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(guò)一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。經(jīng)過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)，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(guò)義肢來(lái)補(bǔ)償他們失去或者殘疾了的四肢。科技的不斷進(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(wèn)題上。多年的探索中，他們想過(guò)無(wú)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(wú)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(méi)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(guò)使用接通電源的神經(jīng)和大腦，來(lái)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(lái)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(guò)程同健康人一樣，只需要有自覺(jué)的意識(shí)就可以。

這項(xiàng)通過(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(wàn)至7.3萬(wàn)美元。人們還無(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)控制新生代的機(jī)器仿生義肢。海利從今年1月起就開(kāi)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(guò)神經(jīng)與肌肉發(fā)送電極信號(hào)。令人驚訝的是，整個(gè)過(guò)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(guò)手套中的傳感器來(lái)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。康復(fù)后，克洛伊的家人花費(fèi)了3萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(guò)接收殘肢發(fā)出的肌肉信息來(lái)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(shuō)：“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(guò)程。”

仿生技術(shù)創(chuàng)意無(wú)限

和所有先進(jìn)科技相比，大自然處理問(wèn)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(wú)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(guò)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(guò)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(yáng)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(kāi)眼瞼，因此通過(guò)開(kāi)關(guān)便能使眼瞼開(kāi)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(guò)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(méi)有心跳，卻可以坐起來(lái)，甚至和家人交談。

劉易斯后來(lái)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(méi)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(lái)進(jìn)行移植手術(shù)。手術(shù)后患者并沒(méi)有發(fā)生排斥反應(yīng)，病人也無(wú)需要服用免疫抑制藥物。

專家指出，人造結(jié)構(gòu)可被用來(lái)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(jué)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(lè)和墨西哥可樂(lè)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(guò)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(lái)肺癌等患者的人工肺移植手術(shù)鋪平了道路。

人造嗅覺(jué)探測(cè)器

美國(guó)國(guó)防部正在開(kāi)展一項(xiàng)新研究，模仿狗的靈敏嗅覺(jué)，來(lái)制造一種能夠分辨多種化合物的人造嗅覺(jué)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(kāi)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(lái)它可能通過(guò)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。