可持续的、可植入的电子产品更近了一步

鳐鱼电器官的解剖和纸凝胶电器官的设计。a) T. nobiliana 具有直径达 1 m 的扁平盘状体。一对电子器官位于射线身体的两侧。每个器官都是平行排列的横向柱，由数百到数千个串联的电细胞组成(插图，左)。b) 纸凝胶电风琴的原理。注入水凝胶的纸片以重复的四聚体序列堆叠以产生附加电位(插图，右)。红色水凝胶储存浓缩的盐溶液。绿色水凝胶选择性渗透阳离子。蓝色水凝胶含有稀盐溶液。黄色水凝胶选择性渗透阴离子。扫描电子显微镜 (SEM) 图像(插图，左)显示了单个纸凝胶的横截面。c) 串联和并联堆叠这些四聚体凝胶电池分别线性缩放电压和电流。图片来源：弗里堡大学

根据弗里堡大学阿道夫默克尔研究所生物物理学小组的最新研究，仿生电源可以在未来为可穿戴或可植入电子设备供电，甚至可以使用代谢废物。

该小组由 Michael Mayer 教授领导，专注于利用盐浓度差异(称为离子梯度)来产生电流的电池，同时也在寻求可持续的方法来产生这种差异。一种灵感来自强电鱼，它利用体内离子梯度来产生惊人的外部放电。Mayer 的团队之前曾开发出一种人造电器官，其灵感来自电鳗，该电鳗通过堆叠水凝胶内的离子梯度发电，电压超过 100 伏。然而，这个电源的电流太小，无法供电标准电子产品。对于接下来的步骤，研究人员选择大西洋鱼雷的独特形态作为灵感。这种射线是已知最强大的电鱼，可以产生超过 1 千瓦的脉冲。

他们开发了一种注入水凝胶的纸混合材料，以串联和并联的方式创建、组织和重新配置具有不同盐浓度的薄的、任意大的凝胶薄膜的堆叠。他们的研究结果发表在《先进材料》杂志上，表明与最初受鳗鱼启发的设计相比，获得的电能高出 60 倍以上，从而使运行电子设备成为可能。它还表明，使用便携式尺寸的良性和柔软材料产生大量电能的生物机制是可能的。

呼出的二氧化碳与胺溶液反应生成阳离子和阴离子。电荷选择性膜只允许正电荷向一个方向扩散，负电荷向相反方向扩散，从而产生可用于为电子设备供电的电势。图片来源：弗里堡大学

在另一项研究中，AMI BioPhysics 小组以人呼吸时呼出的二氧化碳为例，研究了可持续过程的开发，该过程可用于为仿生电池充电。正如《高级科学》杂志所揭示的那样，从呼吸中产生离子梯度的能力表明，用户可以通过被动方式为电源提供燃料。作为概念证明，研究人员开发了一种原型设备，该设备可以从呼吸产生的离子梯度中收集足够的能量，以为发光二极管等小型电子设备供电。

Mayer 解释说：“这项工作是关于将代谢废物与基于离子梯度的发电结合使用来开发可穿戴或可植入的电源，可以无限期地充电。” “这是朝着拥有永远不需要插入、被动充电、依靠离子传输而不是化学反应来实现它的电池迈出的又一步。”

技术与生物体的持续整合需要某种形式的电源，该电源具有生物相容性、灵活性并且能够从生物系统内部汲取能量。心脏起搏器、传感器、药物输送泵或假肢等植入式设备的自充电电源是一个明显的应用。在体内发电还可以消除更换手术的需要，并且还可以为可穿戴设备提供持续的电力，例如带有集成显示器的电动隐形眼镜。

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