受電鰻啟發(fā)的“軟體電池”，為下一代軟體機(jī)器人供能
EDYong日前發(fā)表了一篇名為ANewKindofSoftBattery,InspiredbytheElectricEel的文章，介紹了現(xiàn)在剛研發(fā)出來的一種模仿電鰻發(fā)電機(jī)制的軟體電池，讓人不禁感慨自然界的神奇。
1799年，庫卡機(jī)器人，意大利科學(xué)家AlessandroVolta（伏特）用鋅和銅做了一個(gè)手臂長度的電池堆，鋅和銅是用鹽浸的紙殼分開的。這個(gè)電流堆是世界上第一個(gè)合成電池，但是Volta的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)卻很古老電鰻的身體。
電鰻可以通過發(fā)電器官來自我發(fā)電，發(fā)電器官占到了其兩米長身體的80%。發(fā)電器官含有數(shù)千個(gè)特殊的肌肉細(xì)胞，名為發(fā)電細(xì)胞。每個(gè)細(xì)胞可以產(chǎn)生一個(gè)小小的電壓，但是合在一起，這些細(xì)胞可以產(chǎn)生600伏左右的電壓，足以電死一個(gè)人，甚至一匹馬。這些細(xì)胞也使Volta在電池研發(fā)中有了更多思路，也讓他享譽(yù)盛名。
兩個(gè)世紀(jì)之后的今天，電池已經(jīng)成為了不可或缺的日用品。但即使是現(xiàn)在，電鰻還在為科學(xué)家提供靈感。在弗里堡大學(xué)，由MichaelMayer帶領(lǐng)的科研隊(duì)伍創(chuàng)造了一種新的動(dòng)力源，模仿的就是電鰻的發(fā)電器官。其含有多種顏色的凝膠塊，呈長條排列，很像電鰻的發(fā)電細(xì)胞。想打開電池，只需要一起按壓這些凝膠。
與傳統(tǒng)電池不同，這個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電池又軟又靈活，可能會(huì)為下一代的軟體機(jī)器人供能。因?yàn)椴牧细N合人體，庫卡機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器維修，電池也可能用于制造下一代的起搏器、修復(fù)物質(zhì)和醫(yī)學(xué)植入物。想象一下，以后有電隱形眼鏡的靈感竟然來自于一條魚。
為了研制這種不同尋常的電池，團(tuán)隊(duì)成員TomSchroeder和AnirvanGuha在開始時(shí)閱讀了大量關(guān)于電鰻發(fā)電細(xì)胞如何運(yùn)作的資料。這些細(xì)胞以長條狀堆疊，細(xì)胞之間被液體填充。就好像把抹了蜂蜜的薄餅一層一層堆起來，堆到很高，然后把它放倒，就和這個(gè)電池很像了。
電鰻休息的時(shí)候，每個(gè)發(fā)電細(xì)胞都會(huì)把陽離子從背面和正面泵出去，產(chǎn)生兩個(gè)相反的電壓，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)翻過來，向相反的方向泵出陽離子，就會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)電壓。關(guān)鍵的是，每個(gè)發(fā)電細(xì)胞都會(huì)同時(shí)完成這個(gè)操作，所以加起來的電壓是十分高的。就好像電鰻的尾巴里有幾千個(gè)小電池，其中有一半的方向是反的，但是它們可以同時(shí)翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電壓。這簡(jiǎn)直太神奇了，Schroeder說。
他和同事本來想在實(shí)驗(yàn)室里重塑整個(gè)發(fā)電器官，但是很快就意識(shí)到那太復(fù)雜了。之后，他們想到可以制造大量的細(xì)胞膜來模仿發(fā)電細(xì)胞堆，但是這些材料無法大量操作，因?yàn)槿绻粋�(gè)破了，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停擺。Schroeder說：這樣會(huì)遇到‘串聯(lián)小燈泡’的問題，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)單的一種裝配方式，在兩片板材上排列放置凝膠塊。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)，離子就有了移動(dòng)的通道。
厲害的地方來了：綠色凝膠塊只允許陽離子通過，黃色的只允許陰離子通過。也就是說陽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)色凝膠周圍就會(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)開始放電。但是Schroeder的電池開關(guān)就簡(jiǎn)單很多了，只要把凝膠積壓在一起就可以。
承載凝膠的板材過大會(huì)很不方便。但是密歇根大學(xué)的工程師MaxShtein提出了一個(gè)聰明的解決辦法折紙。用把太陽能板放進(jìn)衛(wèi)星的折疊方式來折疊凝膠板，然后把每個(gè)顏色的順序排好，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，說不定哪天真的可以佩戴到身上。
但對(duì)現(xiàn)在來說，這種電池必須要具備充電功能。電池一旦激活，可以供電幾小時(shí)，之后整個(gè)凝膠中的離子會(huì)趨于平衡，電池也就沒電了。之后你需要把電池通上電，讓凝膠回到高鹽度和低鹽度排列的狀態(tài)。但Schroeder指出我們的身體會(huì)持續(xù)地補(bǔ)充離子含量不同的液體，或許有朝一日我們可以利用這些液體來制造電池。
重要的是，這會(huì)讓人體變得像電鰻一樣。我們不太可能會(huì)電死其他人，但是我們可以利用體內(nèi)的離子原料為小的植入物供能。當(dāng)然，Schroeder還說這只是一個(gè)初步的設(shè)想，KUKA機(jī)器人示教器維修，并沒有一個(gè)實(shí)際的計(jì)劃。他說：很多東西因?yàn)楹芏嘣驘o法實(shí)現(xiàn)，所以我也不想抱有太大的期望。
范德堡大學(xué)的KenCatania花了很多年來研究電鰻的生物學(xué)原理，他認(rèn)為這個(gè)設(shè)想也不是不合理。Volta的電池不僅僅可以裝進(jìn)手機(jī)里，你看現(xiàn)在，我們都已經(jīng)離不開電池了，他說。歷史可能會(huì)再現(xiàn)。
他補(bǔ)充道：我很驚訝電鰻能為科學(xué)屆帶來這么多貢獻(xiàn)，這對(duì)基本的科學(xué)價(jià)值觀來說，是一個(gè)很好的范例。Schroeder只在動(dòng)物園里見過電鰻，但他想有一天去親自看看電鰻。我從來沒被電鰻電過，但我覺得我應(yīng)該被電一下試試，他說。