目前，欧美科学家在仿生学方面进行着广泛地研究，他们即将推出以塑料肌肉和硅芯片有机结合制作的仿生人，令人难以分辨真人与机器人。仿生装置除了替代残疾人体部位外，在防御和治疗疾患上正日益显现出难能可贵的应用潜力。

在美国新墨西哥州立大学一所杂乱喧嚣的实验室内，一架人体骨骼复制品轻盈悠然地踩着一辆练习用自行车。这绝非别出心裁的人体技艺展示，人称博尼（Bony）先生的仿生人正在用电池驱动的人工肌肉蹬踏自行车。

40年前，瑞典工程师阿尼 • 拉尔森（Arne Larsson）在首都斯德哥尔摩的卡罗琳斯克研究所研制出第一台完全植入式心脏起搏器以来，仿生学研究方兴未艾、成果迭出。随后世界各国研究人员一直寻觅各种方法用人造仿生装置改善人们的生活质量。

科学家的通力合作已经造就出越来越小的电子起博器，这类装置在帮助聋哑儿童获得听力以及作为植入式微型泵为心脏病患者供血，直至找到合适可供移植的心脏上发挥着重要作用n

憧憬仿生时代的未来，科学家认为仿生人看上去会比受控技术制作的人体更加形象逼真。以博尼先生为例，其肌肉组织是由离子聚合物金属构件IPMCs材料制造的，因此与人体肌肉对电的反弹作用相似。这种材料系新墨西哥州立大学人工肌肉研究所主任莫森 • 沙希普尔（Mohsen Shahinpoor）领导的科研小组研制的。

当给这些条带肌肉施加电流后，它们便会剧烈地弯曲和摆动。由此看来，它们是大幅度运动启动器——能够推动和伸展力量。反之，当条带状肌肉弯曲时，横截面上就会产生电压，使条带肌作用如同传感器可以确定施力强度和运动方向。博尼先生进行自行车练习的驱动力就来自肌肉运动和提供信息反馈双重能力。

新墨西哥州立大学人工肌肉研究所目前研制中的另一种人工肌肉是源自化学溶剂中高温煮沸和干燥后的合成纤维制造的。此法处理赋予合成纤维强度和纤维弹性以适应瞬时电流变化，由此造就的材料可像活人组织一样伸缩自如。

研究人员展望合成肌肉可将来自神经系统的电脉冲转变为运动，然而这一目标的实现还很遥远。从短期应用来看，沙希普尔认为，人工肌肉可以用来增，强患病心脏力量，从而减少心脏移植入数。他还设想人工肌肉用作残疾人外骨骼或制作人工喉以及诊断脊髓损伤的传感器。最终这种合成肌肉可以附着人造肌腱上，近期美国食品与药物管理局授权这项技术用于患者。

真正实用的仿生臂

人工肌肉并非研制中用以促进人体运动的唯一电子机械工具。去年夏季，苏格兰一家宾馆老板坎贝尔 • 艾尔德（C. Aird）欣然收到定做的仿生臂，它是由爱丁堡玛格丽特 • 罗斯公主矫形外科医院所属修复学研究与开发小组研制的。称为爱丁堡臂调节系统EMAS的仿生臂采用电子设备为它供电和控制运动，它还装备电池驱动的电机和周转轮系。艾尔德的右臂16年前由于癌症被截肢，该仿生臂代替他此前安装的假肢。

艾尔德仿生臂内的电机安装在重量轻、质地坚的碳素纤维管内。齿轮系与一个螺杆和轮起落装置相连，以便将齿轮箱输出的机械能转变为旋转运动。最小的电机和齿轮箱为手指和大拇指提供动力，而较大的电机为手腕、肘和肩臂提供动力。仿生臂用与真皮相似的硅胶蒙面。

研制该装置的研究小组组长戴维 • 高（David Gow）声称，EMAS是第一个全电动肩假肢。此前制作的人工臂，动力只能供给手腕、肘和双手。手臂动力由12瓦可充电电池提供。

诸如艾尔德享有新型仿生臂之类的现代假肢较之以往产品有更大范围的灵活性，而且看上去更像所替代的肢体。新型假肢在现年10岁女孩梅利莎 • 德尔 • 波佐身上得到验证。梅利莎是一名先天残疾儿，一出生就没有左手及前臂。近期在新泽西州拉特格斯大学进行的几次测试中，她已经能够通过控制其拇指活动的肌腱在计算机屏幕上做电子追踪游戏了。置于梅利莎肘部皮下的一只传感器可以感知人体的轻微运动并将这种有意识的活动反映到计算机屏幕上。

科学家不久将给梅利莎安装首创的灵巧假肢。为使她适合用手操纵计算机键盘，拉特格斯大学生物医学工程系研究人员将改善一种内装压力传感器的硅套管。套管上方将开出一个硬塑胫骨关节槽，以便用于外骨骼上安装假手。假手本身是一种通用其它假肢上的木制产品，假手中载有电磁装置，分别控制3个手指的运动。当肌腱活动时，由一块小隔膜组成的传感器发出一股气流，气流穿过套管到达一个转换器，转换器感知压力并向人造假手发出精确的电信号。

拉特格斯大学生物医学工程系副教授兼主管研究人员威廉 • 克雷利厄斯（William Craelius）决定集中精力研究肌腱驱动系统，因为以前许多研究小组发现难以分离肌肉组织驱动不同手指活动。最终目的是让灵巧假肢帮助截肢者去做以前无法完成的任务，如演奏乐器和打字。

假肢动力与控制系统

为仿生植入物提供动力使之运作以及植入体与人体大脑控制系统结为一体是生物医学工程面临的2项重大挑战。

70年代中期，一家先进的医学工程公司Medronics正尝试研制一种核动力心脏起搏器。与此同时，费城德雷克塞尔大学工程师利用起博器维持狗的心跳，起博器靠燃料电池供电，而燃料电池靠狗与铝块间的化学反应提供电力。然而上述2种能源均证实不实用。从目前和今后几十年来看，各种形状和大小不等的电池估计将在未来仿生学应用技术中起主导作用。

控制运动的最终目的是导入神经系统，密歇根大学神经联系技术中心的研究人员目前正在这方面进行尝试工作。他们已经研制出非常精确的探针，以致能够探测到来自不同神经的细胞信号。探针与神经细胞的比例犹如枣核与硬币相若。

这类探针是采用精确蚀刻技术在硅基片上制作的，硅片上包附导电薄膜上下绝缘。上表面采用干燥蚀刻工艺成形。探针顶端表面细小开口镶嵌有金或铱以便与神经组织相溶。这些地方就是人与机器的结合点。

在国家卫生研究所所属神经假肢计划资助下，多用途探针的数量不断增长，此外，密歇根大学也已经为专业研究人员提供了1000多种微型探针装置。

仿生眼

仿生学最引人瞩目的应用之一就是研制人工眼，特别是人工视网膜正显示出巨大潜力。研究人员早已获悉，眼内感光器受损能通过搭桥手术矫正，一种刺激与视觉神经相连的视网膜神经节细胞装置，可将视觉信息传送给大脑。眼下，一项新技术有望替代视网膜以使盲人恢复视觉。

北卡罗来纳州立大学以及约翰 • 霍普金斯大学的研究人员通力合作，已经研制出植入式人工视网膜合成芯片ARCC,ARCC由内置感光元件和电极的硅质微型芯片构造。视网膜合成芯片可以植入视网膜视觉中心附近，进入瞳孔的光线和影像可以穿过ARCC并撞击芯片背后的光传感器，光传感器陈列将明暗度分明的影像转变为电脉冲。与健康眼睛视网膜中杆状锥形晶体感光原理相似，电脉冲立即刺激视网膜后面的神经，同时将视觉信息传送给大脑。

目前，该装置性能尚有待完善才能产生全色清晰视觉图像。然而它还是可以使患者感知物体基本形状、运动物体的方向以及识别对照物之间的界线。

仿生音

50年代以来，科学家一直进行耳蜗移植研究。耳蜗植入体基本上可对听觉神经提供电刺激。耳蜗植入体将声波转变为电能后传入听觉通道。如今除了一些研究所正致力开发仿生听觉装置外，好几家公司已在销售大众化产品了。虽然产品各自性能和用途不同，但是工作原理大同小异。

甚至在完全丧失听觉的患者中，即使3000根纤毛中仅1/3受刺激并恢复反应都能将听觉信号传输到大脑听觉中心。耳蜗植入体的作用就是激励听觉信号使之抵达大脑听觉中心。

助听器是将声音放大，而耳蜗植入体或仿生耳则将声波转变为电脉冲。外科医生通过耳后切开手术将耳蜗植入体移植耳后乳突骨和内耳中，微型语音处理器将体外麦克风收集的声音转变为电信号，电信号输人转换器线圈抵达植入耳内的接收器上，内耳中的电极搭桥越过耳听觉损伤区并生成神经脉冲刺激大脑听觉皮层。

人造耳蜗并不能使所有听力失灵的人受益。医生指出，从未获得过听觉的成年人不适宜安装人造耳蜗，因为他们大脑听觉区不会对这种刺激产生反应。

弗吉尼亚大学耳鼻喉科学系生物医学工程师兼助理教授乔纳森 • 斯平戴尔（Jonathan Spindel）则另辟蹊径，正在开发一种植入式微型磁力助听器。斯平戴尔评论说：“迄今测试显示，我们研制磁力听觉装置所产生的信号非常接近自然原声。”

该听觉装置的工作原理是采用植入耳内的微型扬声器捕获声音。声音穿过植入耳内的微处理器和电磁线圈后，放大后的颤声通过附着内耳上的小圆窗上的一块小磁体，即耳蜗一端的一个薄膜传递到内耳中。仅有铅笔尖大小的磁体将颤声送过耳蜗，同时刺激用于正常听觉的数千个纤毛细胞。

斯平戴尔指出：“这种助听方法优势在于它不妨碍正常听觉。建立通向内耳的第二条独立声道开拓了同时采用正常原声道和圆窗电磁辅助声道，以便在内耳中建立声音的增强和衰减波形。”此外，由于新式听觉装置采用磁感应而非原颤声效应，因此，通常助听器面临的一个普遍问题一声音反馈便得以消除。

人工嗅觉、味觉及其灵敏度

与视觉和听觉不同，科学家对人体嗅觉和味觉知之甚少，然而他们已经能再造这样的人体功能。科学家采用各种传感器尝试仿造人鼻，这些仿生鼻可以嗅觉各种挥发性化合物。

田纳西州橡树岭国家实验室的研究工作最具典型，科学家们研制的一种“置于芯片上的仿生鼻”现已验证可以感知汞、一氧化碳和其它化学物质气味。这种仿生鼻是由一系列安装集成电路上的微型传感器构造的，传感器上分别载有不同的电子装置，有所选择地给微型传感器系列涂附不同的化学物质，研究人员就可以指定芯片鉴别任何气味。

奥斯汀得克萨斯大学的研究人员现已研制出一种电子舌，它模仿人的嗅觉能力可以品味甜、酸、咸和辣味儿。为使仿生舌具备识别上述气味能力，研究人员将4种不同的由聚氧乙烯和聚苯乙烯制作的化学传感器附着众多有孔小珠中，然后将带孔小珠安置到用微型机械凿孔的硅片上。这些传感器代表4种不同味觉分子的多种组合，以红、绿和蓝组合标志。比如电子舌处在酸味中，一种传感器变为黄色，当它嗅觉一种主要混合物气味时，它又变为紫色。

目前仿生鼻和仿生舌尚处在实验室测试应用阶段，现在还未纳入仿生人一体化研究计划中。

其它相关研究进展

目前研制中的各种仿生装置除了代替残疾人体部位外，研究人员还利用它们来治疗疾病。例如神经控制假肢系统NCP正用于拯救数万名衰弱型癫痫发作患者。

近期研究证实，交感神经刺激可以改变或调节已确认大脑中癫痫出现或扩张区域的血流。控制医疗公司生产的NCP系统的作用如同一台“大脑起博器”，向那些无法用药物和手术治疗的自控行为失常患者提供一种独特的称为交感神经刺激疗法。这种仅怀表大小的医疗装置可以植入患者胸腔，并用细微导线与颈部迷走神经相通。它定时、定量向迷走神经发出精确的电脉冲，以使该神经更好地控制某些体内脏器的活动。测试证实，它可以减少乃至消除癫痫症状。

随着人体神经与电子线路联接技术日益突飞猛进的发展，人体大脑与仿生装置的信息交往能力迟早会实现。那时，我们才真正处在制造真正“仿生人”的前沿。

 [Popular Mechanics，1999年第2期]