仿生技術大揭秘:人腦控制“阿凡達”機械手臂

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導讀 仿生學在影響和改變著我們的生活。人工心髒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“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� ...

仿生學在影響和改變著我們的生活。人工心髒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“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發布斥資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的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”。今年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後,殘肢仍然會接收並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,基本出自於本能和直覺。

【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。助理教授阿裡·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。

【心髒】

電動馬達驅動人造心髒

用人造心髒來替代病變或者損壞的心髒一直是醫學界的夢想。如今,醫學界已擁有技術讓人造心髒的臨床應用成為可能。法國Carmat醫藥公司預計在明年將新型人造心髒推廣到歐洲市常這種人造心髒經歷了15年的研發,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。在植入病人胸腔後,通過感應器上收集到的信息來模仿真實器官的各種反應,並通過皮膚上的或插在病人耳朵後面的電磁感應器,驅動控制器來操作人造心髒。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

老年痴呆症、中風和帕金森綜合征無不使大腦失去停頓狀態,失去對身體的控制能力。科學家們發現,大腦起搏器是通過電脈衝刺激大腦局部神經便可使患者在一定程度上恢復身體知覺,因此醫生通過外科手術方式,將導線植入大腦特定位置,利用腦部節律器發出的電波刺激,來調節腦部不正常的活動訊息,控制身體運動紊亂症狀。這項技術除了被應用於以上三種疾病,現在還被用來治療抑郁症與強迫症,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,徹底根治疾玻

【耳朵】

Hi-Fi仿生耳享受音樂

仿生耳的出現已有40多年了。耳蝸植入裝置將聲音轉化成電脈衝信號傳入大腦,讓使用者能夠聽到。不幸的是,這種裝置無法調整到具體的聲音,因此在喧鬧的環境中患者聽人講話會很費勁,並且很難享受到音樂的樂趣。有鑒於此,澳大利亞拉籌伯大學的科學家正在研發新型可移植仿生耳,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

由於眼睛的完美和復雜性,迄今為止,依然不可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,同時控制脈衝電流的輸出。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細胞的正常功能,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

德國奧拓博客醫療公司將Wii游戲機的速讀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硬度的假肢要好,能夠提供更好的平衡性和穩定性。此外,Genium仿生腿的智能裝置可准確判斷人的各種運動狀態。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種復雜運動狀態間(包括騎車、越野滑雪、打高爾夫球等)輕松切換。本報記者 王曉楓


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