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仿生技術大革命

隨著時代的進步 ， 新技術漸漸被開發(fā)并一直被完善 ， 慢慢成熟的技術為我們帶來了曾經想不到的方便與成功 。也為多少人帶來了生的希望 。下面小編就為你介紹一下吧！
仿生技術大革命
仿生學在影響和改變著我們的生活 。人工心臟可賜予患者第二次生命 ， 人工耳蝸可使失聰者重獲聽力 ， 仿生眼球可使失明者重見光明以及仿生肢體可使癱瘓者重新站起來 。當好萊塢電影不斷展現(xiàn)“鋼鐵俠”之類的超人能量時 ， 如今的仿生學在人類生活中的應用已到了哪一步？牛津大學未來人類學專家桑德伯格博士表示 ， 改造人類身體變得越來越容易 ， 打造無敵鐵金剛已不再是幻想 。
手臂
人腦控制“阿凡達臂”
2010年 ， 美國防部高等研究計劃署斥資3450萬美元 ， 支持約翰·霍普金斯大學等幾所研究機構合力打造一款通過植入大腦神經傳感器來控制的假肢 ， 旨在讓“截肢士兵可能憑借思維控制機械手臂” 。2012年1月24日 ， 一名美國傷殘軍人安裝了約翰·霍普金斯大學研究的智能化手臂 。該“手臂”重9磅(約合4.08公斤) ， 由人腦智能控制 。金屬手臂獨立做出的動作可被精細地劃分為22級 ， 有媒體將其稱為“阿凡達臂” 。研究人員解釋其原理時說 ， 當人的手臂受傷乃至斷掉后 ， 殘肢仍然會接收并保留大腦傳輸過來的指令 。智能化假肢可實時搜集在殘肢肌肉中保留的大腦信號 ， 將其轉化為假肢能夠讀懂的電腦指令語言 ， 進而驅動金屬手臂產生相應運動 。這種由假肢做出的動作會比較流暢 ， 基本出自于本能和直覺 。
皮膚
電子皮膚感應蝴蝶著陸
雖然可以復制出觸感與質感逼真的仿生皮膚 ， 但人類皮膚對壓力與疼痛的反應卻是難以復制的 。加州大學伯克利分校研究人員發(fā)明了一種能夠感應壓力的電子皮膚 ， 將來有望幫助使用假肢的病人恢復觸覺 。助理教授阿里·賈維表示 ， 電子皮膚的基礎體是一種聚合樹脂制成的膠片 ， 膠片表面有黏性 ， 覆蓋有發(fā)揮信號感知和傳導作用的一種鍺硅混合納米線 ， 進而在納米線上安裝納米級傳感器 ， 再覆蓋一種對壓力敏感的橡膠 。電子皮膚極為敏感 ， 一只蝴蝶輕輕落在上面也能感應到 。
心臟
電動馬達驅動人造心臟
用人造心臟來替代病變或者損壞的心臟一直是醫(yī)學界的夢想 。如今 ， 醫(yī)學界已能讓人造心臟的臨床應用成為可能 。法國Carmat醫(yī)藥公司預計在明年將新型人造心臟推廣到歐洲市場 。這種人造心臟經歷了15年的研發(fā) ， 表面由人造制品和動物組織制成 ， 由兩個小型電動馬達驅動 。在植入病人胸腔后 ， 通過感應器上收集到的信息來模仿真實器官的各種反應 ， 并通過皮膚上或插在病人耳朵后面的電磁感應器驅動控制器 ， 來操作人造心臟 。這種設備預計售價在10萬英鎊左右 。
大腦
起搏器技術存在爭議
老年癡呆癥、中風和帕金森綜合征都會使大腦失去停頓狀態(tài) ， 失去對身體的控制能力 。科學家們發(fā)現(xiàn) ， 大腦起搏器技術可通過電脈沖刺激大腦局部神經使患者在一定程度上恢復身體知覺 ， 因此醫(yī)生通過外科手術方式 ， 將導線植入大腦特定位置 ， 利用腦部節(jié)律器發(fā)出的電波刺激 ， 來調節(jié)腦部不正常的活動訊息 ， 控制身體運動紊亂癥狀 。這項技術除了被應用于以上三種疾病 ， 現(xiàn)在還被用來治療抑郁癥與強迫癥 ， 均收到一定療效 ， 甚至可使輪椅上的患者短暫行走 。
不過 ， 大腦起搏器涉及的技術在醫(yī)學界仍存很大爭議 ， 一些專家質疑其能否長期產生效用 ， 徹底根治疾病 。
耳朵
Hi-Fi仿生耳享受音樂
仿生耳的出現(xiàn)已有40多年了 。耳蝸植入裝置將聲音轉化成電脈沖信號傳入大腦 ， 讓使用者能夠聽到 。不幸的是 ， 這種裝置有缺陷 ， 患者在喧鬧的環(huán)境中聽人講話會很費勁 ， 并且很難享受到音樂的樂趣 。鑒于此 ， 澳大利亞拉籌伯大學的科學家正在研發(fā)新型可移植仿生耳 ， 通過模仿大腦使用電信號捕獲他人談話 ， 能夠讓耳聾患者重新恢復聽力 ， 讓他們不但可以清晰地聽到他人講話 ， 還能享受音樂 。一些研究人員將這種下一代助聽器戲稱為“Hi-Fi仿生耳” 。
眼睛
大腦植入芯片恢復視力
由于眼睛的完美和復雜性 ， 迄今為止 ， 依然不能利用人工的方法復刻其完整功能 。目前 ， 德國圖賓根眼科醫(yī)學院的研究人員已在這方面取得顯著突破 ， 他們用一個與眼角膜功能類似的電子設備來恢復盲人的部分視力 。此項技術將一片芯片植入大腦 ， 它長約3.1毫米 ， 由一組1500個微光敏二極管組成 。這些靈敏元件檢測光線 ， 同時控制脈沖電流的輸出 。更亮的光線可以引起更強的電流 。每一個感光元件都有自己的電極 ， 這些電極與視網膜中被稱為極性細胞的神經細胞聯(lián)結 ， 這些細胞是眼睛與大腦連接中的第一個傳輸單元 。這些傳感器就可以模擬眼睛圖像采集的功能 ， 即將光轉化成電流的形式輸出 。
雙腿
仿生腿能站能動能騎車
德國奧拓博客醫(yī)療公司將Wii游戲機的速度與方向遙控技術運用到新型Genium仿生腿中 。Genium采用碳材質 ， 售價5萬英鎊 ， 重2.9磅(約合1.32公斤) ， 內置7個傳感器 ， 另有1個陀螺儀和1個加速器 。這些元件采用先進的計算機信息處理技術 ， 可檢測到使用者在運動速度和方向上的微小變化 。這使得它比那些需要改變膝關節(jié)硬度的假肢要好 ， 能夠提供更好的平衡性和穩(wěn)定性 。
此外 ， Genium仿生腿的智能裝置可準確判斷人的各種運動狀態(tài) 。它既可以完成基本的站立和移動動作 ， 也可在液壓閥裝置的幫助下 ， 在10種復雜運動狀態(tài)間(包括騎車、越野滑雪、打高爾夫球等)輕松切換 。
讓人體器官重生
作為世界人口最多的國家 ， 中國也是生物材料和器械的需求大國 ， 這給醫(yī)用仿生材料構建了巨大的發(fā)展空間 。
目前臨床應用的人造血管主要為滌綸和膨體聚四氟乙烯(epTFE)兩種 。膨體聚四氟乙烯的組織相容性極佳 ， 與自體組織切實“融”為一體 ， 手感柔軟而富有彈性 ， 還非常牢固 ， 不會被拉長或被撕裂 。迄今為止世界上400萬例膨體聚四氟乙烯植火手術 ， 沒有發(fā)生一例對該材料的過敏及排斥反應 。美國萊斯大學已開發(fā)出一種新型聚氨酯材料 ， 可用于直徑小于6毫米的人造血管 ， 在生理狀態(tài)下 ， 這種聚氨酯釋放的一氧化氮可以防止血液的凝結 。
到目前為止 ， 許多科學家已從生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十種人造皮膚 。他們把這些材料紡織成帶微細孔眼的皮片 ， 上面還蓋著薄薄的、模仿“表皮”的制品 。如今 ， 科學家已研制出多種人工真皮 ， 如透明質酸膜、聚乳酸膜等 ， 可誘導自體的組織細胞生長 ， 形成新的、結構規(guī)則的真皮樣組織 ， 從而重建真皮層 。
假肢材料過去多用鋁等硬金屬材料制造 ， 隨著化學工業(yè)的發(fā)展 ， 硅橡膠、聚乙烯、聚丙烯酸樹脂3種化學物質成為常用的假肢材料 。這些化學材料制造工藝簡化 ， 能使假肢制品更符合生理、力學的要求 ， 同時大大減輕了假肢的質量 。
過去對嚴重的器官損傷的現(xiàn)有治療方法之一是活體移植 ， 這又帶來兩個問題：一是排斥作用 ， 二是供應器官的人太少 。現(xiàn)在 ， 生物醫(yī)學專家希望利用模仿人體組織的仿生材料 ， 用人工的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常器官 。另外 ， 器官是人體物質和能量交換的重要場所 。人工器官要進行物質的交換 ， 膜是重要的介質 。人工胰采用的高分子膜材料很多 ， 比較成功的有聚賴氨酸—海藻酸體系、聚丙烯酸酯體系、殼聚糖—海藻酸體系等
當人們因為遭受病痛或傷害失去了部分重要器官時 ， 靈巧、敏感、逼真的仿生器官能夠“接力頂上” ， 將最大程度彌補病痛給患者造成的傷害 。科學家的終極目標當然是 ， 讓仿生器官與人體最終做到“無縫對接” 。仿生器官技術發(fā)展到今天 ， 已經不僅限于義肢、人造心臟等“大部件” ， 更加精密、細小的仿生器官有望在不久的未來“隨取隨用” ， 造福大眾醫(yī)療 。
仿生技術治“怪病”
上下樓梯、快速步行是每一天每個人都會做的舉動 ， 或許 ， 你還會一手拿著一杯提神用的咖啡 ， 一手抓著一份當天的報紙去上班 ， 并在過人行道的同時 ， 躲避其他行色匆匆的行人向你撞來 。
這是身體健康、視聽正常的人們司空見慣的世界 。我們眼中的世界方正、平穩(wěn) ， 不像有些紀實電影用DV拍攝出來的畫面一般搖搖晃晃令人暈眩 ， 何其幸運 。說幸運 ， 是因為世界上還存在著另一些人 ， 由于喪失了自己的平衡感 ， 連上述簡單的舉動都無法做到 。
人體與生俱來的平衡感不是無端存在的 ， 讓人保持平衡、讓人的視線與步伐保持一致 ， 源自位于人內耳道中的“前庭系統(tǒng)” 。前庭可以感受到人體頭位、體位的變化 ， 可以隨時調整人身體的姿勢 ， 達到身體平衡 。最能讓一般人了解前庭作用的例子是 ， 有些人會出現(xiàn)暈車、暈船的癥狀 ， 就是因為前庭出現(xiàn)了短暫的功能失衡 。
然而 ， 有時候由于使用抗生素不當、外傷、病毒感染、基因疾病等原因 ， 前庭系統(tǒng)會出現(xiàn)病變 ， 最后導致失靈 。
“如果你失去了雙耳內前庭的知覺 ， 那每當你踏上地面 ， 你眼中的世界都是顛簸的 。”美國約翰斯霍金斯大學前庭神經工程實驗室的主管查爾斯·德拉·桑提納說 。
想象一下無時無刻不在暈車的感覺 。患者將無法開車 ， 甚至無法正常行走 。而目前的醫(yī)療水平對這一癥狀卻束手無策 。
“對喪失平衡功能的成年病患 ， 我們現(xiàn)在能做的只是為他們進行物理治療 ， ”作為醫(yī)生的桑提納介紹說 ， 他們會建議病人在行動時努力盯緊一個固定點以保持平衡 ， “但前庭系統(tǒng)在極短時間內調整人體平衡的效果 ， 是無法用這樣的方式予以替代的 。”
由于無法治療 ， 受此病癥困擾的病患個體也無法估計 。桑提納認為 ， 單在美國就存在5萬前庭系統(tǒng)病變患者 。
桑提納的工作就是尋找出這些患者的方法 ， 而他看好的方法是 ， 用仿生手法為患者重造一個前庭系統(tǒng) 。
動物實驗獲成功
正在研制中的仿生前庭系統(tǒng)僅是當代科學家致力于開發(fā)的仿生人體器官中的一種 。
當人們因為遭受某種病痛或傷害失去了一部分重要器官 ， 如果科學家能開發(fā)出感應器更多 ， 更加靈活、敏感、完善的仿生器官 ， 那將最大程度彌補病痛為患者造成的傷害 。而終極目標 ， 當然是讓仿生器官與真實人體器官之間的差異降低到最小 。
要做到與人體的“無縫對接” ， 仿生器官的研制過程需要十分精細 。以仿生前庭為例 ， 桑提納帶領的研究小組已經開發(fā)出日后可用于植入人體的仿生前庭的雛形 。
到目前為止 ， 桑提納的仿生前庭裝置已經在老鼠的活體實驗上取得了成功 ， 并正在猴子身上做進一步測試 。科研人員同時要將裝置做得更小巧 ， 以減少耗電量 。
無獨有偶 ， 華盛頓大學的外科專家與耳鼻喉科教授杰·魯賓斯坦也開發(fā)了類似的仿生前庭裝置 。
魯賓斯坦已搶先一步向美國食品與藥品監(jiān)督局發(fā)出了要求用于臨床試驗的申請 。如果進展順利 ， 今年秋天開始 ， 這個裝置就可以在人類志愿者身上產生作用了 。
只是 ， 要將仿生前庭推廣到普通患者身上 ， 還需要相當長的一段時間 。因為材料、技術的特殊與精細 ， 仿生器官的造價十分高昂 ， 目前 ， 一個仿生前庭的成本就高達上百萬美元 。
科研人員的目標不僅要完善仿生器官的功能 ， 更要降低它們的成本 ， 以達到最終造福患者的目的 。
十大仿生技術
1、仿生視網膜
視網膜位于眼球背后 ， 作用是集合光線 ， 而仿生視網膜也必須牢牢附著在眼球背后才能產生作用 。據(jù)美國加利福尼亞州專門研制仿生視網膜的“第二視力”企業(yè)副總裁布萊恩·梅克介紹 ， 第一代仿生視網膜擁有16個電極 ， 電極就像顯示的像素一樣 ， 第一代仿生視網膜只能讓患者看到較大的字樣 。目前 ， 該公司正在將擁有60個電極的第二代仿生視網膜應用于臨床試驗 ， 據(jù)悉 ， 已有30名病患率先嘗試使用 。該公司還致力于開發(fā)第三代仿生視網膜 ， 這種擁有超過200個電極的仿生視網膜將極大限度接近天然視網膜 。
2、仿生神經
仿生神經的研究堪稱仿生器官領域的“圣杯” 。一旦成功 ， 將造福大批脊椎損傷、中風、腦部疾病的病患 ， 這些病患往往神志正常、思維清晰 ， 但卻無法移動肢體或與人交流 ， 十分痛苦 。科學家希望 ， 仿生神經能代替那些已經無法向肢體肌肉傳達大腦信號的受損神經 。早先研究中 ， 科學家使用活體肌肉神經來充當代替品 ， 但隨著現(xiàn)代醫(yī)療與大腦神經技術的發(fā)達 ， 科學家已經開始嘗試在腦部與肢體內植入電極 ， 讓大腦“無線”遙控肢體活動 。
3、仿生耳蝸
仿生耳蝸是為耳蝸受傷而失去聽覺的患者而設 。它分為兩部分 ， 一部分是一個被放置在病患耳朵外的麥克風 ， 用于捕捉聲音 ， 并將聲音轉化為電子脈沖 ， 輸送入被植入耳內另一部分的電極中 ， 直接刺激病患的聽覺神經 ， 從而恢復部分聽覺 。
“仿生耳蝸是目前研制最成功的仿生器官 。”美國耳聾和其他交際紊亂癥研究所的羅格·米勒如此評價 。僅在2006年 ， 全世界范圍內就有11萬人被植入了仿生耳蝸 。只不過 ， 憑當前的技術水平 ， 仿生耳蝸并不能100%恢復聽覺 ， 科學家正試圖通過增加內置電極等方法讓它變得更為精密 。
4、仿生前庭
仿生前庭使用了一種陀螺狀的回轉儀 ， 用于測量三維空間內任何人體行動帶來的震動 。而測量的結果要先轉化成電子脈沖 ， 再傳達至前庭神經 ， 模擬真正的前庭的功用 ， 以便大腦在發(fā)出信號時 ， 視線與肢體動作能保持同步 。科學家表示 ， 目前仿生前庭只能作為改善失去平衡力患者的醫(yī)療手段 ， 而不能作為一些指望大玩過山車而不頭暈目眩的正常人的“暈車藥” 。
5、仿生心臟
人造心臟不是什么稀罕事 ， 倒是人造心臟一直存在容易造成血凝塊堵塞血管導致嚴重后果的問題 。法國心臟外科醫(yī)師埃蘭·卡朋提爾發(fā)明了一種能夠解決這一問題的仿生心臟 ， 它擁有兩個微型泵 ， 用于模擬真實心臟的兩個心室 ， 內置反應器與處理器調整血液流量 ， 防止出現(xiàn)血凝 。卡朋提爾已經將這一仿生心臟成功安裝在一頭牛的體內 ， 預計兩到三年內可以在人體上展開測試 。
6、仿生軀干
仿生器官技術不僅能讓完全失去部分肢體的人們重獲新生 ， 還能幫助肢體完好卻功能受損的病患進行物理鍛煉 。由日本企業(yè)開發(fā)的仿生軀干與一般仿生器官不同 ， 它無需手術植入 ， 只用于外穿 ， 可幫助肢體完好卻行動不便的患者、老年人正常活動 ， 甚至成為大力士 。相比其他用途嚴謹?shù)姆律鞴?nbsp;， 仿生軀干更有可能在短時間內被普及 。“未來 ， 或許在大街小巷都能看到許多身穿仿生軀干的人 。”休·赫爾認為 ， 當人們變得越來越懶 ， 方便省力的仿生軀干會大有市場 。
7、仿生腳掌
仿生技術發(fā)展到將來 ， 讓病患覺得仿生器官與真實器官無甚區(qū)別會是研究人員的最大目標 。位于美國馬薩諸塞州的高科技研究所的休·赫爾工程師正在開發(fā)一種能在形狀、重量乃至靈活度都與真實肢體極為相似的仿生腳掌 。仿生腳掌上帶有三個計算機處理器 ， 一個控制微型發(fā)動機 ， 一個用于估計腳掌抬到半空時其位置 ， 還有一個用于將它推向上前方 。赫爾的公司計劃在明年正式推出這個名為“一只有力的腳”的產品 。
8、仿生膝蓋
仿生義肢一直是仿生器官研究領域的重點鉆研地帶 。人造膝蓋早已問世 ， 原理是將它與膝蓋周圍肌肉連接 ， 通過肌肉運動帶動膝蓋活動 ， 使用者動作將會僵硬且不便 。先鋒義肢制造公司奧瑟爾(Ossur)推出了更加智能化的人造膝蓋 ， 也就是仿生膝蓋 。仿生膝蓋大量使用了感應器、回轉儀、微型發(fā)動機與計算機處理器等高科技技術 ， 幫助病患在不費力的情況下以更加自然的姿態(tài)重新站立與步行 。“仿生膝蓋擁有獨立的感應器 ， 使用者想它動 ， 它就會動 。”奧瑟爾的科學家伊恩·福德吉爾說 。
9、仿生手臂
美國國防部高級研究計劃署正在開展一個名為“革命性義肢”的項目 ， 這一項目已經開發(fā)出一種活動自如的仿生手臂 。為讓使用者感覺逼真 ， 仿生義肢大多做到了與肌肉神經的精密連接 ， 像這種仿生手臂也能夠通過思想控制 ， 做出拿起水瓶、將水瓶送到口邊、抬起水瓶喝水等一系列普通義肢難以完成的復雜動作 。預計該仿生手臂明年開始正式應用于臨床試驗 。
10、仿生手指
仿生手指的研究項目同樣出自美國國防部高級研究計劃署之手 。該研究署的科學家不僅在鉆研能將數(shù)千炸彈輕易拆除的機械臂 ， 同時也在開發(fā)輕巧、靈活的仿生肢體 。仿生手指的靈活度更甚于仿生手臂 。目前科學家已經成功研制出能夠“指揮”肌肉萎縮的病患手指活動自如的仿生裝置 。
【仿生技術大革命】結語：看了以上小編提供的文章 ， 您一定覺得新時代的技術很了不起吧 。不過還是希望大家沒有用到的機會 。(文章原載于《都市健康人》 ， 刊期：2012年第6期 ， 作者：王曉楓 ， 版權歸作者所有;轉載目的在于傳遞更多信息 ， 并不代表小編贊同其觀點和對其真實性負責 。如涉及作品內容、版權和其它問題 ， 請盡快與我們聯(lián)系 ， 我們將在第一時間刪除內容) 。

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