不久前，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 “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、植入式传感器甚至人造器官）及可穿戴设备上发挥巨大的潜能。
能产生超V电位差
该项研究由AdolpheMerkele研究所、瑞士弗里堡大学及密歇根大学的研究人员共同完成，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V的电位差。相关研究细节发表在去年12月13日的《自然》杂志上。
电鳗（拉丁学名Electrophoruselectricus）是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-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，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。
首先要模拟出电鳗发电系统的 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。
通俗地说，在电鳗的身体中，每一个发电细胞就像一个小电池（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。
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。
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~mV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，个串联堆积的凝胶细胞产生的电位差，线性增加到V。这些凝胶在很小的空间内就可以产生电压——像隐形眼镜那样小的空间就可以。
人造发电器官有待改进
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，研究者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。
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。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。因此，如果这种人造发电器官要用到生物体上，就得同样具备保持这种浓度差的能力。
这种能力如何实现呢？研究人员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。
那么，这种人造发电器官真的能和鳗鱼相媲美吗？参与了此次研究团队中的弗里堡大学生物物理学家MichaelMayer承认，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。充一次，供电时间可达几个小时。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。研究团队表示，人体内本来就有不同离子水平的液体储存，有朝一日或许能够利用它们来给这种电池充电。
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