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借青蛙肌肉使机器鱼游动——造“活体肌肉”驱动人体假肢

现在许多家庭都养着金鱼,看着金鱼自由自在地游来游去,自是一番享受。如果将金鱼换成机器鱼,结果怎样呢?

当美国麻省技术研究所的研究员Hugh Herr把他制造的机器鱼放进一个水箱里,它就像真正的活生命一样游动起来。但这条机器鱼不是直接用电能驱动的,而是用活的青蛙肌肉开动的,似乎同人的行动是由肌肉支配的一样。

科学家几个世纪前就知道,用电可以使肌肉收缩。1786年,Luigi Galvani发现,电可使解剖的青蛙腿抽动。但直到现在,还没有一个人试图利用这种现象开动一部机器。

而Herr领导的科研小组制造了一种用青蛙肌肉作动力的机器鱼。他们在机器鱼内部,用一个微处理器发送电信号到固定在机器鱼两边的青蛙肌肉上,使青蛙肌肉收缩。而青蛙肌肉上的筋腱则缝合在机器鱼的鼻子和尾巴上。于是,机器鱼在收缩力的带动下就开始迅速游动起来。机器鱼上的青蛙肌肉则是从水箱内的葡萄糖溶液获取能量的。

Herr研究这种机器鱼的目的之一是想将来能用肌肉驱动假肢。因为人造的假肢往往比真的活腿笨拙呆板,不适应在水泥、土路或沙漠上等不同的路面行走。即使是非常先进的假肢的“脚脖子”(踝关节),活动也不敏捷,行走起来很别扭。

Herr热心研究肌肉驱动的假肢是因为他本人因冻伤截肢而失去了双脚。其他一些研究人员则试图用聚合物纤维制造的人造肌肉生产出更好的假肢。因为这些人造肌肉既有足够的强度,活动起来又无声息,只要加上1伏特的电压就会收缩。但这些强壮的人造肌肉也有缺点,就是容易氧化。

因此,Herr不想用人造肌肉,而想用真的活肌肉组织驱动假肢。因为活的肌肉能适应环境,而且有自行愈合、自我调节的功能。但活的肌肉也有严重的缺点,即要养活一块肌肉并使它活动也不是轻而易举的。因此,波士顿大学神经肌肉研究中心的Zeynep Erim说,虽然有许多研究人员已在实验室中试验过活肌肉组织的工作情况,但没有人将活的肌肉用在机器人中。

而Herr则是通过为机器鱼提供葡萄糖来养活的,从而克服这种缺点。对更大的肌肉群,还要增加一个循环系统以将葡萄糖泵入肌肉。目前,由于连接在机器鱼上的活肌肉只能“活”几小时,游动几小时后就死亡。因此Herr的同事密执安大学的Bob Dennis正在研究一种培养活肌肉的新技术,可使肌肉活几个月。并计划培养满足各种需要的肌肉群。

MIT的项目是由五角大楼先进研究项目管理局投资的。该机构希望知道真正的活肌肉能否在机器人系统中用作无声的传动装置。美国军队对此也很感兴趣,因为用活肌肉作成的假衣服可能有一天能使战士跑得更快、跳得更高或者可以携带更多的武器。

资料来源:《新科学家》2001.2.24 p22

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