美国得克萨斯州一名男子日前装上一只新型智能仿生脚,这种仿生脚拥有人工智能系统,能根据不同的地形和地面倾斜度,作出相应的反应,被称为拥有“大脑”的仿生脚。
得州男子珀杜在一次意外中失去一只脚。最近,他来到当地一家医疗中心接受了一次先驱性手术,装上一只拥有“大脑”的仿生脚,成为美国第一个拥有这种智能仿生脚的幸运儿。
据介绍,这种仿生脚装有由集成电路、发动机和芯片组成的人工智能系统,它的传感器能进行自动感知,对不同地形和地面倾斜度作出反应,自行调节步子,让残疾人自如地在崎岖地面上行走。到了晚上临睡觉前,使用者还可将仿生脚取下,像手机那样将它插在插座内充电。
在所有仿生下肢当中,墨丘利脚要算是最先进的一种产品了。墨丘利,是那个脚上长有翅膀的希腊神仙,据说他由于跑得最快,因此成为了宙斯的信使。这种脚以他命名,让人感觉很神奇。
墨丘利脚主要包括两个弹簧:一个用于脚趾,另一个用于脚后跟。还有一个钨制的气缸,气缸里有一个减震器。这样使用者行走起来,从脚后跟到脚趾,然后抬腿的自然运动,和他们曾经有腿时的感觉非常相似。而且,这种脚使用的材料是一种叫做碳素纤维的复合材料,看起来简单,却非常结实耐磨,又不失弹性。这使得弹簧传动非常平滑。即使是使用者要奔跑,感觉也会非常自然。
为了制造这种仿真的“脚”,设计者们可谓费尽心机,辛苦至极,而且极尽高科技之能事。要知道,设计这种脚的计算机辅助设计系统,可是用来设计一级方程式赛车的系统呢。而且,除了碳素纤维外,其他材料的科技含量也非常高,如中空框架铝、制造气缸的钨等。如今,该产品的升级版墨丘利运动脚也被设计出来了,它不仅有一个扩大的脚后跟弹簧和脚趾弹簧,还有一个额外的减震弹簧。
在新技术的帮助下,以假乱真的仿生手、仿生脚等帮助许多残疾人迎来了自己生命的春天。《终结者》和《星球大战》里人体与高科技硬件相结合的情景在科技的力量下走向现实了。我们相信这场由科技带来的进化革命,能够创造出更多的奇迹!
干细胞帮助器官再生
人类已进入了21世纪,科学技术在飞速发展,我们的日常生活也随之发生着巨大变化。但科学家并不会因此而满足,他们仍在开发更先进的技术,未来5年、10年或者25年之内,将有许许多超乎你我想像的发明问世。长期以来,科学家们一直在寻求人类自愈的目标,即让器官具备自我再生能力。如今,科学家们对干细胞的研究中发现,实现器官再生并不是很遥远的目标。
干细胞是一种具有自我复制能力的多潜能细胞,在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。干细胞有两种分类方法,一是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞;第二种分类方法是根据干细胞的发育潜能分为三类:一是全能干细胞、二是多能干细胞,三是单能干细胞。胚胎干细胞的发育等级较高,是全能干细胞,而成体干细胞的发育等级较低,是多能或单能干细胞。
干细胞的“干”,是起源的意思。因此严格地说,干细胞是尚未分化发育的,能生成各种器官组织的全能细胞。全能干细胞能发育形成一个完整的生物个体,就像人的胚胎发育成一个人一样,组织干细胞只能分化形成一些器官组织,如肝脏、心脏、骨骼、皮肤等。
因此理论上,医学家们可以把干细胞用在某些退化病变过程中遭到损坏的人体器官上。这个想法的灵感来自于对大量动物的观察:一些生物诸如蝾螈、水蛭和章鱼等,如果手、足甚至半截身子断了,很快就能重新长出来。
干细胞主要来源于胚胎。而现有技术已经能在体外鉴定、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞和各种器官组织干细胞。
动物实验已经证明了利用干细胞再造组织器官的可行性。美国研究人员实验显示,用克隆羊多利的方法可以提取干细胞,并定向培养成各种器官组织,而且这种器官和组织不会引起受体免疫排异反应。
他们从成年母牛耳朵上提取皮肤细胞(体细胞),将其DNA放入另一只母牛的去核卵细胞中,再用电刺激法促使它们融合并发育分化。细胞分化4天后形成胚囊,即胚胎干细胞团。此时,研究人员将它们植入代理母牛子宫,经过5~6周孕育成早期胚胎。再从早期胚胎中分离提取心脏、骨骼和肾脏等干细胞,并将其放在三维“支架”上培养成相应器官组织;然后把这些由胚胎干细胞形成的早期器官组织,植入提供皮肤细胞的母牛体内。3个月之后,母牛免疫系统没有出现排异迹象。而且,用这种克隆方法培育的器官组织,与普通牛器官组织功能类似。当然,这种方式如果用在人身上,是否完全没有免疫原性还得靠实验证明。
但是,利用干细胞并令其在体外生长复制人们所需的各种器官组织,目前还存在许多因难,这些困难集中体现在干细胞的来源上面。
现有理论和研究表明,要寻找可以分化发育的干细胞,只有从胚胎入手。
一种方法是通过自然怀孕或人工受孕获得胚胎,然后再在胚胎不同发育阶段,提取能分化发育成各种器官组织的干细胞,以培养人们所需的器官组织。但这就意味着孕育的目的,只为索要干细胞,而被提取了干细胞的胚胎实际上已被毁坏,不可能再发育成一个健全的婴儿。这在伦理上极具争议。
另一种方法是效仿克隆羊多利的技术路线获取胚胎干细胞。具体做法是,需要移植肝脏的患者先提供自身体细胞,由医生将细胞核取出,再植入一个去核的人卵细胞中,激活后使其发育成囊胚,再由囊胚分化生成具有内胚层、外胚层和中胚层的胚胎,此时的胚胎便含有分化成各种组织器官的干细胞了。提取这些干细胞在体外定向培养,即可生成特定的器官组织,如心、肝、肾、肌肉、骨骼和皮肤等,供患者移植。
既然从胚胎获取干细胞为伦理所困扰,一些研究人员便把目光投向胚胎以外的干细胞。他们认为,可在人体其他器官组织寻找干细胞,如骨髓干细胞和血管内的干细胞,以培养器官组织。但是这样的干细胞能否培养全能分化或定向培养能够应用临床的器官组织很难说,因为从理论上讲,它们是已发育成熟的成年干细胞,不像胚胎干细胞那样尚未发育。
不过世界有些国家报道说,在人体各种器官组织中可以找到尚未分化发育,或未完全分化发育的干细胞,而且可以刺激它们分化发育。但是这样的干细胞能否像胚胎干细胞一样,在数量和分化发育质量上都得到保证,还需要相当的研究证明。目前,已有研究人员正在尝试并取得了一些成果。
呼之欲出的太空医学
在现代科技的支持下,人类离太空的距离越来越近。科学家们在太空中进行了各种各样的尝试,太空育种、太空制药……相比之下,人们尤其是宇航员对太空医学的需求似乎更为直接。
所谓太空医学(或称宇宙医学),是研究人在宇宙空间生活和航行时对机体的影响和疾病防治的科学。现如今,载人航天飞船已不断地往返于太空与地球之间。医生也已登入太空,可以说开拓了太空医学的******。当前的太空医学目标,就是预测人们在宇宙空间所遇到的生理学的、心理学的变化,及其预防对策,同时提高人们在宇宙中的工作效率和疾病的防治水平等。
在地球上,人体为了适应重力的作用,肌肉与骨骼都起到了支撑身体的作用。但在失重条件下,肌肉和骨骼就会认为不用再发挥地球上的支撑作用了。因此,肌肉萎缩与骨质流失(主要是钙质的流失)变得不可避免。所以失重就成为了目前宇航员在太阳系飞行遇到的最大生理问题。另外,在失重条件下,人体的血液循环功能也受到影响,这导致宇航员的脑部供血不足,头昏眼花;失重还会对人体的平衡系统造成影响。在地球上,人们判别方位非常方便,但是在太空,这种“本体感受”功能变得非常迟钝。
针对这些情况,太空科学家采取的措施是让宇航员进行简单的身体训练和药物治疗。在国际空间站上生活的宇航员,每天要抽出两个小时进行走路或跑步训练,以保持肌肉的力量。科学家还发明了一种很简单的练习器材,把两根有弹性的绳子分别固定在太空舱的一侧,宇航员则把绳子另一端套在肩上,然后做蹲起运动锻炼骨骼。但是,这些方法对于短期的太空生活有用,针对长时间进行太空旅行的宇航员我们还是没有良策。
通过对宇航员在失重情况下生理机能改变的研究,科学家认为,在没有找到更多更有效的方法之前,无论是老人还是宇航员都应该坚持体育锻炼。有规律的体育锻炼可以增强体质,也可以预防心脏病、糖尿病或直肠癌等疾病。
疾病时不可预期的,尤其是在漫长的太空旅行中,宇航员存在较高的生病风险。太空旅行中,如果宇航员患病返回地球医治显然是不现实的,所以一旦宇航员生病,其治疗只能取决于旅行者的医务水平以及所携带的医疗器械。更便利、更安全、更有利于保证宇航员健康的方法仍在试验研究中。
为了解决太空旅行中面临的种种危险,人们正在想尽各种办法。例如,在航天器内制造人工重力,减轻失重效应;多运动或注射某种激素,以防止骨损失。
但对于远离地球的宇航员们来说,首先需要的是一种便于在太空中使用的检测设备,及时发现病情,尽早治疗。美国研究人员已经制造出了一种由聚合材料做成的圆球检测器。这些直径只有3纳米的圆球可自动穿过人体细胞膜,附着在DNA上,使细胞发出绿光。一旦技术成熟了,这些圆球可使病态细胞自动发光,或发出可被微型核磁共振成像仪接收的信号。
远程诊断技术也在酝酿当中。它可使太空医生和地球上的医疗专家进行沟通,太空医生可以把患者的病情,传给地球上专家进行会诊。诊断后的信息再反馈给太空医生,医生可以根据会诊的结果对患者采取相应的治疗。这不失为一种比较可行的太空治疗方法。
科学家还设想了一种可以制造药品的装置,当宇航员需要药品时,这种装置可以马上制造所需的药品。当然,这种装置还可以解决另外一个问题,比如地球上又研制出新的抗生素了。这时宇航员只要通过下载制造药品的相关软件,掌握制造药品的方法,就可以在太空中制造新药了。
在太空中做手术是太空医学的更大目标。美国宇航局和瑞士内部固定研究会正在研制一种基于计算机的外科手术模拟器,用来训练那些将前往火星或从事其他太空旅行的医生和宇航员,使他们拥有精湛的外科技艺。万一宇航员在进行太空行走或其他活动时发生骨折,或遇到其他需要做外科手术的事情,他们可以在太空中自己解决而无需返回地球。
宇航员身处太空,无时无刻都离不开航天器的保护。航天器为宇航员提供可以自由呼吸的空气,提供适宜的温度,进行水循环处理,同时还保护他们不受外部真空的伤害。从这一点上看,生活在航天器中的宇航员更像是孕育在子宫中的胎儿,妈妈的子宫为胎儿提供了发育所需的氧气和各种营养物质,同时还充当了保温箱和废弃物处理站,保护胎儿不受外部环境的伤害。