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全球首個人造「發電器官」問世,能產生與電鰻相仿的電壓


- 2018年7月25日10時26分
- 科學文摘 / DeepTech深科技

DeepTech深科技

一直以來,自然都是人類偉大的老師,生物從亘古走來經歷了滄桑的變化,進化得比任何人類機械更為精良高效。而人類像咿呀學語的孩童不停的從自然中汲取靈感,收穫並成長。

而今,科學家們從電鰻的自身發電中找到靈感,模擬其發電細胞發明了世界上首個「發電器官」,這種靈活的「超級電源」不需要在體內安裝傳統的電池組,非硬質且不需要插入接通,未來很可能在軟體機器人、植入物(如心臟起搏器)及可穿戴設備上發揮巨大的潛能。

研究人員們使用了耐用且易於使用的部件,以及自動化和可擴展的製造工藝來打造這種具有潛在生物相容性的人造「電器官」,它可以產生超過 100V 的電位差。


全球首個人造「發電器官」問世,能產生與電鰻相仿的電壓圖片

該項研究由 Adolphe Merkele 研究所、瑞士弗里堡大學(University of Fribourg)及密西根大學(University of Michigan)的研究人員共同完成,相關研究的細節發表在 12 月 13 日的《自然》雜誌上。

那麼,電鰻這種科普讀物及水族館中的明星生物,究竟是如何引起了研究人員的興趣呢?

電鰻(拉丁學名 Electrophorus electricus),裸背電鰻科的鰻形南美魚類,主要分布於南美洲的亞馬遜河流域及蓋亞那河流域,是一種以能短暫強力放電而聞名的淡水魚類,其輸出電壓可達 300-800 伏,足以擊死一頭大型牲畜。

全球首個人造「發電器官」問世,能產生與電鰻相仿的電壓圖片

電鰻這種神奇的自體發電效果激發了研究人員的靈感。於是,他們根據電鰻發電系統的三種特徵功能進行人造發電器官的設計。


首先就是要模擬出電鰻的發電系統的第一個特性,也是其最基本要素:發電細胞。正是那些位於鰻魚身體後部平行堆疊生長的發電細胞,實現數千個串聯的離子梯度。這些數以千計的發電細胞之間有結締組織相隔,並有許多神經直通中樞神經系統。電細胞的前膜和後膜作為隔離膜,具有離子選擇性,因此能使得跨膜的跨細胞電位累加。

通俗地來說,在電鰻的身體中,每一個發電細胞就像一個小電池一樣(每個發電細胞電壓約為 0.15 伏),許許多多這樣的小電池(發電細胞)堆疊在一起,串聯成為一個電池組,在電鰻的頭尾之間形成高壓(頭部正極、尾部負極),進而在體外形成足夠大的電流來攻擊天敵或獵物。

全球首個人造「發電器官」問世,能產生與電鰻相仿的電壓圖片

圖丨該圖顯示了靜息電極和放電電極是如何產生電位差和放電的:在靜息狀態下,前後膜電位相互抵消,而與之相反,在脈衝期間,後膜去極化將會產生約 150mV 的總跨細胞電位。大的電鰻體內堆疊著(串聯著)數千個這樣的電極對,可因此產生超過 600V 的電勢差。多個並聯布局的堆疊電極能使得峰值電流在短路情況下接近 1A。

為了製造出類似的發電細胞,研究人員用 4

種水凝膠作為主要原料,來模擬電鰻發電細胞的解剖結構:鹽濃度高的水凝膠、陽離子選擇凝膠、鹽濃度低的水凝膠和陰離子選擇凝膠。這四種水凝膠組合物形成「四聚體凝膠細胞」,依次構成離子導電通路,從而建立橫跨數十至數千個選擇性滲透隔室的電解質溶液梯度,形成類似於電鰻發電細胞堆疊的效果。

而在具體的製作過程中,他們使用 3D 印表機將 4 種水凝膠按照一定的順序沉積到不同的塑料基材上,隨後使用紫外光將液滴固化,轉化為凝膠。

圖丨「四聚體凝膠細胞」:研究人員將高鹽度和低鹽度交替的凝膠(紅色和藍色)列印在下層基材上,將陽離子選擇性和陰離子選擇性交替的凝膠(綠色和黃色)列印在上層基材上,兩片基材將像拉鏈一樣相互咬合,每個四聚體成為一個離子導電單位(每個約為 0.13-0.185 的壓差),疊加成為具有 612 個四聚體「凝膠發電細胞」的導電通路,最高可產生 110

伏的電壓

而基於反向電滲析原理,這些「四聚體凝膠細胞」中的每一個細胞在開路時將產生 130~185mV 的壓差,該數值與單個電鰻發電細胞能產生的電壓值相差無己。研究數據表明,2449 個串聯堆積的凝膠細胞產生的電位差,線性增加到 110V。

圖丨 2449 個串聯堆積的凝膠細胞產生的電位差,線性增加到 110V

有了基本的組成「細胞」,研究人員們還要在這些「細胞」中構建起相應的發電機制,這就涉及到電鰻發電器官的第二個特性:確保沿著整個器官(可能超過 1

米長)的電刺激能同時激發。

在電鰻體內,由於神經信號在放電持續時間內(2mS 左右)的傳播速度不足以激活所有的發電細胞,所以,對於神經衝動能夠最快到達的器官部位(這些器官部位往往也最接近神經指揮中心),電鰻的發電系統會通過減緩神經衝動的速度來保持信號的同步傳遞。

人造發電器官也需要同時激活這些凝膠細胞才能避免能量耗散。在這一點上,他們使用可編程的流體分配器按順序生成並定位一系列凝膠細胞,一旦凝膠細胞有了編號,就可以保證系統可以按編號同時激發或者順序激發的。

圖丨含 41 個凝膠細胞的人造發電器官

在這種配置下,他們製備了含 41 個凝膠細胞的人造發電器官,並且證明了三個並聯的凝膠柱能傳遞三倍的電流和功率。也就是說,自動化的流體裝配方式使得人造發電器官的製造成為可能,電流和功率在此情況下也與凝膠柱的數量成正比,類似於電鰻體內的平行電極柱。


電鰻發電系統的第三個特性是,維持和再生電細胞內外之間鈉離子和鉀離子較大的離子濃度差。對於電鰻本身來說,這種濃度差不僅是細胞產生電活動的基礎,也是體內物質轉運過程中的重要條件。我們都知道,細胞的主動運輸依賴於 ATP

提供能量,而整個過程其實是靠鈉離子/鉀離子、ATP 酶蛋白通過抵消被動擴散和放電後重建濃度梯度來完成的。因此,如果這種人造發電器官要用到生物體上,就不得不同樣具備保持這種濃度差的能力。

這種能力如何實現呢?答案是,研究人員則通過在啟動前確保每一個水凝膠之間的物理分離來保持離子梯度,這一設計不需要消耗能量。

圖 | 電鰻的發電原理

那麼,這種人造發電器官真的能和鰻魚相娉美了嗎?作為此次研究團隊中的一員,弗里堡大學的生物物理學家 Michael Mayer 承認:「事實上,目前人工發電器官並不如電鰻的電細胞高效。」

他認為,現在的人造發電器官只能為一些低耗能設備,如心臟起搏器供電。未來該聯合團隊希望通過減小凝膠厚度、降低電阻等方式提高該系統的發電效率。

同樣不成熟的還有發電器官的充電問題,這個人造發電器官現階段仍需要外部充電。研究人員不得不外接設備來使離子回到初始點位,即通過向兩端電極施加電流的方式進行充電(其充電的速度沒有放電快),而電鰻卻可以通過自身能量代謝以保持細胞間的離子濃度梯度進而產生放電行為。

團隊合作者之一,來自密西根大學的化學工程師 Thomas Schroeder 也希望對鰻魚這種高效的方式進行更深入的模仿,「以體液為媒介、自行充放電的人工電器官將指日可待。」

但即使再小的應用範疇對某些患者或家屬來說也是一件幸事,就心臟起搏器的電池更換而言,這一類手術的危險性再小,對患者和家屬來說也是一種無法擺脫的折磨。

隨著機械設備與生物技術的不斷融合,這種具有潛在生物相容性、機械順從性且生態無害的能量源,實在是「一種明智的(跨界)聯通方法」,儘管並沒有參與這項研究,來自美國路易斯安那州立大學(Louisiana State University)的工程師 Jian Xu

對此十分看好,並認為「未來商業化前景必然十分廣闊。」

「這是一項超越常規思維的絕妙發明」,Markus Buehler,這位來自麻省理工學院的材料學家及工程師評價到,「我期待在不遠的將來看到這項技術驚人的發展和應用。」


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