在 AA 电池大小的水凝胶注入的纸堆中，用盐梯度为电子设备供电

介绍

强电鱼利用体内离子梯度产生惊人的外部放电；这些生物中最强大的一种，大西洋鱼雷射线，可以从其电子器官产生超过 1 千瓦的脉冲。尽管对自然界中的这种现象进行了广泛的研究，但基于离子梯度的用于便携式、可穿戴或可植入人体使用的人工发电方案的开发仍然遥不可及。此前，受电鳗启发的人造电器官表明，堆叠水凝胶内的离子梯度产生的电力可以超过 100 V。但是，这种电源的电流太低，无法为标准电子设备供电。

摘要

最近，瑞士弗里堡大学Michael Mayer教授团队介绍了一种受鱼雷射线独特形态启发而获得最大电流输出的人造电子器官。这种电源使用水凝胶注入纸的混合材料来创建、组织和重新配置串联和并联的任意大的薄凝胶薄膜的堆叠。与最初受鳗鱼启发的设计相比，由此产生的电力增加了近两个数量级，这使得为电子设备供电成为可能，并确立了生物学产生大量电力的机制现在可以从便携式尺寸的良性和柔软材料中实现。相关论文以题为Powering Electronic Devices from Salt Gradients in AA-Battery-Sized Stacks of Hydrogel-Infused Paper发表在《Advanced Materials》上。

主图

图1 鳐鱼电器官的解剖和纸凝胶电器官的设计。

用水凝胶纸片构建人造电器官

总结

调整水凝胶组合物以优化功率输出

图3 用纸凝胶电池为 LED 供电。a) 红色、黄色和绿色 LED 的照片描绘了它们与不同的纸凝胶堆叠串联时的亮度。当八个串联的纸凝胶电池用作电源时，只有红色 LED 灯微亮。添加具有 8 个平行纸凝胶电池的第二个堆栈或将单个堆栈从 8 个串联纸凝胶电池扩展到 16 个纸凝胶电池，将堆栈的总功率输出增加到 1.6 mW，并可以为所有 LED 供电并提高亮度。b）（a）中相邻堆叠的开路电压（蓝色条）和横截面积（绿色条）。

为电子设备供电

总结

强电鱼表明，储存在离子梯度中的能量可以在生物体的限制内产生强大而有用的放电。此处介绍的工作建立了一种直接且稳健的方法，可以从快速组装的离子梯度堆栈中为电子设备供电。由于这些具有潜在生物相容性的水凝胶叠层的总体积小于 10 mL，并且很容易放入体腔中，而且由于这种纸凝胶电动器官的峰值功率密度约为最强大的功率密度的 1/10。团队建议植入式人工电器官的愿景朝着实现又迈出了令人鼓舞的一步。此外，随着进一步的改进，人造电器官有可能达到并可能超过生物电器官的性能。这些改进可能包括使用更薄的支架和凝胶膜，进一步优化水凝胶组成和聚合条件，或将高盐和低盐隔室凝胶与超薄膜、分子层或能够充电或甚至离子选择性渗透。然而，即使没有这些改进，这里提出的工作表明，来自纸凝胶堆的人造电器官可以做有用的电工作，这是最近出现的第一个人造电器官无法实现的壮举。如果未来的设计可以维持或再生离子梯度，也许通过利用人体生理上维持的梯度，例如胃中质子浓度与周围组织中的液体浓度或通过从人体代谢产物中原位产生离子，那么应用纸凝胶电动器官可能会扩展到为便携式、可穿戴甚至可能植入的电子设备供电。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202101757

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