3D打印的电鳗器官可以供电

天津大格

几千年来，被广泛称为电鳗的刀鱼电触头（electrophorus electricus）能够通过一种可产生高达600V和100W功率的复杂电子系统来捕获猎物。科学家们直到现在才开始研究这种生物动力电源，利用它来开发潜在的广泛应用，从起搏器到机器人。


近日，由弗里堡大学阿道夫•默克尔研究所，加利福尼亚大学圣地亚哥分校和密歇根大学的研究人员共同合作研发出一种人工电鳗器官，这是由水基聚合物共混物制成的柔软、柔韧的电池状装置，被称为水凝胶(hydrogels)。


研究团队是从常见的电鳗中获得灵感，在实验室中用3D打印机有效地进行逆向工程。密歇根大学材料科学与工程学副教授，该研究项目的参与者Max Shtein解释说：“鳗鱼瞬间极化和去偏化成千上万的细胞以释放这些高电压，从工程的角度来看，这是一个有趣的系统，它的性能指标，基本的构建模块以及如何使用它们。”

电鳗动力的基本机制围绕着一种叫做跨膜运输的现象。本质上，电极细胞并排构成了鳗鱼体内的电子器官。当鳗鱼猎食时，这些细胞内及其周围带正电荷的钠离子和钾离子涌向鳗鱼的头部，导致电细胞前部呈阳性反应，尾端负电荷。结果是大约150毫伏的电压流过每个细胞。这些电子细胞电压加在一起从而功率变大，就像AAA电池供电手电筒一样。


在电鳗中，这些电子细胞可以产生数百伏的电压，包括科学家正在试图重现的电力。研究人员没有使用钠和钾，而是建立了一种类似的钠盐和氯化物体系，即普通食盐中发现的天然组合物，然后溶解在水基水凝胶中。该研究团队使用了阿道夫·默克研究所最先进的3D生物打印机，在塑料薄片上制作了数千个微小的小水滴，压在第二张薄片上，上面的水凝胶液滴由纯净水组成。这种交替的液滴模式与在鳗鱼中发现的电细胞间隔非常相似，产生令人印象深刻的电输出。与此同时，612个人工鳗鱼细胞可以产生110伏的电能——相当于一个家用插座的功率。

当然，科学家们在实验室里做的东西并没有达到数百万年自然演化的复杂有机体系的效率，至少现在还没有。梅克尔研究所生物物理学教授迈克尔·迈耶（Michael Mayer）表示，鳗鱼的电子器官极其复杂，目前，他的团队的水凝胶系统只能激发非常低功耗的仪器，他们最接近供电的设备可能是一个起搏器。然而，通过调整他们的研究和3D打印更薄的凝胶，这些能源的潜力无法想象。