機械有機體讓生物發電機成真

我們經常可以在科幻作品當中見到結合了機械與生物的機械有機體 (Cybernetic organism, Cyborg)，這些生物靠著內置機械的身體，達到了常人所無法辦到的事，如絕倫的武力或腦力，像是攻殼機動隊中能單手擊破戰車裝甲的草薙素子，或是Capcom遊戲生化突擊隊 (Bionic Commando) 中，靠著Bionic Arm飛簷走壁的Spencer。

但撇開幻想世界不說，在我們世界中的cyborgs，究竟有著怎樣的發展呢? Nature News 有一篇文章整理了近年來幾位科學家對於cyborgs實做的成果，但這些cyborgs可不是飛天遁地用來打擊壞蛋的生化人，而是為了民生用途而製造出來，就是電池。以下文章翻譯自Nature News之文章: Cyborg snails power up

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在葉夫金尼．卡茲教授 (Dr. Evgeny Katz ) 的實驗室中，有十幾隻褐花園蝸牛在塞滿苔料的塑膠缸中爬行，這樣的景象看起來再正常不過了，但在牠們的身體中卻隱藏著不為人知的超能力：牠們能發電!

卡茲教授和他克拉克森大學 (Clarkson University) 的團隊，在每隻蝸牛的身體裡面都植入了小型的生質能源電池，這些電池能從蝸牛體液中的葡萄糖和氧萃取出電能，過去半年以來，這些小東西從大嚼特嚼紅蘿蔔的過程中透過外接電路持續提供電力。卡茲教授說”這些小動物是不二的人選，牠們的行為單純，成天只要吃吃喝喝還有爬來爬去就好，然後我們負責讓牠們吃得高興及別讓牠們死翹翹”

自產電力的機械有機體 (Self-powered cyborgs)

卡茲教授所創造的蝸牛只是目前眾多被賦予「發電性」的生物之一¹，一月在美國化學學會學刊 (Journal of the American Chemical Society) 所刊登來自於凱西西儲大學 (Case Western Reserve University) 丹尼爾史克森教授 (Dr. Daniel Scherson) 的研究，就是有關於在活的蟑螂身上植入微型生能電池²；另一組人馬則是由山謬辛格博士 (Dr. Sameer Singhal) 所領軍由CFDRC (CFD Research Corporation) 的生醫能源技術部門與加州大學柏克萊分校合作的團隊，這個團隊則是以甲蟲作為對象植入生能電池；這些昆蟲能夠在同時承受外接電極並產生電能的狀態下存活超過兩個禮拜。

這些科學家投入心力就為了能成功創造出昆蟲 (或蝸牛) 機械有機體；這種機械生體的概念吸引了美國國防部投入資金來資助他們的研究；過去十年以來，科學家們創造出了各種搭配有微型電路及無線電天線的昆蟲和爬行動物，作為環境偵測的資訊收集者或用作軍事用途³。

但對於長時間的任務而言，電池先天上的體積及續電性問題使其應用窒礙重重－這也是引起了卡茲教授將腦筋動到了蝸牛本身代謝產生的能量; 生能電池能提供持續數個月微弱但穩定的電力。來自猶他州大學的雪莉麥提爾教授 (Dr. Shelley Minteer) 說「卡茲教授的研究之所以讓人印象深刻，在於他的方法提供了一個長時間穩定的供電潛力」。

小小生物 小小功率

來自新墨西哥大學新興能源技術中心 (Center for Emerging Energy Technologies) 的普拉門博士 (Dr. Plamen Atanassov) 指出，雖然大型的生能電池可以驅動手機或其他類似的裝置，但不得不讓人懷疑才幾釐米大小的電池，是否能驅動一些複雜的動作－例如遠端遙控飛行。生能電池能提供多少電能，取決於電極的大小，以及它們從生物血液中萃取糖與氧的速率 (在蝸牛裡面就不是血液了，而是功能性類似的血淋巴液)。

以卡茲教授的蝸牛為例，一開始雖然能提供超過7.45微瓦的電力，但經過45分鐘後，功率下降了80%左右。為了能夠持續的汲取電力，卡茲教授不得不將電力的汲取向下減弱到0.16微瓦。

史克森博士則表示他有機會從他的蟑螂發電機上汲取到超過一百微瓦的電力 (他使用海藻糖餵養蟑螂，海藻糖是一種由葡萄糖構成的特殊糖類)。辛格博士也從他的甲蟲實驗中提出了類似的成果。史克森指出電力其實不需要無時無刻的被汲取出來，而是可以儲存於電容器中並以脈衝的形式釋放；他表示現在可以透過這種方式從他的蟑螂身上產生和探測到無線電訊號。

人類也能植入電池嗎?

來自法國約瑟夫傅立葉大學 (Joseph Fourier University) 的菲利浦辛奎茵博士 (Dr. Philippe Cinquin) 對生能電池的利用則有不同的方向－他將其植入老鼠體內。他們在2010年所做的研究⁴揭示了未來人類在使用生能電池上的可能性，例如以我們血液為電力驅動來源的心律調節器。

辛奎茵博士指出，若想要發展出人體內的生能電池構造，其作為一個植入體必須不能被免疫系統排斥；他的團隊現在已經成立一家專門發展人工尿道括約肌的公司，這種人造裝置需要300~500微瓦的電力，電力來源可能就是來自體內的葡萄糖燃料。當然，現今的電池有很多這類的應用方式，但是小型的生能電池卻能為這種醫療裝置提供更方便、更永續的供電方式。

來自德州大學奧斯汀分校 (University of Texas at Austin) 的亞當海勒博士 (Dr. Adam Heller) 從2003年起就埋首研究如何從葡萄中製造電力⁵，他指出生能電池對於低功率低耗能的應用將非常適合，例如刺激單條神經元。

在此同時，卡茲教授表示接下來將要嘗試比蝸牛還要大的生物，因為大型生物的代謝量能提供更多的電力。他的下一步：生化龍蝦！

新聞來源:

Cyborg snails power up

相關文獻:

1. Halámková, L., Halámek, J., Bocharova, V., Szczupak, A., Alfonta, L., & Katz, E. J. Am. Chem. Soc.http://dx.doi.org/10.1021/ja211714w (2012).
2. Rasmussen, M., Ritzmann, R. E., Lee, F., Pollack, A.J. & Scherson, D. J. Am. Chem. Soc. 134,1458–1460 (2012)
3. Sato, H., Cohen, D. & Maharbiz, M. M. in CMOS Biomicrosystems: Where Electrons Meet Biology (ed. K. Iniewski) http://dx.doi.org/10.1002/9781118016497.ch12 (John Wiley and Sons, 2011).
4. Cinquin, P. et al. PLoS One 5, e10476 (2010).
5. Mano, N., Mao, F. & Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 125, 6588–6594 (2003).