阿道夫梅克爾研究所(Adolphe Merkle Institute)的教授邁克爾·梅爾（Michael Mayer）團(tuán)隊(duì)模仿的就是電鰻的發(fā)電器官。其含有多種顏色的凝膠塊，呈長(zhǎng)條排列，很像電鰻的發(fā)電細(xì)胞。想打開(kāi)電池，只需要一起按壓這些凝膠。與傳統(tǒng)電池不同，這種電池又軟又靈活，有可能會(huì)應(yīng)用于下一代的軟體機(jī)器人。因材料更貼合人體，這種電池也有望用于制造下一代的起搏器等。

 

 

為了研制這種不同尋常的電池，該研究團(tuán)隊(duì)成員托馬斯·施羅德（Thomas B. H. Schroeder）和Anirvan Guha開(kāi)始大量閱讀有關(guān)電鰻的放電原理。這些細(xì)胞以長(zhǎng)條狀堆疊，細(xì)胞間填充著液體。就好比是涂抹了蜂蜜或糖漿的薄餅，再將其放倒。

 

 

 

 

 

 

當(dāng)電鰻處于休息狀態(tài)時(shí)，每個(gè)發(fā)電細(xì)胞都會(huì)把陽(yáng)離子從背面和正面轉(zhuǎn)運(yùn)出去，產(chǎn)生兩個(gè)相反的電流，進(jìn)而互相抵消。但電鰻需要電的時(shí)候，發(fā)電細(xì)胞的背面就會(huì)翻過(guò)來(lái)，向相反的方向轉(zhuǎn)運(yùn)相互陽(yáng)離子，就會(huì)產(chǎn)生電壓。關(guān)鍵的是，每個(gè)發(fā)電細(xì)胞都同時(shí)完成這個(gè)操作時(shí)，加起來(lái)的電壓是十分高的。這就好比是電鰻的尾巴里有幾千個(gè)小電池，其中有一半的方向是相反的，但它們可以翻轉(zhuǎn)使其全部一致，產(chǎn)生電壓。“這種專業(yè)程度簡(jiǎn)直是太神奇了，” 施羅德說(shuō)。

 

 

所以，施羅德和其同事首先想到的就是在實(shí)驗(yàn)室里重塑類似的發(fā)電器官，但他們很快意識(shí)到這太復(fù)雜了。隨后，他們想到可以制造大量的細(xì)胞膜來(lái)模仿發(fā)電細(xì)胞堆，但是這些材料無(wú)法大量操作，因?yàn)槿绻粋€(gè)破了，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉。施羅德說(shuō)：“這樣會(huì)遇到圣誕燈串的問(wèn)題，即一個(gè)燈泡壞了，一串燈泡都不亮了。”

 

 

最后，他和Guha選了更簡(jiǎn)單的一個(gè)裝置，這就涉及到在兩片單獨(dú)的板上排列放置凝膠塊。請(qǐng)看下圖中的底板，紅色凝膠含有鹽水，藍(lán)色的含有淡水，離子可以從紅色凝膠流到藍(lán)色凝膠，但是由于凝膠是分散的，所以離子并不能流動(dòng)。當(dāng)另一塊板材上的綠色和黃色凝膠橋連上紅藍(lán)凝膠之間的縫隙時(shí)，就為離子提供了可以通過(guò)的通道。

 

 

 

 

值得注意的是，這里有個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的地方：綠色凝膠塊只允許陽(yáng)離子通過(guò)，黃色的只允許陰離子通過(guò)。也就是說(shuō)陽(yáng)離子只能從一邊流入藍(lán)色凝膠，陰離子則從另一邊流入，藍(lán)色凝膠周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生電壓，就像發(fā)電細(xì)胞一樣，而且每個(gè)凝膠塊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電壓，但是數(shù)以千計(jì)的凝膠塊成行排列，最高可產(chǎn)生110伏的電壓。

 

 

在電鰻神經(jīng)元發(fā)出信號(hào)后，電鰻的發(fā)電細(xì)胞就會(huì)開(kāi)始放電。在施羅德設(shè)計(jì)的凝膠中，觸發(fā)器就簡(jiǎn)單很多，只要把凝膠壓在一起就可以。

 

 

不過(guò)，承載凝膠的板材如果過(guò)大會(huì)很麻煩。但是密歇根大學(xué)的工程師Max Shtein提出了一個(gè)巧妙的解決方案——折紙。類似于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板可折疊一樣，他用一種特殊的折疊方式將板材折疊來(lái)折疊，使正確的顏色的以正確的順序接觸。這樣整個(gè)電池所占的空間就會(huì)小很多，大小只有隱形眼鏡那么大，或許某天可以戴到身上。

 

 

但對(duì)現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，這種電池必須要具備充電功能。因?yàn)殡姵匾坏┘せ睿晒╇妿仔r(shí)，之后整個(gè)凝膠中的離子會(huì)趨于平衡，電池也就沒(méi)電了。這時(shí)需要把電池通上電，讓凝膠回到高鹽度和低鹽度排列的狀態(tài)。施羅德稱，身體會(huì)持續(xù)地補(bǔ)充離子含量不同的液體。他想象或許有朝一日可以利用這些液體來(lái)制造電池。

 

 

美國(guó)范德堡大學(xué)的Ken Catania花了很多年來(lái)研究電鰻的生物學(xué)原理。他表示：“我很驚訝電鰻能為科學(xué)界帶來(lái)這么多貢獻(xiàn)，這對(duì)基本的科學(xué)價(jià)值觀來(lái)說(shuō)，是一個(gè)很好的范例。”