水中高压线——电鳗趣谈

2019年的圣诞节前夕，美国田纳西州的一家水族馆进行了一项有趣的试验，他们成功地利用水族缸中的电鳗点亮了一颗圣诞树。据馆内的工作人员称，灯泡的亮度还会随着电鳗的不同行为状态进行变化，颇为有趣，十分吸引游客的眼球。

点亮圣诞树的电鳗 | Kelsey Hurwitz/woman’s day

作为这则新闻的主角，今天我们来聊一聊素有水中高压线之称的电鳗。电鳗，隶属于电鳗目，裸背电鳗科，电鳗属。虽然它的外形酷似鳗鱼，但其实从分类学上讲，它和鲇形目的鱼类亲缘关系更近[1]。

电鳗 | chrisbb@prodigy.net/Flickr

说到会放电的鱼，自然界中像电鳐、电鲶等鱼类都具备这种功能。但是电鳗的放电能力，可能是鱼类中最强的。生活在巴西亚马逊河流域的一种电鳗被命名为“伏特电鳗”（Electrophorus voltai）[2]，以纪念电池发明者、物理学家亚历山德罗•伏特（Alessandro Volta），其瞬间释放的最高电压可达860伏特。别说是人类，就像河马、鳄鱼这样的庞然大物在它面前都不堪一击。接下来，我们介绍一下电鳗的发电原理和仿生应用。

一、电鳗的发电原理

电鳗的身体构造比较有趣，为了进一步提高发电的能量，电鳗通过不断进化，最大化地压缩了头和内脏的比例，从而将身体的绝大部分都用来安放发电器。电鳗的发电器位于尾部两侧，每个发电器都由发电细胞和细胞外空间组成，每层发电器之间还包裹有结缔组织。这样的发电器有规律地进行排布，数量可达10000枚左右，这种结构就像我们把很多干电池进行串联排列。

那么我们会问，为什么发电细胞可以发电呢？

这主要是因为电鳗的肌肉细胞膜上存在钠钾泵，它可以通过消耗自身能量来搬运钠、钾离子，在发电细胞的一个神经冲动过程中，当受到神经递质的刺激，细胞膜上的离子通道开启，钠离子流入，钾离子流出，从而产生一个150毫伏的膜电位。虽然一个发电器只能产生150毫伏的电压，但近万个发电器串联起来，就可以产生很高的电压。最后，许多这样发电器组又并联起来，产生足够大的电流，将猎物或天敌击晕或击毙。但是，这种放电过程是需要消耗很大能量的，电鳗必须经过一段时间休息和补充丰富的食物之后，才能恢复原有放电强度。

电鳗的发电器官结构和发电原理示意图 | 文献[3]

二、电鳗的仿生应用

随着科技的不断发展，可穿戴电子设备已进入了我们的日常生活，像运动手表、脉搏传感器等。而新一代的可穿戴电子设备需要具有柔性结构、防水且电压输出稳定等特性。然而，如何研制出一种兼顾可拉伸性，又能适应多种复杂工作环境的电能转换装置，是一个很大的挑战。

2019年，国内研究团队联合研制了一种可拉伸发电机，它的工作原理就是模仿电鳗的发电原理，该种发电机的应用广泛，可以用于水下传感与能量收集。该发电机的工作原理是模仿电鳗发电器官细胞膜上的离子通道，构造了一种机械敏感性的仿生通道，用于控制发电机内部的起电液体的往复运动，从而实现电能的转化。两种独特的工作模式使得发电机在液体环境中可以实现超过10V的开路电压，在干燥条件下可以实现超过170V的开路电压。由于其出色的柔韧性，可拉伸性，机械响应性和高输出性能等优势，可用于人体运动监测，在干燥和液体环境中为新一代可穿戴电子设备提供了一种有前景的替代电源。

仿电鳗的可拉伸水下发电机 | 文献[4]

此外，研究团队还构建了一套基于该发电机的水下救援系统，用于在水下危险特殊情况的远程求救警报。穿戴者只需在水下活动一段时间，固定于关节处的发电机便可收集来自人体运动的机械能，并将其转化为电能存储到电容器中，当遇到紧急情况时，只需拍打胸前的报警触发器，便可远程点亮救援信号灯。良好的可拉伸性，优秀的水下输出性能和出色的抗拉疲劳性使发电机可以作为水下自驱动传感器和能量采集装置，为可穿戴电子设备的水下可持续供电带来了新的机遇。

基于BSNG的水下无线运动监测系统 | 文献[4]

作者：孙妍

参考文献：

[1]Sara V ,William L.Interrelationships of the ostariophysan fishes (Teleostei)[J].Zoological Journal of the Linnean Society，72(4): 297-353.

[2] David S，William C，Casey D. Unexpected species diversity in electric eels with a description of the strongest living bioelectricity generator[J]. Nature Communications，2019，10:4000.

[3]Thomas B，Anirvan G，Aaron L.An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels[J].Nature，2017，552:214-229.

[4]Yang Z，Puchuan T，Bojing S.A bionic stretchable nanogenerator for underwater sensing and energy harvesting[J]. Nature Communications，2019，10:2695.