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人体仿生机械带来“重生”希望(组图)

发布时间:2009-09-22 15:13:00作者:admin 来源:[中国网] 浏览次数:0 网友评论 0

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马修的义肢外壳是透明的 卢卡斯
 

汶川大地震后,曾有位科技大学的学生表示他们已设计制造出机械手,可以捐赠给在大地震中右手被砸断的四川北川中学高三学生赵春林。当时有报道称,这只机械手样品曾在当年湖北省和全国大学生机械创新设计大赛中分获得过一等奖和三等奖。经过不断地改进,目前这只机械手除能夹取物品外,还可实现写字、操作鼠标等功能。

  高科技的人体仿生机械臂越来越接近普通人的生活。今年海外也有多起报道称仿生机械臂取得突破性进展。塞尔维亚一名因车祸伤及手臂的男子,今年5月时,甚至主动砍掉那只伤残的手臂,接受手术后,换上了一只仿生机械臂。

  人体仿生机械的出现,给多少不幸的人们带来重生的希望。

  研究进展

  “靶向肌肉重新支配神经”是重大突破

  很多人在军队中或在其他事故中受伤被迫截肢,多年来,科学家一直在寻求新方法和新技术,帮助残障人士通过义肢来补偿他们失去或者残疾了的四肢。科技的不断进步也催化了义肢技术的发展。

  科学家的研究一度停顿在如何令义肢灵活地完成复杂动作的问题上。多年的探索中,他们想过无数办法,包括设计更加柔韧和敏感的皮肤和手臂、在义肢中植入无线电设备等。科学家也曾将传感器植入两只猴子的大脑,使其能够控制一个机械手臂,还使一个残疾人能够借助意念在计算机屏幕上移动光标……其中一些方法由于没有获得管理部门的支持,最后竟不了了之。

  直到一种名叫“靶向肌肉重新支配神经”的新技术被发明及证实,研究成果发表于2009年2月10日出版的《美国医学会杂志》网络版。该技术声称可以操纵10种手臂、手腕和肘部的动作,允许接受手术者通过使用接通电源的神经和大脑,来比以往更加自由地移动仿生手臂。

  科学家将截肢者在手术后保存下来的神经,同身体内的另一组完好的肌肉(通常是胸部肌肉)连接在一起,然后在这组完好的肌肉上放置电极,当患者想移动手臂时,大脑发送信号,这些信号先使胸部肌肉收缩,然后发送电子信号给仿生手臂,指导手臂移动。这个过程同健康人一样,只需要有自觉的意识就可以。

  这项通过靶向肌肉重新支配神经的技术,是由医疗手术和当前相应科技的设备合作完成的,并不需要得相关管理部门的支持即可进行运用。但它的局限性在于:并非每个病人都能自如地控制自己的肌肉神经;价格比较昂贵;需要花费数月来等待接通电线的布线神经生长,并且需要漫长训练才能变得高效等。

  不管怎样,“靶向肌肉重新支配神经”手术仍然是目前最先进的技术,它允许神经系统直接控制义肢的运动。

  实际应用

  被广泛使用仍是漫长过程

  芝加哥康复研究所人工义肢神经工程设计中心主任托德?库伊肯,是该技术的探路先锋,他早在2001年已开始领队进行人体仿生机械的实验。目前,在美国、加拿大和欧洲,已经有30个人进行了该实验,包括8个士兵。

  库伊肯认为,这项技术被广泛使用仍需要漫长过程。首先这种仿生机械臂由使用者的肌肉与神经控制,使用者需要时间去适应。比如一位名叫丹尼尔的飞机驾驶员,他于2008年进行换肢手术,三年过去了,他的左手义肢虽然已能够自然而迅速地作出反应,但他自认为“神经生长好,就能够捕捉到信号,但整个适应过程仍需要很长时间”。

  价格昂贵也是这一技术难以广泛使用的原因之一。目前最受关注的触摸仿生公司最新研制的“领先手指”,虽然只能替换个别手指,不能替换整个手掌,但它的安装费已高达5.7万至7.3万美元。人们还无法在商店里买到,只能根据每个用户的特殊需求特别定制。

  政府相关机构的干预也令这项技术投入普遍使用遇到阻滞。美国国防部高级研究计划局斥资上亿美金,研制出的一种机械手臂,它可模拟手臂、肘部、手腕和手掌27种不同的自然运动,其中包括:旋转、弯曲和伸展。目前该技术已进入实验将一个芯片植入人脑,以此来感知和控制神经元的反应,并迅速将指令传输给机械手臂,让手臂瞬间完成指定动作。但有报道称,美国食品及药物管理局等机构正在密切追踪这个项目,不过他们有可能出于某些原因控制该研发周期暂时停滞几年。有人初步估计,人们真正使用到这个产品的时间,最快也要四五年后。

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克洛伊的机械手比普通人的手指更细长,但十分灵活
具体案例

  人体仿生机械造福很多人

  个案一 美国大二学生装上机械腿

  今年4月,海外媒体消息,科学家已发明一种可以通过神经和肌肉控制的机器义肢。美国西北大学20岁的大二学生海利因骨癌失去自己的小腿,她现在正在芝加哥康复研究所仿生医学中心,参加美国军方进行的临床试验,尝试装上这种义肢。

  试验中,医生利用肌电图描记法,来记录海利肌肉产生的电极信号,结合模式识别计算机软件,最终来控制新生代的机器仿生义肢。海利从今年1月起就开始训练自己的肌肉指挥电脑,她用连接在大腿9块不同肌肉上的电极作为天线,通过神经与肌肉发送电极信号。令人惊讶的是,整个过程海利并不需要接受手术,就能轻松控制这只机械腿。

  个案二 英国15岁少女装上机械手指

  《每日邮报》报道,上个月英国一名15岁少女克洛伊?福尔摩斯被装上一套“合成机械手指”,她可以通过手套中的传感器来操纵这些手指。

  克洛伊在很小的时候意外感染水痘,又染上了败血症,医生为免感染更多器官,最终选择切除了她的手指。康复后,克洛伊的家人花费了3万8千英镑,为她装上了这只机械手。这支机械手比普通人的手指更细长,但十分灵活,从此克洛伊又可以参加运动,可以自己用手抓握起东西,可以自己刷牙……她的生活的确发生了天翻地覆的变化。

  个案三 14岁车迷装上仿生手

  同样是《每日邮报》报道,天生缺少左手的14岁英国F1赛车迷马修,今年6月致信F1奔驰车队,希望对方能提供3.5万英镑为自己安装一个义肢。作为回报,马修将允许奔驰在他义肢上做广告,就像F1赛车上的广告一样。奔驰车队称对这封“聪明和感人信件”所打动,最终为马修捐助1万英镑,定制了世界上最先进的仿生手。

  这只仿生手是由“触摸仿生公司”制造的i-LIMB脉搏系列仿生手,可负重约89公斤,是通过接收残肢发出的肌肉信息来运作的。詹姆斯从此可以画画写字,系鞋带甚至打球。马修装好义肢后高兴地说:“它看上去也非常酷,外壳是透明的,你可以看到里面的机械运作过程。”

  仿生技术创意无限

  和所有先进科技相比,大自然处理问题的方式永远都有值得模仿的神奇地方。15世纪时达芬奇就曾解剖鸟类,试图以此为蓝本设计出一种“飞行机器”,到今天,从机器人到多种生物医学界的突破性进展,仿生学早已充分渗透到我们的生活中,新的仿生技术仍在不断呈现,创意无限。

  ●放射虫工程

  德国卡塞尔大学进行的一项“放射虫”工程,正是模仿哺乳动物骨骼结构的稳定性,利用牢固的六角形晶胞完成了一种网状装置的建筑搭建,这种建筑甚至还颇有3D视觉效果。
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放射虫工程
 
 ●鱿鱼机器人

  日本大阪大学的船舶与海洋工程部设计出一种“鱿鱼机器人”,在机器人两边安上胶质面板,它就能在水里飞快而行,并进行一些类似海底搜矿等危险水下任务。

  ●珊瑚礁村庄

  建筑学家文森特?嘉宝莉曾提出过模仿类似蜻蜓和睡莲等动植物进行设计的理念,最近她又设计出一座“珊瑚礁村庄”。这种模块化的住房设想,其构造单元一层叠着一层,完全是根据珊瑚礁的构成设计而成。

  ●持久锋利的刀具

  海胆身上这些棘刺似乎永远不会磨损。美国威斯康星大学的科学家们在研究中发现,海胆的棘刺被一种叫“方解石集体”的有机材料层层包围,所以怎么磨也不会钝。科学家称,可以根据海胆的这些特点制造出持久锋利的工具。

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白蚁的天然空调屋 模仿白蚁巢的东门购物中心
●风力涡轮机

  美国加州理工学院的动力学专家约翰?戴比瑞通过观察游动的鱼群,最终萌生一种“风力涡轮机”的设计创意。他将类似的物理原理应用到垂直式风力涡轮机的设计中去,其发电量甚至可高达以前的十倍。

  ●可弯曲混凝土

  人类身体受伤后,体内的血液循环系统会迅速反应,慢慢修复创口。美国密歇根大学的科学家们因此得到灵感,设计出能自我修复划痕的混凝土。

  他们采用特殊的微纤维加固水泥所制造出的混凝土,即便弯折也只会出现头发丝粗细的细微裂缝。更妙的是,一旦出现裂口,其丰富的纤维便会从周遭空气中吸收水汽,从而使“创口”变得柔软,并逐渐“愈合”。水泥中的钙离子还会从空气中吸收水汽和二氧化碳,生成碳酸钙,自我加固―――这个过程则是模仿贝壳的生成。经过这样一系列自发地修复和再加固,弯折后的混凝土结构仍能牢固如初。

  ●防菌导尿管

  很多鲸类和海牛的身上会长出藻类,但鲨鱼身上却从来不会出现这种情况。这似乎得益于鲨鱼身上一种被称为“盾鳞”的结构。

  科学家们模仿鲨鱼皮肤的构造,设计了一种被称为“鲨鱼”的表面工程设计。这种表面结构不需要任何外援,便可以阻止细菌在其表面生长。一家名为“鲨鱼技术”的公司已经将应用这种仿生技术的贴膜销售给许多需要防菌的用户,并生产了一些有意义的新型产品,比如不会被细菌感染的导尿管等。

  ●仿生锯齿针头

  蚊子咬人时并不会令人感觉到疼。日本关西大学的工程师们因此制造出了一种细微的、根据蚊子口器仿生制成的锯齿形针头。和传统的圆柱状针管不同,这种针头在中央针尖的旁边还设置了两条细微的外侧锯齿条,极大地降低扎入人体的痛楚。

  ●天然空调屋

  白蚁在炎热干燥的非洲草原上建造巨大的巢穴系统,内部总能自动保持恒温和湿润。为了做到这一点,白蚁们会视情况在一天中忙个不停地打开或关闭不同方向的通风口。

  津巴布韦首都哈拉雷市的东门购物中心和办公大楼,也是设计师麦克?皮尔斯根据白蚁巢穴的结构设计而成。因此东门购物中心只需要传统设计10%的能量消耗。
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人造气管
 
  2011年的15项重大人体仿生技术突破

  智能手机控制的人工耳蜗

  美国FDA已经批准iPhone和iPad成为医疗影像诊断放射学的辅助产品。智能手机已经全面进入医疗检测领域,并发挥重要作用。美国德克萨斯州大学人工耳蜗实验室研究人员,眼下正研制利用智能手机来替代人工耳蜗处理器。

  这项未来人工耳蜗的新技术,可以不用再给患者植入声处理器,而是只植入电极,再通过智能手机将外部的声音信号传入到耳蜗,就能更清晰地听到声音。该技术能减少植入手术的危险性,在噪音环境下都能大大提高交流能力。

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人工肠道
 
  人工肠道

  今年夏天,美国洛杉矶沙邦儿童医院研究协会研究人员在实验室内成功培育出老鼠小肠,在此之前,科学家已成功再生兔子骨骼和腿部肌肉。

  负责这项研究的科学家指出,目前培育出的人工肠道,是从老鼠肠道每层细胞中采集样本形成的,其中包括:肌肉和上皮细胞,然后将它们移植在老鼠腹部的聚合物层上。它们将受刺激生长成高增长因子蛋白质。研究小组认为这一技术将有利于儿科医学治疗,尤其是治疗刚出生婴儿的肠道疾病。

  触摸仿生学手指

  触摸仿生公司研制出的“领先手指”,虽然只能替换个别手指,却是目前最受关注的新科技,目前已成功应用于几十例手术。它像奥托博克机械手臂一样,每个手指都是通过肌电传感器触发,能够响应肌肉瞬间变化,实现挤压和紧握物体。

  模拟内耳的前庭假体

  美尼尔氏综合症是一种内耳疾病,遭受该病症的患者将出现失去方向感的眩晕和呕吐恶心。但电气和电子工程师协会(IEEE)的光谱分析称,15%的美尼尔氏综合症患者将从根本上失去内耳功能。美国华盛顿大学生物医学工程师杰伊?鲁宾斯坦已研制出“前庭假体”,声称可以通过电子刺激模拟内耳正常工作。其设计原理非常类似于人工耳蜗,是直接发送电子信号至前庭神经,再迂回身体自然调控机制。鲁宾斯坦描述这项技术为“需求性起搏器”。

  人造肌肉

  科学家研制出一种电流驱动聚合物人造肌肉,并可以将人造肌肉和电池都藏在人体太阳穴的凹位,从外表很难进行观测。人造肌肉在通电时会呈现舒张状态,断电之后就会收紧使眼睑闭合,再次通电就可再打开眼睑,因此通过开关便能使眼睑开合。

  该研究成果可以帮助由于中风、受伤、先天或者后天疾病导致永久不能眨眼的病人,通过眨眼保持眼睛健康。科学家仍在改良技术,估计5年之内可应用于病人。

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海利用连接在大腿9块不同肌肉上的电极作为天线,来控制机械腿
 
  新型人造心脏

  55岁的克雷格?刘易斯因器官衰竭,即将离世,医生替他植入新设计的人工心脏。之后刘易斯由昏迷状态醒转,虽然没有心跳,却可以坐起来,甚至和家人交谈。

  刘易斯后来因为肾脏和肝脏衰竭,才被迫关掉其人工心脏,安详死去。医生称这个人工心脏运行非常“完美”。

  这个人工心脏以两个心室辅助装置接驳而成,可以取代整个心脏,由德克萨斯州心脏研究所的比利?科恩和布德?弗雷泽医生共同研发。他们以聚酯纤维、玻璃纤维和硅制造的新型人造心脏,比传统人工心脏工艺更轻巧耐用。

  动力脚BiOM

  休?黑尔是美国麻省理工媒体实验室机械组主管,他不仅是“动力脚BiOM”的研发者,还是该机械义肢的使用者。“动力脚BiOM”不仅仅是一个弹簧装置,它还能使使用者感知自然环境,并相应地作出即时反应。在实时适应地形变化状况下,它可以反馈100%生物肢体能量,因此黑尔现在甚至可以顺利地攀登山脉。这个设计目前已进入市场。

  人造气管

  今年6月份,意大利干细胞专家保罗?马基亚利尼领导的国际研究小组在瑞典对一名患气管癌的36岁男子实施了人造气管移植手术。由于没有合适移植配型,医院就利用患者自身干细胞培育移植所需气管组织,来进行移植手术。手术后患者并没有发生排斥反应,病人也无需要服用免疫抑制药物。

  专家指出,人造结构可被用来制造气管、食管等简单器官,但要想在实验室制造出肾脏或心脏等更复杂的器官,可能还有一定难度。

  生物眼

  德国图宾根市眼科临床大学研究员最新研制出一种生化眼,现已成功地将芯片植入11位患者眼睛。其基本原理是:将射入眼睛的光线转换为电子脉冲,再将这些电子脉冲信号反馈至视觉神经组织。

  目前研究人员正在研制高分辨模式的生化眼,并尝试在实验者的皮肤之下植入电源装置。

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珊瑚礁村庄

  电子舌头

  美国伊利诺斯州大学化学家最新研制一种电子舌头,具有非常高的精确率,甚至能够分辨出美国可乐和墨西哥可乐之间的差别。目前这种新型电子装置已计划投入市场。

  奥托博克机械臂

  德国奥托博克公司研制的仿生手臂也能够自然控制移动。人们不必从手臂至手掌建立神经连接,直接依靠放置在前臂的两个传感器,捕捉到信号后,再操控机械臂。奥托博克公司宣称这款机械手臂具有三种移动范围:旋转、弯曲和伸展。同时,可以实现手指完全攥握。目前这款机械手臂在视频显示和提升手臂实际操作能力等方面,仍有改进余地。

  能够呼吸的人工肺

  近期,美国凯斯西保留地大学的科学家们设计出了一款人工肺装置,它可以在植入人体后,向人体血液输送氧气。不过到目前为止,该人工肺只能输入纯氧而不能是普通的空气。

  该设备的大小和真正的肺部类似,内置氧气和二氧化碳的交换膜和血管微流体通道,这为未来肺癌等患者的人工肺移植手术铺平了道路。

  人造嗅觉探测器

  美国国防部正在开展一项新研究,模仿狗的灵敏嗅觉,来制造一种能够分辨多种化合物的人造嗅觉探测器。这项研究如果成功,将大大提高美军在战区探测化学武器的能力。这项名为RealNose的研究目前仍处于研制初期阶段。

  膝及踝关节

  协调义肢

  这种义肢是由美国范德比尔特大学研制的,它是首款与仿生脚踝相配合的义肢膝盖。美国国家科学基金会和国家健康学会投资花费了7年时间制造出这款义肢,它是在传统“被动式”义肢基础上进行技术升级改造,目前尚未公开销售。

  大脑控制机械手臂

  美国国防部高级研究计划局(DARPA)研制的人体仿生机械手臂,未来它可能通过大脑植入微小芯片的手段,让大脑直接将指令传输给机械手臂,瞬间完成指定动作。来源人民网)

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