人體仿生機(jī)械帶來“重生”希望
汶川大地震后,曾有位科技大學(xué)的學(xué)生表示他們已設(shè)計(jì)制造出機(jī)械手,可以捐贈(zèng)給在大地震中右手被砸斷的四川北川中學(xué)高三學(xué)生趙春林。當(dāng)時(shí)有報(bào)道稱,這只機(jī)械手樣品曾在當(dāng)年湖北省和全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中分獲得過一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。經(jīng)過不斷地改進(jìn),目前這只機(jī)械手除能夾取物品外,還可實(shí)現(xiàn)寫字、操作鼠標(biāo)等功能。
高科技的人體仿生機(jī)械臂越來越接近普通人的生活。今年海外也有多起報(bào)道稱仿生機(jī)械臂取得突破性進(jìn)展。塞爾維亞一名因車禍傷及手臂的男子,今年5月時(shí),甚至主動(dòng)砍掉那只傷殘的手臂,接受手術(shù)后,換上了一只仿生機(jī)械臂。
人體仿生機(jī)械的出現(xiàn),給多少不幸的人們帶來重生的希望。
研究進(jìn)展
“靶向肌肉重新支配神經(jīng)”是重大突破
很多人在軍隊(duì)中或在其他事故中受傷被迫截肢,多年來,科學(xué)家一直在尋求新方法和新技術(shù),幫助殘障人士通過義肢來補(bǔ)償他們失去或者殘疾了的四肢??萍嫉牟粩噙M(jìn)步也催化了義肢技術(shù)的發(fā)展。
科學(xué)家的研究一度停頓在如何令義肢靈活地完成復(fù)雜動(dòng)作的問題上。多年的探索中,他們想過無數(shù)辦法,包括設(shè)計(jì)更加柔韌和敏感的皮膚和手臂、在義肢中植入無線電設(shè)備等。科學(xué)家也曾將傳感器植入兩只猴子的大腦,使其能夠控制一個(gè)機(jī)械手臂,還使一個(gè)殘疾人能夠借助意念在計(jì)算機(jī)屏幕上移動(dòng)光標(biāo)……其中一些方法由于沒有獲得管理部門的支持,最后竟不了了之。
直到一種名叫“靶向肌肉重新支配神經(jīng)”的新技術(shù)被發(fā)明及證實(shí),研究成果發(fā)表于2009年2月10日出版的《美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)雜志》網(wǎng)絡(luò)版。該技術(shù)聲稱可以操縱10種手臂、手腕和肘部的動(dòng)作,允許接受手術(shù)者通過使用接通電源的神經(jīng)和大腦,來比以往更加自由地移動(dòng)仿生手臂。
科學(xué)家將截肢者在手術(shù)后保存下來的神經(jīng),同身體內(nèi)的另一組完好的肌肉(通常是胸部肌肉)連接在一起,然后在這組完好的肌肉上放置電極,當(dāng)患者想移動(dòng)手臂時(shí),大腦發(fā)送信號(hào),這些信號(hào)先使胸部肌肉收縮,然后發(fā)送電子信號(hào)給仿生手臂,指導(dǎo)手臂移動(dòng)。這個(gè)過程同健康人一樣,只需要有自覺的意識(shí)就可以。
這項(xiàng)通過靶向肌肉重新支配神經(jīng)的技術(shù),是由醫(yī)療手術(shù)和當(dāng)前相應(yīng)科技的設(shè)備合作完成的,并不需要得相關(guān)管理部門的支持即可進(jìn)行運(yùn)用。但它的局限性在于:并非每個(gè)病人都能自如地控制自己的肌肉神經(jīng);價(jià)格比較昂貴;需要花費(fèi)數(shù)月來等待接通電線的布線神經(jīng)生長(zhǎng),并且需要漫長(zhǎng)訓(xùn)練才能變得高效等。
不管怎樣,“靶向肌肉重新支配神經(jīng)”手術(shù)仍然是目前最先進(jìn)的技術(shù),它允許神經(jīng)系統(tǒng)直接控制義肢的運(yùn)動(dòng)。
實(shí)際應(yīng)用
被廣泛使用仍是漫長(zhǎng)過程
芝加哥康復(fù)研究所人工義肢神經(jīng)工程設(shè)計(jì)中心主任托德·庫(kù)伊肯,是該技術(shù)的探路先鋒,他早在2001年已開始領(lǐng)隊(duì)進(jìn)行人體仿生機(jī)械的實(shí)驗(yàn)。目前,在美國(guó)、加拿大和歐洲,已經(jīng)有30個(gè)人進(jìn)行了該實(shí)驗(yàn),包括8個(gè)士兵。
庫(kù)伊肯認(rèn)為,這項(xiàng)技術(shù)被廣泛使用仍需要漫長(zhǎng)過程。首先這種仿生機(jī)械臂由使用者的肌肉與神經(jīng)控制,使用者需要時(shí)間去適應(yīng)。比如一位名叫丹尼爾的飛機(jī)駕駛員,他于2008年進(jìn)行換肢手術(shù),三年過去了,他的左手義肢雖然已能夠自然而迅速地作出反應(yīng),但他自認(rèn)為“神經(jīng)生長(zhǎng)好,就能夠捕捉到信號(hào),但整個(gè)適應(yīng)過程仍需要很長(zhǎng)時(shí)間”。
價(jià)格昂貴也是這一技術(shù)難以廣泛使用的原因之一。目前最受關(guān)注的觸摸仿生公司最新研制的“領(lǐng)先手指”,雖然只能替換個(gè)別手指,不能替換整個(gè)手掌,但它的安裝費(fèi)已高達(dá)5.7萬至7.3萬美元。人們還無法在商店里買到,只能根據(jù)每個(gè)用戶的特殊需求特別定制。
政府相關(guān)機(jī)構(gòu)的干預(yù)也令這項(xiàng)技術(shù)投入普遍使用遇到阻滯。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局斥資上億美金,研制出的一種機(jī)械手臂,它可模擬手臂、肘部、手腕和手掌27種不同的自然運(yùn)動(dòng),其中包括:旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸展。目前該技術(shù)已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)將一個(gè)芯片植入人腦,以此來感知和控制神經(jīng)元的反應(yīng),并迅速將指令傳輸給機(jī)械手臂,讓手臂瞬間完成指定動(dòng)作。但有報(bào)道稱,美國(guó)食品及藥物管理局等機(jī)構(gòu)正在密切追蹤這個(gè)項(xiàng)目,不過他們有可能出于某些原因控制該研發(fā)周期暫時(shí)停滯幾年。有人初步估計(jì),人們真正使用到這個(gè)產(chǎn)品的時(shí)間,最快也要四五年后。
具體案例
人體仿生機(jī)械造福很多人
個(gè)案一 美國(guó)大二學(xué)生裝上機(jī)械腿
今年4月,海外媒體消息,科學(xué)家已發(fā)明一種可以通過神經(jīng)和肌肉控制的機(jī)器義肢。美國(guó)西北大學(xué)20歲的大二學(xué)生海利因骨癌失去自己的小腿,她現(xiàn)在正在芝加哥康復(fù)研究所仿生醫(yī)學(xué)中心,參加美國(guó)軍方進(jìn)行的臨床試驗(yàn),嘗試裝上這種義肢。
試驗(yàn)中,醫(yī)生利用肌電圖描記法,來記錄海利肌肉產(chǎn)生的電極信號(hào),結(jié)合模式識(shí)別計(jì)算機(jī)軟件,最終來控制新生代的機(jī)器仿生義肢。海利從今年1月起就開始訓(xùn)練自己的肌肉指揮電腦,她用連接在大腿9塊不同肌肉上的電極作為天線,通過神經(jīng)與肌肉發(fā)送電極信號(hào)。令人驚訝的是,整個(gè)過程海利并不需要接受手術(shù),就能輕松控制這只機(jī)械腿。
個(gè)案二 英國(guó)15歲少女裝上機(jī)械手指
《每日郵報(bào)》報(bào)道,上個(gè)月英國(guó)一名15歲少女克洛伊·福爾摩斯被裝上一套“合成機(jī)械手指”,她可以通過手套中的傳感器來操縱這些手指。
克洛伊在很小的時(shí)候意外感染水痘,又染上了敗血癥,醫(yī)生為免感染更多器官,最終選擇切除了她的手指??祻?fù)后,克洛伊的家人花費(fèi)了3萬8千英鎊,為她裝上了這只機(jī)械手。這支機(jī)械手比普通人的手指更細(xì)長(zhǎng),但十分靈活,從此克洛伊又可以參加運(yùn)動(dòng),可以自己用手抓握起東西,可以自己刷牙……她的生活的確發(fā)生了天翻地覆的變化。
個(gè)案三 14歲車迷裝上仿生手
同樣是《每日郵報(bào)》報(bào)道,天生缺少左手的14歲英國(guó)F1賽車迷馬修,今年6月致信F1奔馳車隊(duì),希望對(duì)方能提供3.5萬英鎊為自己安裝一個(gè)義肢。作為回報(bào),馬修將允許奔馳在他義肢上做廣告,就像F1賽車上的廣告一樣。奔馳車隊(duì)稱對(duì)這封“聰明和感人信件”所打動(dòng),最終為馬修捐助1萬英鎊,定制了世界上最先進(jìn)的仿生手。
這只仿生手是由“觸摸仿生公司”制造的i-LIMB脈搏系列仿生手,可負(fù)重約89公斤,是通過接收殘肢發(fā)出的肌肉信息來運(yùn)作的。詹姆斯從此可以畫畫寫字,系鞋帶甚至打球。馬修裝好義肢后高興地說:“它看上去也非???,外殼是透明的,你可以看到里面的機(jī)械運(yùn)作過程。”
仿生技術(shù)創(chuàng)意無限
和所有先進(jìn)科技相比,大自然處理問題的方式永遠(yuǎn)都有值得模仿的神奇地方。15世紀(jì)時(shí)達(dá)芬奇就曾解剖鳥類,試圖以此為藍(lán)本設(shè)計(jì)出一種“飛行機(jī)器”,到今天,從機(jī)器人到多種生物醫(yī)學(xué)界的突破性進(jìn)展,仿生學(xué)早已充分滲透到我們的生活中,新的仿生技術(shù)仍在不斷呈現(xiàn),創(chuàng)意無限。
觸摸仿生學(xué)手指
觸摸仿生公司研制出的“領(lǐng)先手指”,雖然只能替換個(gè)別手指,卻是目前最受關(guān)注的新科技,目前已成功應(yīng)用于幾十例手術(shù)。它像奧托博克機(jī)械手臂一樣,每個(gè)手指都是通過肌電傳感器觸發(fā),能夠響應(yīng)肌肉瞬間變化,實(shí)現(xiàn)擠壓和緊握物體。
模擬內(nèi)耳的前庭假體
美尼爾氏綜合癥是一種內(nèi)耳疾病,遭受該病癥的患者將出現(xiàn)失去方向感的眩暈和嘔吐惡心。但電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的光譜分析稱,15%的美尼爾氏綜合癥患者將從根本上失去內(nèi)耳功能。美國(guó)華盛頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師杰伊·魯賓斯坦已研制出“前庭假體”,聲稱可以通過電子刺激模擬內(nèi)耳正常工作。其設(shè)計(jì)原理非常類似于人工耳蝸,是直接發(fā)送電子信號(hào)至前庭神經(jīng),再迂回身體自然調(diào)控機(jī)制。魯賓斯坦描述這項(xiàng)技術(shù)為“需求性起搏器”。
人造肌肉
科學(xué)家研制出一種電流驅(qū)動(dòng)聚合物人造肌肉,并可以將人造肌肉和電池都藏在人體太陽穴的凹位,從外表很難進(jìn)行觀測(cè)。人造肌肉在通電時(shí)會(huì)呈現(xiàn)舒張狀態(tài),斷電之后就會(huì)收緊使眼瞼閉合,再次通電就可再打開眼瞼,因此通過開關(guān)便能使眼瞼開合。
該研究成果可以幫助由于中風(fēng)、受傷、先天或者后天疾病導(dǎo)致永久不能眨眼的病人,通過眨眼保持眼睛健康??茖W(xué)家仍在改良技術(shù),估計(jì)5年之內(nèi)可應(yīng)用于病人。
新型人造心臟
55歲的克雷格·劉易斯因器官衰竭,即將離世,醫(yī)生替他植入新設(shè)計(jì)的人工心臟。之后劉易斯由昏迷狀態(tài)醒轉(zhuǎn),雖然沒有心跳,卻可以坐起來,甚至和家人交談。
劉易斯后來因?yàn)槟I臟和肝臟衰竭,才被迫關(guān)掉其人工心臟,安詳死去。醫(yī)生稱這個(gè)人工心臟運(yùn)行非常“完美”。
這個(gè)人工心臟以兩個(gè)心室輔助裝置接駁而成,可以取代整個(gè)心臟,由德克薩斯州心臟研究所的比利·科恩和布德·弗雷澤醫(yī)生共同研發(fā)。他們以聚酯纖維、玻璃纖維和硅制造的新型人造心臟,比傳統(tǒng)人工心臟工藝更輕巧耐用。
動(dòng)力腳BiOM
休·黑爾是美國(guó)麻省理工媒體實(shí)驗(yàn)室機(jī)械組主管,他不僅是“動(dòng)力腳BiOM”的研發(fā)者,還是該機(jī)械義肢的使用者。“動(dòng)力腳BiOM”不僅僅是一個(gè)彈簧裝置,它還能使使用者感知自然環(huán)境,并相應(yīng)地作出即時(shí)反應(yīng)。在實(shí)時(shí)適應(yīng)地形變化狀況下,它可以反饋100%生物肢體能量,因此黑爾現(xiàn)在甚至可以順利地攀登山脈。這個(gè)設(shè)計(jì)目前已進(jìn)入市場(chǎng)。
人造氣管
今年6月份,意大利干細(xì)胞專家保羅·馬基亞利尼領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組在瑞典對(duì)一名患?xì)夤馨┑?6歲男子實(shí)施了人造氣管移植手術(shù)。由于沒有合適移植配型,醫(yī)院就利用患者自身干細(xì)胞培育移植所需氣管組織,來進(jìn)行移植手術(shù)。手術(shù)后患者并沒有發(fā)生排斥反應(yīng),病人也無需要服用免疫抑制藥物。
專家指出,人造結(jié)構(gòu)可被用來制造氣管、食管等簡(jiǎn)單器官,但要想在實(shí)驗(yàn)室制造出腎臟或心臟等更復(fù)雜的器官,可能還有一定難度。
生物眼
德國(guó)圖賓根市眼科臨床大學(xué)研究員最新研制出一種生化眼,現(xiàn)已成功地將芯片植入11位患者眼睛。其基本原理是:將射入眼睛的光線轉(zhuǎn)換為電子脈沖,再將這些電子脈沖信號(hào)反饋至視覺神經(jīng)組織。
目前研究人員正在研制高分辨模式的生化眼,并嘗試在實(shí)驗(yàn)者的皮膚之下植入電源裝置。
電子舌頭
美國(guó)伊利諾斯州大學(xué)化學(xué)家最新研制一種電子舌頭,具有非常高的精確率,甚至能夠分辨出美國(guó)可樂和墨西哥可樂之間的差別。目前這種新型電子裝置已計(jì)劃投入市場(chǎng)。
奧托博克機(jī)械臂
德國(guó)奧托博克公司研制的仿生手臂也能夠自然控制移動(dòng)。人們不必從手臂至手掌建立神經(jīng)連接,直接依靠放置在前臂的兩個(gè)傳感器,捕捉到信號(hào)后,再操控機(jī)械臂。奧托博克公司宣稱這款機(jī)械手臂具有三種移動(dòng)范圍:旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸展。同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)手指完全攥握。目前這款機(jī)械手臂在視頻顯示和提升手臂實(shí)際操作能力等方面,仍有改進(jìn)余地。
能夠呼吸的人工肺
近期,美國(guó)凱斯西保留地大學(xué)的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了一款人工肺裝置,它可以在植入人體后,向人體血液輸送氧氣。不過到目前為止,該人工肺只能輸入純氧而不能是普通的空氣。
該設(shè)備的大小和真正的肺部類似,內(nèi)置氧氣和二氧化碳的交換膜和血管微流體通道,這為未來肺癌等患者的人工肺移植手術(shù)鋪平了道路。
人造嗅覺探測(cè)器
美國(guó)國(guó)防部正在開展一項(xiàng)新研究,模仿狗的靈敏嗅覺,來制造一種能夠分辨多種化合物的人造嗅覺探測(cè)器。這項(xiàng)研究如果成功,將大大提高美軍在戰(zhàn)區(qū)探測(cè)化學(xué)武器的能力。這項(xiàng)名為RealNose的研究目前仍處于研制初期階段。
膝及踝關(guān)節(jié)
協(xié)調(diào)義肢
這種義肢是由美國(guó)范德比爾特大學(xué)研制的,它是首款與仿生腳踝相配合的義肢膝蓋。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)家健康學(xué)會(huì)投資花費(fèi)了7年時(shí)間制造出這款義肢,它是在傳統(tǒng)“被動(dòng)式”義肢基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造,目前尚未公開銷售。
大腦控制機(jī)械手臂
美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)研制的人體仿生機(jī)械手臂,未來它可能通過大腦植入微小芯片的手段,讓大腦直接將指令傳輸給機(jī)械手臂,瞬間完成指定動(dòng)作。