摘要：本文是一篇综述性论文。文章综合了近年来国内外关于仿生器官的研发、应用和发展的报道，介绍了科学家迄今在脑、眼、耳、鼻、手臂、心脏等器官仿生上取得的科研成果，并对这一科学领域的前景作了一定的展望。作者希望，能通过本文让读者对于仿生器官这一新兴研究领域有所了解。

　　仿生学(Bionic)[1]，是一门通过模仿生物原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学。

　　在20世纪50年代，随着生产的需要和科学技术的发展，人们已经认识到生物界是各种技术思想、设计原理和创造发明的重要源泉，并开始用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统展开了深入研究。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。由此，生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透，孕育出了仿生学。

　　1960年9月，美国空军航空局在俄亥俄州的戴通空军基地召开了第一次仿生学会议，仿生学的发展历史由此正式开始。短短几十年间，这一领域的科研成果已经十分可观。其中，有一类重要成果，就是仿生器官。

　　近年来，虽然医学水平在不断发展，但是在面对器官老化、病变和坏死的问题时，仅靠他人捐赠器官，是无法满足所有病人的需要的。未来人类的寿命越来越长，所以有必要像更换机器的零件一样更换人体内老化病变的器官。仿生器官的研发，在很大程度上解决了这一问题。

　　生物体和机器之间确实有很明显的相似之处。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统），都存在着各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，也可以把生物体比作一个自动化的工厂。它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应，而且能像自动控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节。

　　理尊龙凯时论上说，这样的运作机制，是可以用机器来模仿的。2001年，德国马克斯·普朗克生物化学研究所(MPIfürBiochemie)的科学家[2]就成功地将动物神经细胞与芯片进行联接，并实现了神经网络与芯片相互间的信息传递。

　　人类最重要、最复杂的器官是大脑，它控制我们的行动、呼吸，使我们感知世界并保存这些帮助形成我们的性格的记忆。意外事故或者疾病，如中风，对大脑的损害是灾难性的，会导致瘫痪甚至记忆丧失。对仿生脑的需求由此产生。

　　由Cyberonics公司[3][4]研制出的NCP系统，实际上是一种调节交感神经的装置，其功能犹如一台“大脑起搏器”，向那些自控行为失常的患者实施了极为独特的交感神经刺激疗法。这个装置仅有怀表般大小，可植入患者胸腔，并用细导线与颈部迷走神经相通。它能定时、定量地向迷走神经发出精确的电脉冲，以使该神经恢复(或调节好)到能控制体内某些脏器的活动。该装置已在试用中，患者应用后可减少甚至消除癫痫症状。

　　南加利福尼亚大学(SouthernCaliforniaUniversity)的TheodoreBerger博士[5]一直在研发一种植入大脑的装置，它能够模拟发生在大脑海马体中复杂的神经活动，这种神经活动会形成新的记忆，从而恢复大脑的记忆功能。这种装置是一块将记忆编码储存在大脑其他部位的微晶片，已经用老鼠的大脑组织进行过了测试。研究人员希望这种装置能够给由于中风、意外事故或老年痴呆症对大脑海马体造成损害的病人提供一条修复记忆功能的途径。

　　眼是人获得外界信息时的重要器官。世界上，有55%的人面临由黄斑变性或视网膜色素变性引起的不同程度的视觉缺陷。研究人员早已知道，眼内感光器(感光细胞)受损，能通过搭桥手术来补救。所谓“桥”就是一种光刺激与神经相连的视网膜神经节细胞装置，通过这一人工装置，即可将视觉信息传送给大脑，从而使盲人复明。

　　2000年，美国霍普金斯大学(JohnsHopkinsUniversity)的研究者[4]研制出了植入式仿生视网膜合成芯片(ARCC)，这是一种微型硅芯片，内置感光元件和电极。ARCC可植入视网膜视觉中心附近，进入瞳孔的光线和影像，穿过ARCC而撞击芯片背面的光传感器，它将这种光刺激转变为电脉冲，这与健康眼睛的视网膜(感光细胞)感光原理相似。

　　2006年，美国斯坦福大学(StanfordUniversity)眼科的帕朗卡尔教授[6]的小组研制的仿生眼则由钱包大小的便携式计算机处理器、移入眼内的电池、移入视网膜的3毫米感光芯片，以及设在特别护目镜上的微型摄影机、功能等如肉眼的感光器组成。

　　2010年，德国的医学家[5]在通过眼球后植入联有电子传感器的芯片，使得三位盲人患者恢复了视力。据报道，这些患者能够能够区分水果和刀叉等物体，甚至能够读出他们自己的名字，但视野的清晰度依然有限。目前的芯片使用外部电源，它必须用一根磁钢棒穿过皮肤进行连接。领导这项研究的图宾根大学(UniversityTübingen)的EberhartZrenner教授已经开始通过更换电源来改善病人能看见的细节部分。

　　迄今为止，科学家们研发的仿生眼一般包含五个部分[7]：微处理芯片、视频摄像机、无线电发射机、无线电接收器和视网膜植入物。摄像机拍摄实时图像，并发送到微处理芯片；微处理芯片将图像转化为电子信号，并将这些信号传送到无线电发射机；无线电发射机将信号发送给无线电接收器，接收器再将信号传导到视网膜植入物；最后，这些信号通过电极刺激进入神经系统，最终传达到大脑皮层形成图像。

　　目前，听觉受损患者一般采用助听器，这对完全失去听觉的人当然无效，而仿生耳(耳蜗植入体)大大地改善了这一情况。

　　仿生耳的出现已有四十多年[5]，成千上万的患者在使用它。耳蜗植入装置将声音转化成电脉冲信号传入大脑，让使用者能够“听到”。即使是完全丧失听觉的患者，只要他的3000根纤毛(用于听觉)中有1/3受到仿生耳的电脉冲(刺激)，他就能听到声音。不幸的是，这种装置无法调整到具体的声音，因此在喧闹的环境中患者听人讲话会很费劲，并且很难享受到音乐的乐趣。

　　2006年，德国萨尔大学(SaarlandUniversity)的纳赫蒂加尔和峰力听觉中心的劳纳教授[6]已在新一代助听器中加入微型芯片，它能复制脑部和耳朵的运作机制，具有内耳接收声音的功能。2010年，澳大利亚LaTrobe大学的科学家[5]通过研究耳朵将信息传入大脑的方式，已经制造出了一种更接近于人耳工作方式的装置。相信新型的仿生耳会在不久的将来得到更广泛的普及。

　　长期以来，丧失嗅觉的患者一直无法得到这方面的补助。不过，在21世纪初，科学家已能在实验室内再造这种人体的感觉功能。他们研制出的仿生鼻，能“嗅”出各种挥发性化合物。

　　美国田纳西州橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory)[4]，是这方面的先驱。他们研制出的仿生鼻是一块芯片，它能“嗅”出汞、一氧化碳等化学物质的气味。这个“鼻子”是由一系列安装在集成电路上的微型传感器组成的。传感器涂有不同的化学物质，使之能鉴别出任何气味。

　　2003年，德国图宾根大学(University Tübingen)的Achim Lilienthal和瑞典厄勒布鲁大学(Orebro University)的Tom Duckett[8]合作研制了Mark Ⅲ型立体式电子鼻。它有2个“鼻孔”(或称管道)，每个鼻孔中对称放置着3个金属氧化物传感器(TGS2600, 2610, 2620)，传感器靠鼻孔外侧安装，以保证能够和被测气体良好接触。每个鼻孔还包括一个吸力风扇，用来降低传感器的恢复时间。两个鼻孔中间安放隔板，可以阻挡相反方向的气流，减小对气体浓度的影响。这样的设计成果，对仿生鼻的研发也具有一定的促进作用。

　　仿生手臂成为现实，主要归功于截肢手术的两个因素。首先，即便是某些自主肌已经截除，无法控制，脑的运动皮层(控制自主肌的运动)仍然能够发出控制信号；其次，截肢时，并未切除所有曾经向该肢体运载信号的神经。也就是说，即便手臂已经切除，可以正常工作的神经末梢依然存在，它们在肩部中断，无处发送信息。如果将这些神经末梢重定向到某个可以正常工作的肌群，当患者想“用手抓扶手”时，大脑便会向与手之间传递信息的神经发出相应的信号，这些信号作用于这个可以正常工作的肌群，而非坏死的肩部末端肌群。

　　2008年，芝加哥康复研究所(Rehabilitation Institute of Chicago, 简称RIC)[9]向全球展示了基于目标肌肉神经移植术而开发的仿生手臂，并为美国一位失去左臂的退役女兵Claudia Mitchell进行了仿生臂的移植手术。经过手术后，患者大脑对手臂的控制信号通过神经末梢传导到胸部，引起胸部肌肉收缩；仿生臂的电极捕捉这一收缩，并将其转化为对机械臂的控制信号，从而实现大脑对仿生臂的控制。由于各神经末梢定位于胸肌不同的部分，佩戴仿生手臂的患者可以同时启动六个电机，使义肢形成比较自然的动作。

　　2010年，来自伦敦的13岁男孩Patrick Kane，安上了一只Touch Bionics公司[5]生产的仿生手臂。他在九个月大时由于脑膜炎而失去左手，而现在甚至可以用仿生的手指夹住葡萄。他的假肢使用两个电极与上臂的皮肤相连接，当他绷紧一块肌肉时，电极下的神经所产生的微小的电流脉冲使得手掌握紧，绷紧另一块肌肉时可以使手掌伸开。

　　目前，研究者们正在研发让使用者能够更好控制的假肢。通过了解神经网络系统是怎样控制四肢的运动，他们可以了解如何让机械手臂象真正的人的手臂那样得到控制。

　　人工心脏[10]分为辅助人工心脏和完全人工心脏。辅助人工心脏有左心室辅助、右心室辅助和双心室辅助，以辅助时间的长短又分为一时性辅助 （二周以内）及永久性辅助（二年）两种。完全人工心脏包括一时性完全人工心脏(辅助等待心脏移植)，以及永久性完全人工心脏。

　　从广义及泵功能这一角度考虑、人工心脏研究可以回溯到体外循环的动脉泵开始，即1953年Gibbons将体外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤压泵管将血泵出，犹如自然的搏血功能进行体外循环；而人工心脏恰是受此启发而开始研究的。

　　1957年，美国科学家Kolff和Akutsn将聚乙烯基盐制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时，以此为开端展开了世界性的人工心脏研究。1958年，日本及前联邦德国均设立了专门研究中心。

　　1969年，科学家对动物进行人造心脏移植实验，实验对象生存记录为40天。1973年以后，动物实验成活率迅速上升。1976年，Kolff试验牛成活 89天、122天；1980年，度美和彦试验山羊生存232天、242天、288天。

　　1982年12月1日，美国盐湖城犹他大学医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏，使其存活112天。从此，人工心脏在人体器官移植上的应用逐渐发展至更高水平。2011年初，美国加利福尼亚大学UCSD医学中心的外科医生[11]为一位病人移植了人造心脏，该病人恢复状况良好。

　　在全人工心脏移植手术中，外科医生通过用人工心肺机来维持氧气和血液在全身的流动，同时移除坏死的心脏，只留下相关部分来连接人工心脏。设备连接好以后，外科医生关掉人工心肺机，心脏开始以每分钟搏出8升的血液跳动。几天以后，病人开始自由呼吸。不到两周，已经能够下床走路超过30米，并开始恢复滋养，准备一个可用作移植的线 前景展望

　　前不久，全球人口突破70万大关。在这庞大的人群中，有相当一部分人正在遭受器官病变、坏死带来的痛苦。正如引言中所提到的，活体器官捐赠是无法满足所有患者的需求的。从上文我们可以看到，仿生器官的研发已在脑、眼、耳、鼻、手臂、心脏等方面取得了显著的成果；同时，目前的仿生器官与真正的人体器官的差距也依然十分明显。

　　接下来，科学家们必将对人体器官的控制和运作机制进行更深入的研究，并建立与之更贴切的数学、机械模型，从而研发出仿生水平更高的器官。笔者相信，在将来，仿生器官将成为价廉物美的医疗用品，为更多的患者带去生命的希望。

　　[2] 《科学家成功将神经网络与芯片接通》，《中国高校技术市场》，2001年9期

　　[6] 《仿生器官：科幻变现实》，《文汇报》摘录自《每日电讯报》，2006-04-05

　　[8] 《机器人仿生嗅觉研究现状》，路光达，张明路，张小俊等，《天津工业大学学报》，2010年12月