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软电池可以运行明天的植入式电池

导读: 受电鳗的启发,灵活,透明的电子设备可以为植入式健康监视器和药物分配器,增强现实隐形眼镜和无数其他应用提供适合身体的电源。软细胞由水...

受电鳗的启发,灵活,透明的电子设备可以为植入式健康监视器和药物分配器,增强现实隐形眼镜和无数其他应用提供适合身体的电源。

软细胞由水凝胶和盐制成,它们形成第一个潜在的生物相容的人造电子器官,产生超过100伏特。它在高电压但低电流下产生稳定的电流嗡嗡声,有点像极低体积但高压的水射流。它可能足以为像心脏起搏器这样的小型医疗设备供电。

虽然这项技术是初步的,但瑞士弗里堡大学Adolphe Merkle研究所的生物物理学教授迈克尔梅耶和相应的作者在一篇关于该设备的论文中认为,有朝一日它可能对于植入式或可穿戴设备的供电有用。电池附带的毒性,大量或频繁充电。在未来的道路上,它甚至可能导致生物电系统从身体内部自然发生的过程中发电。

该装置不能对电鳗保持蜡烛,电鳗可以在短时间内输出更多的能量来消灭猎物或保护自己。但研究人员表示,他们迈出了重要的第一步,推动了对软电源的基本理解。该团队包括密歇根大学的研究人员,弗里堡大学的Adolphe Merkle研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究人员。这项工作详见12月14日出版的“ 自然”杂志上发表的一项研究。

Schroeder

“鳗鱼瞬间对数千个细胞进行极化和去极化以消除这些高电压,”该研究的共同作者,材料科学与工程副教授Max Shtein说。“从工程角度来看,这是一个引人入胜的系统 - 它的性能指标,基本构建模块以及如何使用它们。”

鳗鱼成功的一个秘诀是称为跨膜转运的现象。专门的电子器官包含数千个交替的隔室,每个隔室都含有过量的钾离子或钠离子。隔室由选择性膜隔开,在鳗鱼的静止状态下,保持两个离子分离。当鳗鱼需要产生电流时,膜允许离子一起流动。这造成了一股力量。

研究人员建立了一个类似的系统,但他们使用钠和氯化物代替钠和钾,这些钠和氯化物天然地结合在普通的食盐中,溶解在水基水凝胶中。他们在Adolphe Merkle研究所使用专门的打印机,在塑料薄片上印刷了数千个微小的咸水滴,并用纯水的水凝胶液滴交替。交替的液滴类似于鳗鱼的隔室。

接下来,该团队需要模仿鳗鱼的选择性膜,使隔室保持分离。他们使用第二片交替的液滴,这一滴由电荷选择性水凝胶制成。每个液滴允许带正电的钠或带负电的氯化物通过,不包括另一个。

为了产生电力,将两个片材压在一起,将盐水和淡水液滴串联连接在电荷选择性液滴上。当咸和新鲜溶液混合时,电荷选择性液滴使钠离子和氯离子沿相反方向移动,产生电流。

研究人员从鳗鱼身上采取了最后一招:它的数千个隔间可以瞬间改变离子,在需要时产生协调的震动。研究人员需要与他们的数千个交替细胞做类似的事情,同时以完全正确的顺序将它们组合在一起。

Shtein和Adolphe Merkle研究所的研究生Anirvan Guha以及密歇根大学的Thomas Schroeder和Aaron Lamoureux用一种称为Miura折叠的折纸技术解决了这个问题。由日本天体物理学家发明的Miura折叠通常用于在发射时将太阳能电池板折叠成卫星,然后在太空中将它们拆开成大片。

他们反过来使用了这个想法,将所有四种液滴类型以精确的图案交替放置在以Miura图案激光刻划的平板上。当施加压力时,片材快速折叠在一起,将细胞堆叠在恰当的位置。

这些照片描绘了我们使用折纸折叠将一叠凝胶薄膜与相对较高的接触面积结合在一起的方法。这种Miura-ori折叠最初是为了在太空中展开太阳能电池板而开发的,采用80⁰角度,可以对基板进行2D压缩,使所有圆柱形凝胶盘成为一条接触线。我们展示折叠前的平面基板,折叠过程,最后是完全折叠的基板,所有凝胶都接触。这里显示的图像描绘了具有6个四聚体凝胶细胞的基质。图片来源:Thomas Schroeder

“鳗鱼中的电子器官非常复杂;它们在发电方面要比我们好得多,”梅耶说。“但对我们来说重要的是要复制正在发生的事情的基础知识。”

该团队正在努力提高设备的效率。


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