受电鳗启发的柔软、可拉伸的“果冻电池”

来自剑桥大学的研究人员从电鳗中获得灵感，电鳗利用一种称为电细胞的特化肌肉细胞电击其猎物。

与电细胞类似，剑桥大学研究人员开发的果冻状材料具有层状结构，就像粘性乐高积木一样，这使得它们能够传递电流。 

这种自我修复的果冻电池可以拉伸至其原始长度的十倍以上，同时不影响其导电性——这是首次将如此高的延展性和导电性结合在单一材料中。相关研究成果发表在《科学进展》杂志上。

果冻电池由水凝胶制成：水凝胶是聚合物构成的3D网络，其中含有超过60%的水分。这些聚合物通过可逆的开/关相互作用结合在一起，以控制果冻的机械性能。

能够精确控制机械性能并模仿人体组织特性的特点使水凝胶成为软体机器人和生物电子学的理想候选材料；然而，对于此类应用，它们需要同时具备导电性和延展性。

“设计一种既高度可拉伸又高度导电的材料非常困难，因为这两种属性通常相互矛盾，”来自剑桥大学尤素福·哈米德化学系的第一作者斯蒂芬·奥尼尔表示。“通常，当材料被拉伸时，其导电性会降低。”

“通常，水凝胶由带有中性电荷的聚合物制成，但如果我们对其进行充电，它们就会变得导电，”同样来自化学系的共同作者杰德·麦库恩博士说。“通过改变每种凝胶的盐成分，我们可以使其具有粘性并将其多层堆叠在一起，从而构建出更大的能量潜力。”

传统电子产品使用刚性金属材料并以电子作为电荷载体，而果冻电池则像电鳗一样使用离子传递电荷。

由于不同层之间可以形成可逆键，水凝胶能够牢固地粘合在一起，这些可逆键使用了称为葫芦脲的桶状分子，它们就像分子手铐一样。分子手铐提供的层间强粘合力使果冻电池能够拉伸，而不会导致层间分离，并且至关重要的是，不会损失导电性。

果冻电池的特性使其在未来的生物医学植入物应用中前景广阔，因为它们柔软且能贴合人体组织。“我们可以定制水凝胶的机械性能，使其与人体组织相匹配，”梅尔维尔聚合物合成实验室主任奥伦·谢尔曼教授表示，他与工程系的乔治·马利亚拉斯教授合作领导了这项研究。“由于它们不含金属等刚性组件，水凝胶植入物被身体排斥或导致疤痕组织形成的可能性要小得多。”

除了柔软性之外，水凝胶还出奇地坚韧。它们能够承受挤压而不会永久失去原始形状，并且在受损时可以自我修复。

研究人员计划在未来进行实验，测试水凝胶在生物体中的适用性，以评估其在各种医疗应用中的潜力。

该研究由欧洲研究委员会和英国研究与创新 (UKRI) 的工程与物理科学研究委员会 (EPSRC) 提供资助。奥伦·谢尔曼是剑桥大学耶稣学院的院士。