細胞為機器人供能?義大利科學家實現突破
2020-12-05 網易科技
網易科技訊 9月5日消息，據《連線》雜誌報導，科學家正在研究用細胞給電子元件供電。義大利佩魯賈大學工作的Luigi Catacuzzeno用一根長而細的針刺穿青蛙卵。?他仔細通過顯微鏡盯著它，然後轉動一個機器的旋鈕，向前推動一小部分微米針。?隨後，他巧妙地刺破柔軟的卵的膜，將其連接到一個類似於電池的電子元件。
這一系列不尋常的操作是Catacuzzeno在研究從生物細胞中獲取能量來為微型電子設備供電所做的實驗。這每一個青蛙卵都是單個細胞。當然，卵細胞是細胞中體積非常大的，往往可以達到針頭的大小。在義大利佩魯賈大學工作的Catacuzzeno表示：「每個細胞就像一個電池一樣」。?細胞通過將電解質如鉀和鈉離子移入和移出細胞膜來儲存和轉移電荷。他說：「通常，細胞的能量被用於維持正常的生理功能，比如神經元利用這種能量發出信號，肌肉利用能量收縮。」與鋰電池不同，細胞可以自己補充能量，自己利用食物中含有的化學能給自己充電。比如你在鍛鍊後喝的佳得樂就有助於加強在你的身體的細胞中運行微小電流的強度。
Catacuzzeno的團隊最近表示，他們可以從青蛙蛋中取得一些電力來給電容器充電，然後利用儲存的電能產生無線電信號。更準確地講，他們用一個雞蛋的能理為一個小型對講機供電。?他們撰寫的相關論文已經登錄在arXiv網站上，但仍在等待同行評審的結果。
所有這一切實驗的目的在於最終設計出可以在人體內部運行的微型機器人和其他醫療設備，並完全實現在人體內部充電，而不再依賴於外部電源供能。?藉助Catacuzzeno團隊從雞蛋中獲取能量的技術，下一代植入靜脈的傳感器可以測量您的血糖，下一代內窺鏡也可以在拍攝您的腸道的同時釋放藥物。?這些設備會定期進入您身體自身的細胞中加油，給自己充電。?Catacuzzeno在這個項目上的合作者，義大利佩魯賈大學的物理學家Luca Gammaitoni說：「這是我們可以用來建造非常小的機器的新方向，這些機器如果要在生物體內自主運行，必須解決利用人體供電的技術難關」。
與日常電子產品相比，單個雞蛋產生的功率很小。?研究人員得到的雞蛋產生1.1納瓦的功率，這意味著你需要超過一千萬隻青蛙卵才能點亮一顆LED。?在將電容器充電約13分鐘後，其儲存的能量相當於16納安時。?按照這個速度，將需要超過1億隻青蛙蛋來匹配單個AA電池中儲存的能量。
但細胞的供電規模對於無線傳感器來說是足夠的，猶他大學的機械工程師Shad Roundy雖然沒有直接參與這項工作，但是他表示，每隔13分鐘發射一次無線信號的話，你不需要很多電量就可以完成了。然後微型機器人的電池可以從另一個細胞中充電，並在13分鐘後進行下一次傳輸。?這種充電周期足以滿足許多類型的醫療傳感器。Roundy說：「要知道，糖尿病患者現在每天要多次刺破他們的手指來獲取血糖讀數，如果你能每30分鐘自動獲得一次葡萄糖更新，而不需要刺破手指，那將是一個巨大的進步。」
Roundy說，更大的問題是電容器的小型化。?現在，電容器太大而無法在人體內操作。?與此同時，在動物或人體內為電容器充電也需要比Catacuzzeno在顯微鏡下進行操作更複雜的技術。科學家們還必須確保這些微型電子產品與生物相容，人體往往會對外來物質產生排異反應。Gammaitoni說，好消息是機器人從細胞中收穫的能量對人體來說可以忽略不計。?在人體的這裡和那裡偷取幾納米瓦的能量應該不會影響一個人的健康。?他說：「每天人體有大量細胞死亡，每隔幾分鐘就會在我們體內再生，從統計數據來看，這不是對身體本身有害的東西。」
該團隊接下來打算嘗試從大鼠肌肉細胞中提取能量。?Gammaitoni說：「我們希望驗證許多細胞都可以用這種方法提取能量」。此外，研發從肌肉細胞收集電力的技術將擴大傳感器的應用範圍，因為肌肉細胞遍布人體的各個部位。（馬克克）
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