全國科普日專題｜修復(fù)手套、“仿生”心臟、神經(jīng)轉(zhuǎn)化、耳朵看世界、3D打印醫(yī)學(xué)妙用等科技發(fā)明正在改變我們

21世紀，許多令人驚訝的技術(shù)創(chuàng)新將對人類的日常生活產(chǎn)生重大影響。憑借“修復(fù)手套”獲得2004年度“尤利卡令人鼓舞科學(xué)獎”的科學(xué)家宣稱，科幻小說的預(yù)言距離變成現(xiàn)實已經(jīng)不遠了。有哪些科技發(fā)明正在改變、改善人類的生活方式與未來呢？讓我們一起來看看！

修復(fù)手套

“修復(fù)手套”是一種植入了能模仿人手生物力學(xué)的特殊致動器和傳感器的裝置。機械手們研究實驗室設(shè)計“修復(fù)手套”的目的是為了制造一種具有人工肌肉的“外衣”，這種“外衣”能夠幫助人體重新運動。機械手實驗室并不是唯一一家研究此技術(shù)的單位，全世界的科學(xué)家、程序設(shè)計員、發(fā)明者都在開發(fā)復(fù)制、替代人體結(jié)構(gòu)或者幫助人體的創(chuàng)新技術(shù)。

據(jù)悉：米克不幸遇到車禍，雙手和胸部以下完全喪失知覺。他可以移動手臂，但無法握緊手中的物體。后來米克戴上了阿伯爾法特發(fā)明的“修復(fù)手套”。

阿伯爾法特緊張地按下與米克身體連接在一起的電腦界面的控制桿，忽然間，米克的手自車禍以來第一次合攏了一下，他將重新滿懷希望地利用自己的身體。

仿生心臟

同位移植人工心臟CATO是一種能全面模仿人類心臟的裝置，由血液室心室、閥 瓣膜 以及能把血液吸入肺動脈和主動脈的特殊致動裝置組成?？茖W(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)是要把包括電源在內(nèi)的人工心臟裝詈移植到心臟通常所在位置的有限空間內(nèi)?？茖W(xué)家曾經(jīng)拿母牛做實驗，并獲得巨大成功，這也為他成功給同位移植人工心臟申請專利創(chuàng)造了有利條件。

神經(jīng)轉(zhuǎn)化

一位澳大利亞程序設(shè)計員開發(fā)出一套系統(tǒng)。根據(jù)這套系統(tǒng)，遭受肌萎縮性側(cè)索硬化疾病折磨的人今后可以不再受到自身殘疾的限制，只要通過神經(jīng)信號的提示便能與別人溝通。另一位科學(xué)家則開發(fā)出一種新型的人機聯(lián)結(jié)界面：人可以利用皮膚表面電極接收神經(jīng)信號，在經(jīng)過人工智能分析后，便能夠達到交流的目的。

2002年，兩位科學(xué)家經(jīng)過改善后，這套系統(tǒng)被稱為神經(jīng)轉(zhuǎn)化技術(shù)。2004年初，美國華盛頓特區(qū)一個四肢癱瘓、不能說話的男子利用神經(jīng)信號旋轉(zhuǎn)電視，一舉創(chuàng)造了歷史。同時，他還利用神經(jīng)信號控制的聲音合成電腦程序邀請客人參加他的21歲生日派對。

耳朵看世界

大多數(shù)人都能想象看不見東西是什么樣子。然而，只有少數(shù)人能想象出像蝙蝠一樣通過聲音感知方向。上世紀50年代，萊斯利·凱博士為英國海軍開發(fā)探測潛水艇、魚雷和地雷等水下物體的水下聲納技術(shù)時，就開始想象這個看似不可能的概念。

萊斯利·凱博士設(shè)計出一種聲納裝置，這種裝置能釋放出超聲波，還能發(fā)現(xiàn)其他物體和障礙物發(fā)出的反射。數(shù)據(jù)接著被轉(zhuǎn)化成一連串能夠聽到的聲音，這些聲音在頻率上與遠處物體發(fā)出的聲音相對應(yīng)。經(jīng)過少許的培訓(xùn)，人類大腦似乎能下意識地將這些聲音轉(zhuǎn)化為空間想像。這項技術(shù)贏得了1998年度世界通信創(chuàng)新獎，如今全世界的盲人將利用這項技術(shù)自信地行走在他們不熟悉的區(qū)域。

●人造肌肉

2005年3月7日，世界首次看到人與“人造肌肉”驅(qū)動的仿生胳膊進行的摔跤比賽。研究人造肌肉的工作始于上個世紀40年代，但只是在最近的10年里才取得了較大發(fā)展，因為世界范圍內(nèi)的研究中心研制出了特種聚合體和智能材料。未來人類很有可能看到世界上最強壯的人和最強大的仿生胳膊進行較量。

3D打印在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

1. 外科學(xué)習(xí)工具

醫(yī)療行業(yè)中3D打印的重點主要集中在患者使用的植入物和醫(yī)療設(shè)備上，最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一集中在解剖復(fù)制品上。從歷史上的醫(yī)學(xué)臨床培訓(xùn)、教育和設(shè)備測試都依賴于使用動物模型、人類尸體和人體模型來獲得臨床模擬的動手經(jīng)驗。但始終存在供應(yīng)有限、處理和儲存費用高、模型內(nèi)缺乏病理學(xué)、與人體解剖結(jié)構(gòu)不一致以及無法準(zhǔn)確表示人體組織特征等缺陷。

使用3D打印從患者掃描數(shù)據(jù)中生成的模型來改進疾病診斷，闡明治療決策和計劃，甚至在實際治療之前實施選定的手術(shù)干預(yù)。這些模型有助于醫(yī)生了解難以可視化的患者解剖結(jié)構(gòu)，精確確定醫(yī)療設(shè)備的尺寸，還可以向患者及其家屬解釋即將進行的手術(shù)，并向臨床團隊傳達手術(shù)步驟。

2. 手術(shù)導(dǎo)向器和工具

就像制造業(yè)中使用鉆模來確保將孔放置在準(zhǔn)確的位置一樣，醫(yī)生也使用導(dǎo)向器和工具來協(xié)助手術(shù)。通過實施3D打印，醫(yī)生能夠創(chuàng)建完全遵循患者獨特解剖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向器，精確定位手術(shù)中使用的鉆頭或其他器械。3D打印的導(dǎo)向器和工具用于使修復(fù)治療（螺釘、鋼板和植入物）的放置更加精確，從而獲得更好的術(shù)后效果。

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3. 植入物

3D打印能夠在外科植入物表面生成精細的網(wǎng)格或晶格結(jié)構(gòu)，可以促進更好的骨整合并降低排斥率。與傳統(tǒng)鈦和鈷鉻合金等生物相容性材料相比，3D打印所產(chǎn)生的優(yōu)越表面幾何形狀可將植入物存活率提高2倍。這些3D打印產(chǎn)品的孔隙率加上高水平的定制和傳統(tǒng)醫(yī)療材料制造能力，使得3D打印植入物成為AM醫(yī)療行業(yè)增長最快的部分之一。

4. 假肢

通常，傳統(tǒng)的制造技術(shù)和材料用于生產(chǎn)功能性假肢的結(jié)構(gòu)部分。增材制造通常在接口部分實施，方法是生成與用戶解剖結(jié)構(gòu)完美契合的復(fù)雜輪廓，從而提高舒適度和貼合度。AM 還應(yīng)用于假肢的外表面，以產(chǎn)生逼真的有機外殼，隱藏假肢的機械性質(zhì)。這也允許佩戴者根據(jù)他們喜歡的任何設(shè)計或風(fēng)格完全定制他們的假肢。

3D打印技術(shù)已被用于生產(chǎn)各種各樣的產(chǎn)品，從舒適貼合用戶的假肢連接到復(fù)雜的、高度定制的癌癥患者面部假肢等。3D打印還應(yīng)用于假肢的外表面，以產(chǎn)生逼真的有機外殼，隱藏假肢的機械性質(zhì)。這也允許佩戴者根據(jù)自己喜歡的設(shè)計或風(fēng)格對假肢進行全面定制。

5. 助聽器

令許多人驚訝的是，助聽器是 AM 持續(xù)發(fā)展的最大成功案例之一?，F(xiàn)在有超過 10,000,000 人佩戴 3D 打印助聽器，全球 97% 的助聽器現(xiàn)在是使用 AM 制造的。與傳統(tǒng)制造相比，增材制造技術(shù)不僅顯著降低了定制助聽器的成本，而且生產(chǎn)助聽器所需的復(fù)雜有機表面的能力降低了因不合身而導(dǎo)致的退貨率從 40% 降至 10%。