一直以来，自然都是人类伟大的老师，生物从亘古走来经历了沧桑的变化，进化得比任何人类机械更为精良高效。而人类像咿呀学语的孩童不停的从自然中汲取灵感，收获并成长。
而今，科学家们从电鳗的自身发电中找到灵感，模拟其发电细胞发明了世界上首个“发电器官”，这种灵活的“超级电源”不需要在体内安装传统的电池组，非硬质且不需要插入接通，未来很可能在软体机器人、植入物（如心脏起搏器）及可穿戴设备上发挥巨大的潜能。
研究人员们使用了耐用且易于使用的部件，以及自动化和可扩展的制造工艺来打造这种具有潜在生物相容性的人造“电器官”，它可以产生超过 100V 的电位差。
该项研究由 Adolphe Merkele 研究所、瑞士弗里堡大学（University of Fribourg）及密歇根大学（University of Michigan）的研究人员共同完成，相关研究的细节发表在 12 月 13 日的《自然》杂志上。
那么，电鳗这种科普读物及水族馆中的明星生物，究竟是如何引起了研究人员的兴趣呢？
电鳗（拉丁学名 Electrophorus electricus），裸背电鳗科的鳗形南美鱼类，主要分布于南美洲的亚马逊河流域及圭亚那河流域，是一种以能短暂强力放电而闻名的淡水鱼类，其输出电压可达 300-800 伏，足以击死一头大型牲畜。
电鳗这种神奇的自体发电效果激发了研究人员的灵感。于是，他们根据电鳗发电系统的三种特征功能进行人造发电器官的设计。
首先就是要模拟出电鳗的发电系统的第一个特性，也是其最基本要素：发电细胞。正是那些位于鳗鱼身体后部平行堆叠生长的发电细胞，实现数千个串联的离子梯度。这些数以千计的发电细胞之间有结缔组织相隔，并有许多神经直通中枢神经系统。电细胞的前膜和后膜作为隔离膜，具有离子选择性，因此能使得跨膜的跨细胞电位累加。
通俗地来说，在电鳗的身体中，每一个发电细胞就像一个小电池一样（每个发电细胞电压约为 0.15 伏），许许多多这样的小电池（发电细胞）堆叠在一起，串联成为一个电池组，在电鳗的头尾之间形成高压（头部正极、尾部负极），进而在体外形成足够大的电流来攻击天敌或猎物。
图丨该图显示了静息电极和放电电极是如何产生电位差和放电的：在静息状态下，前后膜电位相互抵消，而与之相反，在脉冲期间，后膜去极化将会产生约 150mV 的总跨细胞电位。大的电鳗体内堆叠着（串联着）数千个这样的电极对，可因此产生超过 600V 的电势差。多个并联布局的堆叠电极能使得峰值电流在短路情况下接近 1A。
为了制造出类似的发电细胞，研究人员用 4 种水凝胶作为主要原料，来模拟电鳗发电细胞的解剖结构：盐浓度高的水凝胶、阳离子选择凝胶、盐浓度低的水凝胶和阴离子选择凝胶。这四种水凝胶组合物形成“四聚体凝胶细胞”，依次构成离子导电通路，从而建立横跨数十至数千个选择性渗透隔室的电解质溶液梯度，形成类似于电鳗发电细胞堆叠的效果。
而在具体的制作过程中，他们使用 3D 打印机将 4 种水凝胶按照一定的顺序沉积到不同的塑料基材上，随后使用紫外光将液滴固化，转化为凝胶。
图丨“四聚体凝胶细胞”：研究人员将高盐度和低盐度交替的凝胶（红色和蓝色）打印在下层基材上，将阳离子选择性和阴离子选择性交替的凝胶（绿色和黄色）打印在上层基材上，两片基材将像拉链一样相互咬合，每个四聚体成为一个离子导电单位（每个约为 0.13-0.185 的压差），叠加成为具有 612 个四聚体“凝胶发电细胞”的导电通路，最高可产生 110 伏的电压
而基于反向电渗析原理，这些“四聚体凝胶细胞”中的每一个细胞在开路时将产生 130~185mV 的压差，该数值与单个电鳗发电细胞能产生的电压值相差无己。研究数据表明，2449 个串联堆积的凝胶细胞产生的电位差，线性增加到 110V。
图丨 2449 个串联堆积的凝胶细胞产生的电位差，线性增加到 110V
有了基本的组成“细胞”，研究人员们还要在这些“细胞”中构建起相应的发电机制，这就涉及到电鳗发电器官的第二个特性：确保沿着整个器官（可能超过 1 米长）的电刺激能同时激发。
在电鳗体内，由于神经信号在放电持续时间内（2mS 左右）的传播速度不足以激活所有的发电细胞，所以，对于神经冲动能够最快到达的器官部位（这些器官部位往往也最接近神经指挥中心），电鳗的发电系统会通过减缓神经冲动的速度来保持信号的同步传递。
人造发电器官也需要同时激活这些凝胶细胞才能避免能量耗散。在这一点上，他们使用可编程的流体分配器按顺序生成并定位一系列凝胶细胞，一旦凝胶细胞有了编号，就可以保证系统可以按编号同时激发或者顺序激发的。
图丨含 41 个凝胶细胞的人造发电器官
在这种配置下，他们制备了含 41 个凝胶细胞的人造发电器官，并且证明了三个并联的凝胶柱能传递三倍的电流和功率。也就是说，自动化的流体装配方式使得人造发电器官的制造成为可能，电流和功率在此情况下也与凝胶柱的数量成正比，类似于电鳗体内的平行电极柱。
电鳗发电系统的第三个特性是，维持和再生电细胞内外之间钠离子和钾离子较大的离子浓度差。对于电鳗本身来说，这种浓度差不仅是细胞产生电活动的基础，也是体内物质转运过程中的重要条件。我们都知道，细胞的主动运输依赖于 ATP 提供能量，而整个过程其实是靠钠离子/钾离子、ATP 酶蛋白通过抵消被动扩散和放电后重建浓度梯度来完成的。因此，如果这种人造发电器官要用到生物体上，就不得不同样具备保持这种浓度差的能力。
这种能力如何实现呢？答案是，研究人员则通过在启动前确保每一个水凝胶之间的物理分离来保持离子梯度，这一设计不需要消耗能量。
图 | 电鳗的发电原理
那么，这种人造发电器官真的能和鳗鱼相娉美了吗？作为此次研究团队中的一员，弗里堡大学的生物物理学家 Michael Mayer 承认：“事实上，目前人工发电器官并不如电鳗的电细胞高效。”
他认为，现在的人造发电器官只能为一些低耗能设备，如心脏起搏器供电。未来该联合团队希望通过减小凝胶厚度、降低电阻等方式提高该系统的发电效率。
同样不成熟的还有发电器官的充电问题，这个人造发电器官现阶段仍需要外部充电。研究人员不得不外接设备来使离子回到初始点位，即通过向两端电极施加电流的方式进行充电（其充电的速度没有放电快），而电鳗却可以通过自身能量代谢以保持细胞间的离子浓度梯度进而产生放电行为。
团队合作者之一，来自密歇根大学的化学工程师 Thomas Schroeder 也希望对鳗鱼这种高效的方式进行更深入的模仿，“以体液为媒介、自行充放电的人工电器官将指日可待。”
但即使再小的应用范畴对某些患者或家属来说也是一件幸事，就心脏起搏器的电池更换而言，这一类手术的危险性再小，对患者和家属来说也是一种无法摆脱的折磨。
随着机械设备与生物技术的不断融合，这种具有潜在生物相容性、机械顺从性且生态无害的能量源，实在是“一种明智的（跨界）联通方法”，尽管并没有参与这项研究，来自美国路易斯安那州立大学（Louisiana State University）的工程师 Jian Xu 对此十分看好，并认为“未来商业化前景必然十分广阔。”
“这是一项超越常规思维的绝妙发明”，Markus Buehler，这位来自麻省理工学院的材料学家及工程师评价到，“我期待在不远的将来看到这项技术惊人的发展和应用。”
-End-
校审：黄珊
参考
https://www.nature.com/articles/nature24670
https://www.nature.com/articles/d41586-017-08617-3
https://www.sciencenews.org/article/electric-eels-provide-zap-inspiration-new-kind-power-source
发表于 2018-1-6 16:22
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