今天我们将深入了解一种受电鳗启发的软质电源文章——《An Electric Eel-Inspired Soft Power Source from Stacked Hydrogels》发表于《Nature》。在科技与生物融合的探索之路上，电源的创新至关重要。传统电池难以满足生物体内应用的需求。电鳗的发电器官却展现出独特优势，它在生物体内高效运作，激发了科学家的灵感。它是如何借鉴电鳗的原理构建的？在性能和应用上又有哪些突破？让我们一同揭开它的神秘面纱。
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言
在技术与生物体集成的进程中，我们需要一种特殊的电源。这种电源要具有生物相容性，能很好地适应生物体的环境，还要能够利用生物体内的化学能。传统电池往往无法满足这些要求，而电鳗的发电器官却给了我们很好的启示。电鳗的发电器官能够在生物体内的约束条件下工作，并且具有令人瞩目的功率特性，比如能产生600V的峰值电位差和1A的电流。今天我们要讲的就是一种受电鳗启发的软质电源。
二、电鳗发电器官的原理
电鳗的发电器官有几个关键的特点：
离子梯度排列：电鳗通过将成千上万个电细胞（electrocytes）以特定方式排列来产生电能。这些电细胞又长又细，它们平行堆叠在电鳗身体后部约80%的区域，就像一层层的电池单元。每个电细胞的前后膜对不同离子具有选择性，当电细胞处于静息状态时，前后膜电位相互抵消；而在冲动时，后膜去极化，产生约150mV的总跨细胞电位。当大量电细胞串联时，就能产生很高的电位差，比如大型电鳗可以通过串联数千个电细胞产生超过600V的电位差，同时通过多个堆叠的并联还能实现接近1A的短路峰值电流。
同步兴奋机制：由于神经信号传播速度的限制，电鳗进化出了一种特殊机制来确保电细胞沿整个约1m长的器官同时兴奋。它能减缓神经冲动到达器官各部分的速度，从而实现同步信号传递。
离子梯度维护：电鳗的电细胞还能维持和再生细胞内外的钠离子（Na⁺）和钾离子（K⁺）的大梯度。这是通过依赖ATP的钠钾ATP酶蛋白的主动运输来实现的，它可以抵消被动扩散并在放电后重建离子梯度。
三、人工电器官的构建
（一）材料与结构
为了模拟电鳗的发电器官，我们使用了四种水凝胶成分来构建人工电器官。这四种水凝胶分别模拟电细胞的不同部分：
一种高盐度水凝胶、一种阳离子选择性凝胶、一种低盐度凝胶和一种阴离子选择性凝胶。当这些凝胶按照特定顺序形成重复单元时，就像电细胞的排列一样，它们能够在接触激活时形成离子导电通路，在数十到数千个选择性渗透的水凝胶隔室之间建立电解质梯度。每个这样的“四聚体凝胶单元”在开路时能够产生130-185mV的电位，这与单个电细胞产生的电位相当。
（二）激活方式
1.流体驱动组装
我们利用可编程流体分配器自动生成并依次定位一系列凝胶。例如，我们可以制备最多41个凝胶的人工电器官。当三个凝胶柱并联时，能够提供预期的三倍电流和功率。这种流体组装方式使得可以并行填充设备，形成电流和功率随凝胶柱数量增加而增加的人工器官，就像电鳗的电细胞列一样。而且，如果利用先进的微流体技术，理论上可以在更短时间内组装出具有更多凝胶的人工电器官。
2.表面印刷组装
这种方法是在两个互补的凝胶图案之间通过机械接触来实现人工电器官的同步激活。我们将离子选择性膜的前驱体溶液以阵列形式印刷在一个聚酯基板上，将盐隔室的前驱体溶液以互补图案印刷在另一个基板上。当两个基板固化后叠加在一起，就会瞬间形成一条蜿蜒的离子导电通路，其电位重复模式相加可达110V。
（三）离子梯度维护与再生
在人工电器官中，我们通过在驱动前对每个水凝胶进行物理分离来维持离子梯度，这样不需要消耗能量。在放电后，我们可以通过向终端电极施加电流来使人工器官再生，就像Gumuscu等人的方法一样。经过测试，我们发现这种方法可以在至少十次放电后恢复超过90%的原始容量。
四、人工电器官的性能及改进
（一）性能
与电鳗的发电器官相比，我们目前构建的人工电器官在性能上还有差距。电鳗的发电器官通过堆叠100μm薄的电细胞，其膜接触面积可达7000mm²，能够将一层电细胞的电阻降至约0.1Ω，从而实现100W的放电功率。而我们构建的110V人工电器官是通过数千个相对较厚的水凝胶透镜形成导电通路，其横截面积接触面积较小，每个四聚体凝胶单元的电阻增加到115kΩ，2449个凝胶的功率输出仅为50μW。
（二）改进
1.Miura-ori折叠策略
为了提高功率密度，我们采用了一种原本用于太空展开太阳能电池板的Miura-ori折叠策略。我们将重复的薄水凝胶薄膜系列通过这种折叠方式堆叠在一起，在一次同步且自对准的运动中实现大面积接触。
通过这种方式，使用0.7mm厚的薄膜并采用80° Miura-ori折叠，我们得到的人工电器官每个四聚体凝胶单元的最大功率密度可达27±2 mW/m²，相比之前的蛇形排列方式，电阻降低了约40倍，功率输出得到了显著提高。
2.进一步改进方向
我们还发现可以通过进一步减小水凝胶薄膜的厚度来提高功率密度。电鳗的电细胞比我们使用的凝胶薄膜要薄至少7倍，而且我们使用的离子选择性凝胶膜的绝对渗透率比电细胞膜的离子渗透率小10倍。实验表明，将水凝胶薄膜厚度降低一个数量级，功率密度可以提高五倍。此外，电鳗发电器官的细胞内和细胞外隔室处于生理离子强度（约180mM），电阻率较低，而人工电器官的低盐度隔室仅含15mM氯化钠，是系统电阻的主要贡献者。因此，开发具有更好离子选择性的超薄合成膜也是提高人工电器官功率密度的一个方向。
五、应用前景
这种人工电器官的独特材料特性为我们带来了一些新的应用可能性。例如，我们可以利用水凝胶薄膜开发一种电活性隐形眼镜。隐形眼镜通常由水凝胶制成，之前也有报道过带有集成显示器和传感器的原型。我们构建的一个三层结构的凝胶隐形眼镜原型能够产生80mV的电位差，这为开发用于可穿戴和植入式设备的透明电源提供了思路。另外，人工电器官还可以作为软机器人或其他软质材料中的可变形电源。
六、实验部分
（一）材料与设备
购买了各种化学试剂，包括从Sigma-Aldrich购买大部分试剂，从Bio-Rad购买40%丙烯酰胺/N,N’-甲基双丙烯酰胺溶液，从JonsmanInnovation购买P100亲水溶液等。我们使用PURELABFlexII净化器将水纯化到18.2MΩcm。实验中使用了多种仪器设备，如FIAlab-3500多分析仪器、Infuse/WithdrawPump11Elite可编程注射器泵、BioFactory3D生物打印机、MineralightUVDisplaylamp等。
（二）人工电器官的表征
1.测量方法
对于每个系列的凝胶，我们将Ag/AgClwire电极插入第一个和最后一个凝胶（或者与终端凝胶接触的相同高盐度储存凝胶中），使用TektronixDMM4040数字万用表在高输入阻抗模式下记录电压，使用Keithley2400SourceMeter在源电压为零时记录短路电流。通过连接一系列已知负载电阻到电池并监测负载两端的电压来构建I-V曲线。
2.不同组装方式下的人工电器官
流体人工电器官：其凝胶前驱体溶液成分各不相同，包括低盐度凝胶、高盐度凝胶、阳离子选择性凝胶和阴离子选择性凝胶。我们通过特定的流体操作流程制备凝胶，包括将不同凝胶前驱体溶液和矿物油按顺序注入，固化后通过特殊方式使凝胶接触，并在接触前嵌入电极。
印刷蛇形人工电器官：其凝胶前驱体溶液成分也有明确规定。我们将两种互补的凝胶前驱体溶液阵列分别印刷在两个基板上，固化后叠加并施加压力使凝胶接触，然后进行电压和电流的测量。
80° Miura-ori折叠人工电器官：使用与印刷人工电器官相同的凝胶前驱体溶液。我们先将聚酯基板激光切割成Miura-ori图案，在基板两侧附上带有圆形开口的PDMS垫，将凝胶前驱体溶液注入孔中，固化后剥离PDMS垫，折叠基板使凝胶接触。同时介绍了如何制作其横向类比结构用于对比实验。
凝胶三层结构（隐形眼镜形状）：同样使用与印刷人工电器官相同的凝胶前驱体溶液。通过将基板安装在特氟龙块上方制作薄储存器，注入前驱体溶液并固化形成不同的凝胶薄片，然后组装成三层结构并用活检打孔器获得圆形切口。
七、一起来做做题吧
1、技术与生物体集成对电源的要求不包括以下哪项？
A.生物相容性
B.机械顺应性
C.高能量密度
D.能利用生物体内化学能
2、电鳗电细胞在静息状态下，前后膜电位的情况是？
A.前膜电位大于后膜电位
B.后膜电位大于前膜电位
C.前后膜电位相互抵消
D.前后膜电位相加为一个固定值
3、人工电器官的流体驱动组装中，以下哪种凝胶不是其使用的成分？
A.高盐度凝胶
B.中性选择性凝胶
C.阳离子选择性凝胶
D.阴离子选择性凝胶
4、以下哪种方法不是提高人工电器官功率密度的措施？
A.采用Miura-ori折叠策略
B.增加凝胶的盐分含量
C.减小水凝胶薄膜厚度
D.开发更好离子选择性的超薄合成膜
5、受电鳗启发的人工电器官在以下哪个应用中未提及？
A.电动汽车电池
B.电活性隐形眼镜
C.软机器人电源
D.可植入式设备电源
参考文献：
Schroeder TBH, et al. An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels. Nature. 2017 Dec 13;552(7684):214-218.
