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仿生技术大革命

随着时代的进步 ， 新技术渐渐被开发并一直被完善 ， 慢慢成熟的技术为我们带来了曾经想不到的方便与成功 。也为多少人带来了生的希望 。下面小编就为你介绍一下吧！
仿生技术大革命
仿生学在影响和改变着我们的生活 。人工心脏可赐予患者第二次生命 ， 人工耳蜗可使失聪者重获听力 ， 仿生眼球可使失明者重见光明以及仿生肢体可使瘫痪者重新站起来 。当好莱坞电影不断展现“钢铁侠”之类的超人能量时 ， 如今的仿生学在人类生活中的应用已到了哪一步？牛津大学未来人类学专家桑德伯格博士表示 ， 改造人类身体变得越来越容易 ， 打造无敌铁金刚已不再是幻想 。
手臂
人脑控制“阿凡达臂”
2010年 ， 美国防部高等研究计划署斥资3450万美元 ， 支持约翰·霍普金斯大学等几所研究机构合力打造一款通过植入大脑神经传感器来控制的假肢 ， 旨在让“截肢士兵可能凭借思维控制机械手臂” 。2012年1月24日 ， 一名美国伤残军人安装了约翰·霍普金斯大学研究的智能化手臂 。该“手臂”重9磅(约合4.08公斤) ， 由人脑智能控制 。金属手臂独立做出的动作可被精细地划分为22级 ， 有媒体将其称为“阿凡达臂” 。研究人员解释其原理时说 ， 当人的手臂受伤乃至断掉后 ， 残肢仍然会接收并保留大脑传输过来的指令 。智能化假肢可实时搜集在残肢肌肉中保留的大脑信号 ， 将其转化为假肢能够读懂的电脑指令语言 ， 进而驱动金属手臂产生相应运动 。这种由假肢做出的动作会比较流畅 ， 基本出自于本能和直觉 。
皮肤
电子皮肤感应蝴蝶着陆
虽然可以复制出触感与质感逼真的仿生皮肤 ， 但人类皮肤对压力与疼痛的反应却是难以复制的 。加州大学伯克利分校研究人员发明了一种能够感应压力的电子皮肤 ， 将来有望帮助使用假肢的病人恢复触觉 。助理教授阿里·贾维表示 ， 电子皮肤的基础体是一种聚合树脂制成的胶片 ， 胶片表面有黏性 ， 覆盖有发挥信号感知和传导作用的一种锗硅混合纳米线 ， 进而在纳米线上安装纳米级传感器 ， 再覆盖一种对压力敏感的橡胶 。电子皮肤极为敏感 ， 一只蝴蝶轻轻落在上面也能感应到 。
心脏
电动马达驱动人造心脏
用人造心脏来替代病变或者损坏的心脏一直是医学界的梦想 。如今 ， 医学界已能让人造心脏的临床应用成为可能 。法国Carmat医药公司预计在明年将新型人造心脏推广到欧洲市场 。这种人造心脏经历了15年的研发 ， 表面由人造制品和动物组织制成 ， 由两个小型电动马达驱动 。在植入病人胸腔后 ， 通过感应器上收集到的信息来模仿真实器官的各种反应 ， 并通过皮肤上或插在病人耳朵后面的电磁感应器驱动控制器 ， 来操作人造心脏 。这种设备预计售价在10万英镑左右 。
大脑
起搏器技术存在争议
老年痴呆症、中风和帕金森综合征都会使大脑失去停顿状态 ， 失去对身体的控制能力 。科学家们发现 ， 大脑起搏器技术可通过电脉冲刺激大脑局部神经使患者在一定程度上恢复身体知觉 ， 因此医生通过外科手术方式 ， 将导线植入大脑特定位置 ， 利用脑部节律器发出的电波刺激 ， 来调节脑部不正常的活动讯息 ， 控制身体运动紊乱症状 。这项技术除了被应用于以上三种疾病 ， 现在还被用来治疗抑郁症与强迫症 ， 均收到一定疗效 ， 甚至可使轮椅上的患者短暂行走 。
不过 ， 大脑起搏器涉及的技术在医学界仍存很大争议 ， 一些专家质疑其能否长期产生效用 ， 彻底根治疾病 。
耳朵
Hi-Fi仿生耳享受音乐
仿生耳的出现已有40多年了 。耳蜗植入装置将声音转化成电脉冲信号传入大脑 ， 让使用者能够听到 。不幸的是 ， 这种装置有缺陷 ， 患者在喧闹的环境中听人讲话会很费劲 ， 并且很难享受到音乐的乐趣 。鉴于此 ， 澳大利亚拉筹伯大学的科学家正在研发新型可移植仿生耳 ， 通过模仿大脑使用电信号捕获他人谈话 ， 能够让耳聋患者重新恢复听力 ， 让他们不但可以清晰地听到他人讲话 ， 还能享受音乐 。一些研究人员将这种下一代助听器戏称为“Hi-Fi仿生耳” 。
眼睛
大脑植入芯片恢复视力
由于眼睛的完美和复杂性 ， 迄今为止 ， 依然不能利用人工的方法复刻其完整功能 。目前 ， 德国图宾根眼科医学院的研究人员已在这方面取得显着突破 ， 他们用一个与眼角膜功能类似的电子设备来恢复盲人的部分视力 。此项技术将一片芯片植入大脑 ， 它长约3.1毫米 ， 由一组1500个微光敏二极管组成 。这些灵敏元件检测光线 ， 同时控制脉冲电流的输出 。更亮的光线可以引起更强的电流 。每一个感光元件都有自己的电极 ， 这些电极与视网膜中被称为极性细胞的神经细胞联结 ， 这些细胞是眼睛与大脑连接中的第一个传输单元 。这些传感器就可以模拟眼睛图像采集的功能 ， 即将光转化成电流的形式输出 。
双腿
仿生腿能站能动能骑车
德国奥拓博客医疗公司将Wii游戏机的速度与方向遥控技术运用到新型Genium仿生腿中 。Genium采用碳材质 ， 售价5万英镑 ， 重2.9磅(约合1.32公斤) ， 内置7个传感器 ， 另有1个陀螺仪和1个加速器 。这些元件采用先进的计算机信息处理技术 ， 可检测到使用者在运动速度和方向上的微小变化 。这使得它比那些需要改变膝关节硬度的假肢要好 ， 能够提供更好的平衡性和稳定性 。
此外 ， Genium仿生腿的智能装置可准确判断人的各种运动状态 。它既可以完成基本的站立和移动动作 ， 也可在液压阀装置的帮助下 ， 在10种复杂运动状态间(包括骑车、越野滑雪、打高尔夫球等)轻松切换 。
让人体器官重生
作为世界人口最多的国家 ， 中国也是生物材料和器械的需求大国 ， 这给医用仿生材料构建了巨大的发展空间 。
目前临床应用的人造血管主要为涤纶和膨体聚四氟乙烯(epTFE)两种 。膨体聚四氟乙烯的组织相容性极佳 ， 与自体组织切实“融”为一体 ， 手感柔软而富有弹性 ， 还非常牢固 ， 不会被拉长或被撕裂 。迄今为止世界上400万例膨体聚四氟乙烯植火手术 ， 没有发生一例对该材料的过敏及排斥反应 。美国莱斯大学已开发出一种新型聚氨酯材料 ， 可用于直径小于6毫米的人造血管 ， 在生理状态下 ， 这种聚氨酯释放的一氧化氮可以防止血液的凝结 。
到目前为止 ， 许多科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤 。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片 ， 上面还盖着薄薄的、模仿“表皮”的制品 。如今 ， 科学家已研制出多种人工真皮 ， 如透明质酸膜、聚乳酸膜等 ， 可诱导自体的组织细胞生长 ， 形成新的、结构规则的真皮样组织 ， 从而重建真皮层 。
假肢材料过去多用铝等硬金属材料制造 ， 随着化学工业的发展 ， 硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯酸树脂3种化学物质成为常用的假肢材料 。这些化学材料制造工艺简化 ， 能使假肢制品更符合生理、力学的要求 ， 同时大大减轻了假肢的质量 。
过去对严重的器官损伤的现有治疗方法之一是活体移植 ， 这又带来两个问题：一是排斥作用 ， 二是供应器官的人太少 。现在 ， 生物医学专家希望利用模仿人体组织的仿生材料 ， 用人工的办法培养出人体需要的正常器官 。另外 ， 器官是人体物质和能量交换的重要场所 。人工器官要进行物质的交换 ， 膜是重要的介质 。人工胰采用的高分子膜材料很多 ， 比较成功的有聚赖氨酸—海藻酸体系、聚丙烯酸酯体系、壳聚糖—海藻酸体系等
当人们因为遭受病痛或伤害失去了部分重要器官时 ， 灵巧、敏感、逼真的仿生器官能够“接力顶上” ， 将最大程度弥补病痛给患者造成的伤害 。科学家的终极目标当然是 ， 让仿生器官与人体最终做到“无缝对接” 。仿生器官技术发展到今天 ， 已经不仅限于义肢、人造心脏等“大部件” ， 更加精密、细小的仿生器官有望在不久的未来“随取随用” ， 造福大众医疗 。
仿生技术治“怪病”
上下楼梯、快速步行是每一天每个人都会做的举动 ， 或许 ， 你还会一手拿着一杯提神用的咖啡 ， 一手抓着一份当天的报纸去上班 ， 并在过人行道的同时 ， 躲避其他行色匆匆的行人向你撞来 。
这是身体健康、视听正常的人们司空见惯的世界 。我们眼中的世界方正、平稳 ， 不像有些纪实电影用DV拍摄出来的画面一般摇摇晃晃令人晕眩 ， 何其幸运 。说幸运 ， 是因为世界上还存在着另一些人 ， 由于丧失了自己的平衡感 ， 连上述简单的举动都无法做到 。
人体与生俱来的平衡感不是无端存在的 ， 让人保持平衡、让人的视线与步伐保持一致 ， 源自位于人内耳道中的“前庭系统” 。前庭可以感受到人体头位、体位的变化 ， 可以随时调整人身体的姿势 ， 达到身体平衡 。最能让一般人了解前庭作用的例子是 ， 有些人会出现晕车、晕船的症状 ， 就是因为前庭出现了短暂的功能失衡 。
然而 ， 有时候由于使用抗生素不当、外伤、病毒感染、基因疾病等原因 ， 前庭系统会出现病变 ， 最后导致失灵 。
“如果你失去了双耳内前庭的知觉 ， 那每当你踏上地面 ， 你眼中的世界都是颠簸的 。”美国约翰斯霍金斯大学前庭神经工程实验室的主管查尔斯·德拉·桑提纳说 。
想象一下无时无刻不在晕车的感觉 。患者将无法开车 ， 甚至无法正常行走 。而目前的医疗水平对这一症状却束手无策 。
“对丧失平衡功能的成年病患 ， 我们现在能做的只是为他们进行物理治疗 ， ”作为医生的桑提纳介绍说 ， 他们会建议病人在行动时努力盯紧一个固定点以保持平衡 ， “但前庭系统在极短时间内调整人体平衡的效果 ， 是无法用这样的方式予以替代的 。”
由于无法治疗 ， 受此病症困扰的病患个体也无法估计 。桑提纳认为 ， 单在美国就存在5万前庭系统病变患者 。
桑提纳的工作就是寻找出这些患者的方法 ， 而他看好的方法是 ， 用仿生手法为患者重造一个前庭系统 。
动物实验获成功
正在研制中的仿生前庭系统仅是当代科学家致力于开发的仿生人体器官中的一种 。
当人们因为遭受某种病痛或伤害失去了一部分重要器官 ， 如果科学家能开发出感应器更多 ， 更加灵活、敏感、完善的仿生器官 ， 那将最大程度弥补病痛为患者造成的伤害 。而终极目标 ， 当然是让仿生器官与真实人体器官之间的差异降低到最小 。
要做到与人体的“无缝对接” ， 仿生器官的研制过程需要十分精细 。以仿生前庭为例 ， 桑提纳带领的研究小组已经开发出日后可用于植入人体的仿生前庭的雏形 。
到目前为止 ， 桑提纳的仿生前庭装置已经在老鼠的活体实验上取得了成功 ， 并正在猴子身上做进一步测试 。科研人员同时要将装置做得更小巧 ， 以减少耗电量 。
无独有偶 ， 华盛顿大学的外科专家与耳鼻喉科教授杰·鲁宾斯坦也开发了类似的仿生前庭装置 。
鲁宾斯坦已抢先一步向美国食品与药品监督局发出了要求用于临床试验的申请 。如果进展顺利 ， 今年秋天开始 ， 这个装置就可以在人类志愿者身上产生作用了 。
只是 ， 要将仿生前庭推广到普通患者身上 ， 还需要相当长的一段时间 。因为材料、技术的特殊与精细 ， 仿生器官的造价十分高昂 ， 目前 ， 一个仿生前庭的成本就高达上百万美元 。
科研人员的目标不仅要完善仿生器官的功能 ， 更要降低它们的成本 ， 以达到最终造福患者的目的 。
十大仿生技术
1、仿生视网膜
视网膜位于眼球背后 ， 作用是集合光线 ， 而仿生视网膜也必须牢牢附着在眼球背后才能产生作用 。据美国加利福尼亚州专门研制仿生视网膜的“第二视力”企业副总裁布莱恩·梅克介绍 ， 第一代仿生视网膜拥有16个电极 ， 电极就像显示的像素一样 ， 第一代仿生视网膜只能让患者看到较大的字样 。目前 ， 该公司正在将拥有60个电极的第二代仿生视网膜应用于临床试验 ， 据悉 ， 已有30名病患率先尝试使用 。该公司还致力于开发第三代仿生视网膜 ， 这种拥有超过200个电极的仿生视网膜将极大限度接近天然视网膜 。
2、仿生神经
仿生神经的研究堪称仿生器官领域的“圣杯” 。一旦成功 ， 将造福大批脊椎损伤、中风、脑部疾病的病患 ， 这些病患往往神志正常、思维清晰 ， 但却无法移动肢体或与人交流 ， 十分痛苦 。科学家希望 ， 仿生神经能代替那些已经无法向肢体肌肉传达大脑信号的受损神经 。早先研究中 ， 科学家使用活体肌肉神经来充当代替品 ， 但随着现代医疗与大脑神经技术的发达 ， 科学家已经开始尝试在脑部与肢体内植入电极 ， 让大脑“无线”遥控肢体活动 。
3、仿生耳蜗
仿生耳蜗是为耳蜗受伤而失去听觉的患者而设 。它分为两部分 ， 一部分是一个被放置在病患耳朵外的麦克风 ， 用于捕捉声音 ， 并将声音转化为电子脉冲 ， 输送入被植入耳内另一部分的电极中 ， 直接刺激病患的听觉神经 ， 从而恢复部分听觉 。
“仿生耳蜗是目前研制最成功的仿生器官 。”美国耳聋和其他交际紊乱症研究所的罗格·米勒如此评价 。仅在2006年 ， 全世界范围内就有11万人被植入了仿生耳蜗 。只不过 ， 凭当前的技术水平 ， 仿生耳蜗并不能100%恢复听觉 ， 科学家正试图通过增加内置电极等方法让它变得更为精密 。
4、仿生前庭
仿生前庭使用了一种陀螺状的回转仪 ， 用于测量三维空间内任何人体行动带来的震动 。而测量的结果要先转化成电子脉冲 ， 再传达至前庭神经 ， 模拟真正的前庭的功用 ， 以便大脑在发出信号时 ， 视线与肢体动作能保持同步 。科学家表示 ， 目前仿生前庭只能作为改善失去平衡力患者的医疗手段 ， 而不能作为一些指望大玩过山车而不头晕目眩的正常人的“晕车药” 。
5、仿生心脏
人造心脏不是什么稀罕事 ， 倒是人造心脏一直存在容易造成血凝块堵塞血管导致严重后果的问题 。法国心脏外科医师埃兰·卡朋提尔发明了一种能够解决这一问题的仿生心脏 ， 它拥有两个微型泵 ， 用于模拟真实心脏的两个心室 ， 内置反应器与处理器调整血液流量 ， 防止出现血凝 。卡朋提尔已经将这一仿生心脏成功安装在一头牛的体内 ， 预计两到三年内可以在人体上展开测试 。
6、仿生躯干
仿生器官技术不仅能让完全失去部分肢体的人们重获新生 ， 还能帮助肢体完好却功能受损的病患进行物理锻炼 。由日本企业开发的仿生躯干与一般仿生器官不同 ， 它无需手术植入 ， 只用于外穿 ， 可帮助肢体完好却行动不便的患者、老年人正常活动 ， 甚至成为大力士 。相比其他用途严谨的仿生器官 ， 仿生躯干更有可能在短时间内被普及 。“未来 ， 或许在大街小巷都能看到许多身穿仿生躯干的人 。”休·赫尔认为 ， 当人们变得越来越懒 ， 方便省力的仿生躯干会大有市场 。
7、仿生脚掌
仿生技术发展到将来 ， 让病患觉得仿生器官与真实器官无甚区别会是研究人员的最大目标 。位于美国马萨诸塞州的高科技研究所的休·赫尔工程师正在开发一种能在形状、重量乃至灵活度都与真实肢体极为相似的仿生脚掌 。仿生脚掌上带有三个计算机处理器 ， 一个控制微型发动机 ， 一个用于估计脚掌抬到半空时其位置 ， 还有一个用于将它推向上前方 。赫尔的公司计划在明年正式推出这个名为“一只有力的脚”的产品 。
8、仿生膝盖
仿生义肢一直是仿生器官研究领域的重点钻研地带 。人造膝盖早已问世 ， 原理是将它与膝盖周围肌肉连接 ， 通过肌肉运动带动膝盖活动 ， 使用者动作将会僵硬且不便 。先锋义肢制造公司奥瑟尔(Ossur)推出了更加智能化的人造膝盖 ， 也就是仿生膝盖 。仿生膝盖大量使用了感应器、回转仪、微型发动机与计算机处理器等高科技技术 ， 帮助病患在不费力的情况下以更加自然的姿态重新站立与步行 。“仿生膝盖拥有独立的感应器 ， 使用者想它动 ， 它就会动 。”奥瑟尔的科学家伊恩·福德吉尔说 。
9、仿生手臂
美国国防部高级研究计划署正在开展一个名为“革命性义肢”的项目 ， 这一项目已经开发出一种活动自如的仿生手臂 。为让使用者感觉逼真 ， 仿生义肢大多做到了与肌肉神经的精密连接 ， 像这种仿生手臂也能够通过思想控制 ， 做出拿起水瓶、将水瓶送到口边、抬起水瓶喝水等一系列普通义肢难以完成的复杂动作 。预计该仿生手臂明年开始正式应用于临床试验 。
10、仿生手指
仿生手指的研究项目同样出自美国国防部高级研究计划署之手 。该研究署的科学家不仅在钻研能将数千炸弹轻易拆除的机械臂 ， 同时也在开发轻巧、灵活的仿生肢体 。仿生手指的灵活度更甚于仿生手臂 。目前科学家已经成功研制出能够“指挥”肌肉萎缩的病患手指活动自如的仿生装置 。
【仿生技术大革命】结语：看了以上小编提供的文章 ， 您一定觉得新时代的技术很了不起吧 。不过还是希望大家没有用到的机会 。(文章原载于《都市健康人》 ， 刊期：2012年第6期 ， 作者：王晓枫 ， 版权归作者所有;转载目的在于传递更多信息 ， 并不代表小编赞同其观点和对其真实性负责 。如涉及作品内容、版权和其它问题 ， 请尽快与我们联系 ， 我们将在第一时间删除内容) 。

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