汶川大地震后，曾有位科技大學的學生表示他們已設(shè)計制造出機械手，可以捐贈給在大地震中右手被砸斷的四川北川中學高三學生趙春林。當時有報道稱，這只機械手樣品曾在當年湖北省和全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中分獲得過一等獎和三等獎。經(jīng)過不斷地改進，目前這只機械手除能夾取物品外，還可實現(xiàn)寫字、操作鼠標等功能。
高科技的人體仿生機械臂越來越接近普通人的生活。今年海外也有多起報道稱仿生機械臂取得突破性進展。塞爾維亞一名因車禍傷及手臂的男子，今年5月時，甚至主動砍掉那只傷殘的手臂，接受手術(shù)后,換上了一只仿生機械臂。
人體仿生機械的出現(xiàn)，給多少不幸的人們帶來重生的希望。
研究進展
“靶向肌肉重新支配神經(jīng)”是重大突破
很多人在軍隊中或在其他事故中受傷被迫截肢，多年來，科學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償他們失去或者殘疾了的四肢?？萍嫉牟粩噙M步也催化了義肢技術(shù)的發(fā)展。
科學家的研究一度停頓在如何令義肢靈活地完成復雜動作的問題上。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?？茖W家也曾將傳感器植入兩只猴子的大腦，使其能夠控制一個機械手臂，還使一個殘疾人能夠借助意念在計算機屏幕上移動光標……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，研究成果發(fā)表于2009年2月10日出版的《美國醫(yī)學會雜志》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仿生手臂。
科學家將截肢者在手術(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，當患者想移動手臂時，大腦發(fā)送信號，這些信號先使胸部肌肉收縮，然后發(fā)送電子信號給仿生手臂，指導手臂移動。這個過程同健康人一樣，只需要有自覺的意識就可以。
這項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)和當前相應科技的設(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行運用。但它的局限性在于：并非每個病人都能自如地控制自己的肌肉神經(jīng);價格比較昂貴;需要花費數(shù)月來等待接通電線的布線神經(jīng)生長，并且需要漫長訓練才能變得高效等。
不管怎樣，“靶向肌肉重新支配神經(jīng)”手術(shù)仍然是目前最先進的技術(shù)，它允許神經(jīng)系統(tǒng)直接控制義肢的運動。
實際應用
被廣泛使用仍是漫長過程
芝加哥康復研究所人工義肢神經(jīng)工程設(shè)計中心主任托德·庫伊肯，是該技術(shù)的探路先鋒，他早在2001年已開始領(lǐng)隊進行人體仿生機械的實驗。目前，在美國、加拿大和歐洲，已經(jīng)有30個人進行了該實驗，包括8個士兵。
庫伊肯認為，這項技術(shù)被廣泛使用仍需要漫長過程。首先這種仿生機械臂由使用者的肌肉與神經(jīng)控制，使用者需要時間去適應。比如一位名叫丹尼爾的飛機駕駛員，他于2008年進行換肢手術(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，但他自認為“神經(jīng)生長好，就能夠捕捉到信號，但整個適應過程仍需要很長時間”。
價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”，雖然只能替換個別手指，不能替換整個手掌，但它的安裝費已高達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)每個用戶的特殊需求特別定制。
政府相關(guān)機構(gòu)的干預也令這項技術(shù)投入普遍使用遇到阻滯。美國國防部高級研究計劃局斥資上億美金，研制出的一種機械手臂，它可模擬手臂、肘部、手腕和手掌27種不同的自然運動，其中包括：旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸展。目前該技術(shù)已進入實驗將一個芯片植入人腦，以此來感知和控制神經(jīng)元的反應，并迅速將指令傳輸給機械手臂，讓手臂瞬間完成指定動作。但有報道稱，美國食品及藥物管理局等機構(gòu)正在密切追蹤這個項目，不過他們有可能出于某些原因控制該研發(fā)周期暫時停滯幾年。有人初步估計，人們真正使用到這個產(chǎn)品的時間，最快也要四五年后。
具體案例
人體仿生機械造福很多人
個案一 美國大二學生裝上機械腿
今年4月，海外媒體消息，科學家已發(fā)明一種可以通過神經(jīng)和肌肉控制的機器義肢。美國西北大學20歲的大二學生海利因骨癌失去自己的小腿，她現(xiàn)在正在芝加哥康復研究所仿生醫(yī)學中心，參加美國軍方進行的臨床試驗，嘗試裝上這種義肢。
試驗中，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，結(jié)合模式識別計算機軟件，最終來控制新生代的機器仿生義肢。海利從今年1月起就開始訓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。令人驚訝的是，整個過程海利并不需要接受手術(shù)，就能輕松控制這只機械腿。
個案二 英國15歲少女裝上機械手指
《每日郵報》報道，上個月英國一名15歲少女克洛伊·福爾摩斯被裝上一套“合成機械手指”，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。康復后，克洛伊的家人花費了3萬8千英鎊，為她裝上了這只機械手。這支機械手比普通人的手指更細長，但十分靈活，從此克洛伊又可以參加運動，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。
個案三 14歲車迷裝上仿生手
同樣是《每日郵報》報道，天生缺少左手的14歲英國F1賽車迷馬修，今年6月致信F1奔馳車隊，希望對方能提供3.5萬英鎊為自己安裝一個義肢。作為回報，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。奔馳車隊稱對這封“聰明和感人信件”所打動，最終為馬修捐助1萬英鎊，定制了世界上最先進的仿生手。
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，可負重約89公斤，是通過接收殘肢發(fā)出的肌肉信息來運作的。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?？幔鈿な峭该鞯?，你可以看到里面的機械運作過程。”
仿生技術(shù)創(chuàng)意無限
和所有先進科技相比，大自然處理問題的方式永遠都有值得模仿的神奇地方。15世紀時達芬奇就曾解剖鳥類，試圖以此為藍本設(shè)計出一種“飛行機器”，到今天，從機器人到多種生物醫(yī)學界的突破性進展，仿生學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。
觸摸仿生學手指
觸摸仿生公司研制出的“領(lǐng)先手指”，雖然只能替換個別手指，卻是目前最受關(guān)注的新科技，目前已成功應用于幾十例手術(shù)。它像奧托博克機械手臂一樣，每個手指都是通過肌電傳感器觸發(fā)，能夠響應肌肉瞬間變化，實現(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(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。美國華盛頓大學生物醫(yī)學工程師杰伊·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)計原理非常類似于人工耳蝸，是直接發(fā)送電子信號至前庭神經(jīng)，再迂回身體自然調(diào)控機制。魯賓斯坦描述這項技術(shù)為“需求性起搏器”。
人造肌肉
科學家研制出一種電流驅(qū)動聚合物人造肌肉，并可以將人造肌肉和電池都藏在人體太陽穴的凹位，從外表很難進行觀測。人造肌肉在通電時會呈現(xiàn)舒張狀態(tài)，斷電之后就會收緊使眼瞼閉合，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、受傷、先天或者后天疾病導致永久不能眨眼的病人，通過眨眼保持眼睛健康?？茖W家仍在改良技術(shù)，估計5年之內(nèi)可應用于病人。
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。
劉易斯后來因為腎臟和肝臟衰竭，才被迫關(guān)掉其人工心臟，安詳死去。醫(yī)生稱這個人工心臟運行非常“完美”。
這個人工心臟以兩個心室輔助裝置接駁而成，可以取代整個心臟，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。
動力腳BiOM
休·黑爾是美國麻省理工媒體實驗室機械組主管，他不僅是“動力腳BiOM”的研發(fā)者，還是該機械義肢的使用者。“動力腳BiOM”不僅僅是一個彈簧裝置，它還能使使用者感知自然環(huán)境，并相應地作出即時反應。在實時適應地形變化狀況下，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。這個設(shè)計目前已進入市場。
人造氣管
今年6月份，意大利干細胞專家保羅·馬基亞利尼領(lǐng)導的國際研究小組在瑞典對一名患氣管癌的36歲男子實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胞培育移植所需氣管組織，來進行移植手術(shù)。手術(shù)后患者并沒有發(fā)生排斥反應，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、食管等簡單器官，但要想在實驗室制造出腎臟或心臟等更復雜的器官，可能還有一定難度。
生物眼
德國圖賓根市眼科臨床大學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，并嘗試在實驗者的皮膚之下植入電源裝置。
電子舌頭
美國伊利諾斯州大學化學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劃投入市場。
奧托博克機械臂
德國奧托博克公司研制的仿生手臂也能夠自然控制移動。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傳感器，捕捉到信號后，再操控機械臂。奧托博克公司宣稱這款機械手臂具有三種移動范圍：旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸展。同時，可以實現(xiàn)手指完全攥握。目前這款機械手臂在視頻顯示和提升手臂實際操作能力等方面，仍有改進余地。
能夠呼吸的人工肺
近期，美國凱斯西保留地大學的科學家們設(shè)計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。
人造嗅覺探測器
美國國防部正在開展一項新研究，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器。這項研究如果成功，將大大提高美軍在戰(zhàn)區(qū)探測化學武器的能力。這項名為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
這種義肢是由美國范德比爾特大學研制的，它是首款與仿生腳踝相配合的義肢膝蓋。美國國家科學基金會和國家健康學會投資花費了7年時間制造出這款義肢，它是在傳統(tǒng)“被動式”義肢基礎(chǔ)上進行技術(shù)升級改造，目前尚未公開銷售。
大腦控制機械手臂
美國國防部高級研究計劃局(DARPA)研制的人體仿生機械手臂，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械手臂，瞬間完成指定動作。
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