仿生假肢的案例
Nature子刊：可拉伸擴展的多功能集成電子皮膚！
目前，電子皮膚在柔性或彈性基底上制作具備探測壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，可感知周圍環境中的各種物理、化學、生物等信號，將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統。此外，電子皮膚的重要發展趨勢是多功能化與多重刺激同步監測。
近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林的指導下，潘曹峰課題組博士化麒麟、副研究員鮑容容等提出了一種柔性可拉伸擴展的多功能集成傳感器陣列，成功將電子皮膚的探測能力擴展到7種，實現溫度、濕度、紫外光、磁、應變、壓力和接近等多種外界刺激的實時同步監測。
研究人員通過微納加工技術，制備出大倍率（8倍及以上，可根據需要設計）的聚酰亞胺（PI）拉伸結構網絡，其中包括眾多傳感器節點和蜿蜒拉伸結構。基于這種拉伸結構網絡，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結構進行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨立工作而不互相影響。
利用基底的可拉伸性能，可實現電子皮膚的探測面積擴張，為其進一步的功能擴展提供了便利。此外，研究人員利用這種電子皮膚制造出一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，也使假肢具備了溫度感知的能力。該研究將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統，多功能集成電子皮膚還可同步監測周邊環境多種變量，用于人體健康監測等領域。相關研究成果發表在《自然-通訊》上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-017-02685-9
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展開 假肢都已經產生了觸覺，對面的仿生眼怎么樣了？
多年之后終于知道，單眼蛇的那只假眼就是一個玻璃球，除了裝飾之外沒有任何作用，甚至都稱不上是仿生眼。而不僅僅是假眼，在科技尚不發達的過去，多數假體的作用僅僅在于對人的肢體補充完整，使其看起來像一個常人。
今天，人們已經不滿足于義肢、義眼的補缺作用，而想要將其變得更加貼近真實的人體。比如在義肢在接入了神經之后，可以擁有感覺，從而更加方便殘疾人的生活。這無疑是一個巨大的進步，它意味著義肢、假體之類可能正真正成為人的身體的一部分。
內外結合：仿生眼初步探索
人之所以能夠看到東西，是視網膜把集中在其上的光線轉換成電波，然后視覺神經將這些電波發送到大腦。大腦經過解析，就轉為了我們所看到的影像。一般來說，人們失明是由于視網膜遭到破壞，但視覺神經仍然健全。這也就為仿生眼的研究提供了可能。
一個是視網膜植入物，通過手術將一個視網膜假體植入于眼球上，包括信號接收器、電子接收盒和電極陣列；另一個則是體外的穿戴設備，包括一副眼鏡、一個攝像頭和視頻處理器。視頻處理器將攝像頭捕捉到的視頻圖像進行信號處理，發送給內置的信號接收器，然后由電極陣列模擬視網膜神經，傳遞給大腦信號。這樣盲人就可以看到圖像。
利用外置設備和內置視網膜假體結合的仿生眼研究有很多，比如德國Retina Implant公司研制的電池動力仿生眼、澳大利亞莫納什大學研發的直接在大腦視覺處理區域植入可以產生500個發光點的小塊等。
為什么不能像人一樣，直接作用于眼球呢？
最理想的情況，自然是制造一個放生眼球，往眼眶里一裝，人的視力就恢復如初。只不過相較于利用外部設備轉換信號傳遞給視覺神經，對眼球感光的模仿自然難度更高。
但最近明尼蘇達大學的研究人員在仿生眼球上取得的新突破或許會形成對外置仿生眼的有力抗衡。研究人員第一次實現了利用3D打印的方式在半球的表面打印一系列光感受器。
展開 具有感應功能的皮革用于多功能電子皮膚
研發出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫學診斷、仿生假肢以及人工智能的研究都至關重要。例如，鮑哲南團隊通過引入微結構聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應時間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點，因此不適合人長時間穿戴。同時，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機械性能的關鍵因素。其中Rogers團隊通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基底相結合，將傳統的脆性材料轉化為高度柔韌、可拉伸和高性能的電子皮膚。可見通過合理地設計和集成，電子皮膚是可以實現甚至超越真實皮膚的性能。
眾所周知，皮革是從動物皮膚獲得的傳統天然材料，同時擁有皮膚的復雜結構。通過傳統的皮革工藝，可以使皮革恢復類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未開發。盡管Rogers團隊使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅將其作為簡單的基底處理，而忽略了皮革結構和性能的優點。皮革的多級結構使其易于擔載其它材料，具有制備高性能電子皮膚的潛能。通過將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結合，可以使這一“死了的皮膚”，“起死回生”重新賦予它類似皮膚，甚至超越皮膚的功能。
【成果簡介】
最近，西北工業大學的黃維院士、南京工業大學的霍峰蔚教授和四川大學的黃鑫教授（共同通訊作者）等報道了一種簡單的、可設計的皮革電子皮膚。它結合了皮革天然復雜的結構、穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性。基于皮革的電子皮膚可以使“死皮”的皮革重新具有感應能力。這種電子皮膚可應用于柔性壓力傳感器、顯示器和用戶交互器件等。它為開發具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了一類新的材料。
展開 具有感應功能的改性皮革用于多功能電子皮膚
在人工智能研究領域中，研發出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫學診斷和仿生假肢都至關最要。例如，鮑哲南團隊通過引入微結構聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和短的響應時間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點，因此不適合人長時間穿戴。同時，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機械性能的關鍵因素。其中Rogers團隊通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基質相結合，將傳統的脆性材料轉化為高度柔韌、可拉伸和可表現的電子皮膚。可見合理地集成不同功能的電子皮膚是可以實現甚至超越真實皮膚的性能。
眾所周知，皮革是從動物皮膚獲得的傳統天然材料，同時擁有皮膚的復雜結構。雖然傳統皮革的感知能力處于剝離狀態，但是可以恢復真皮的重要功能——敏感性。盡管Rogers團隊使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅是將其作為簡單的基材處理，而忽略了皮革結構和性能的優點。由于皮革的層次結構使其易于裝載其他材料，所有皮革是作為制造高性能電子皮膚的潛在候選者。通過將不同的功能材料與皮革相結合制造出的新皮革，讓“死皮”重新被利用甚至超越真皮。
【成果簡介】
最近，南京工業大學的黃維院士、霍峰蔚教授和四川大學的黃鑫教授（共同通訊作者）等報道了一種簡單的、可設計的皮革電子皮膚。它結合了天然復雜的結構、皮革穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性。 基于皮革的電子皮膚可以使“死皮”的皮革重新具有感應能力。這種電子皮膚可應用于靈活的壓力傳感器、顯示器和用戶交互裝置等。它為開發具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了一類新的材料。
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同時，這種電子皮膚可用于制造了一種具有定制化功能集成的智能假肢，既能賦予假肢觸覺功能，同時也使其具備溫度感知能力，這將有利于改善殘疾患者的康復及生活條件。多功能集成電子皮膚還將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢、人體健康監測等智能化系統。
9 意念可控假肢
（中國科學院深圳先進技術研究院）
肢體運動功能是人類最基本的生理功能之一，是人類獨立生活和正常參與社會活動的保障。對于上肢截肢者，佩戴使用靈活、性能可靠的假肢是幫助他們恢復肢體運動功能的重要途徑。因此，“意念可控假肢”是針對上肢截肢者的多自由度肌電上肢控制系統，滿足上肢截肢者恢復基本手、腕部的運動功能需求，可輔助截肢者自主完成多個日常生活中最常用的腕部與手部動作，例如喝水、吃東西等。
展開 微軟為孩子們提供3D打印假肢
微軟343工業公司和一家仿生學非營利性團隊宣布合作，為年提供光環主題的3D打印假，團隊“仿生手臂”假肢功能齊全，最重要的是，團隊向受助人及其家人免費捐贈他們創新的假肢。
未來3D打印假肢的接受者將從2019年開始選擇新的設計。根據343，團隊將添加兩個特殊的“光環”主題選項，其設計陣容已包括一個鋼鐵俠手臂，旨在幫助任何渴望接收者成為一個非常強大的超級英雄。
團隊解決方案是位于佛羅里達州中部的非營利性公司，為兒童制作3D打印仿生武器。他們的3D打印假肢能夠抓住物體并執行各種手勢，并且與市場上的其他人相比，成本也低很多。團隊于2014年開始工作，作為佛羅里達州中部的一群大學生，他們想要幫助那些沒有手臂的孩子們。
團隊認為，游戲可以培養孩子更有效地適應他們的3D打印手臂。他們一直在努力創造有趣和身臨其境的游戲，以培養這些孩子，并調整他們的游戲控制器使用相同的肌電圖輸入，為假肢的功能提供動力。當用戶彎曲時EMG傳感器獲取信號，并且根據各種彎曲模式，執行各種控制。 “包容性游戲不僅訓練孩子使用3D打印手臂，而且還可以鍛煉孩子的創造力，”團隊表示。
來源：南極熊3D打印
展開 融合電子與生物學，看3D打印仿生眼背后的3D打印技術
不久前，美國明尼蘇達大學Michael McAlpine研究團隊在《先進材料》(Advanced Materials)期刊上發表了新的研究成果-3D打印仿生眼。研究團隊通過一種復合材料3D打印機以及導電的油墨材料，在玻璃半球的自由曲面上制造出圖像傳感陣列。
本期，3D科學谷就與谷友一起來了解明尼蘇達大學團隊在制造3D打印仿生眼時所使用的3D打印技術。
電子技術與生物學相融合
McAlpine研究團隊所從事的領域屬于將生物電子學領域，他們通過復合材料3D打印技術，在自由曲面和基底上制造打印納米級的電子油墨。通過3D打印技術，研究團隊能夠將有源電子設備與生物學相結合，制造自由幾何形狀的仿生器官，例如仿生眼、智能假肢。
明尼蘇達大學Michael McAlpine的團隊正在研究多種3D打印材料，用于制造生物電子裝置，左邊第一張圖即為前不久發布的3D打印仿生眼。圖片來源：明尼蘇達大學。
生物體的器官、組織是柔性的、三維的，并且對溫度敏感，而通常功能電子器件是平面的、剛性的，如果通過常用技術來制造仿生電子裝置，與生物學(人體)的器官、組織的特性并不相符。
3D科學谷了解到，明尼蘇達大學研究團隊解決以上問題的方式是使用3D打印技術，提供自由幾何形狀的制造。該方法解決了許多可能性：（1）使用3D打印實現個性化的多功能設備架構; （2）采用納米油墨作為引入各種材料功能的有利途徑; （3）3D打印一系列功能性墨水，以實現從生物到電子的各種材料的交織。
3D打印提供了一個多尺度平臺，可以結合功能納米級墨水，創建微尺度特征，并最終創建宏觀打印對象。
展開 創成式設計與增材制造，顛覆傳統設計制造模式
（3）醫療：仿生骨骼、假肢等；
（4）消費品：個性化家具，時尚首飾和配飾、服裝鞋帽等的直接制造。
圖：GD+AM應用案例（圖片來源：知識自動化）
仿生隔板
空客和Autodesk合作設計和制造世界上最大的3D打印飛機座艙部件，目前被稱為“仿生隔板”。這個案例用到了兩大主要的未來智造技術：衍生設計（Generative Design的不同翻譯，Autodesk的設計理念）、增材制造與新材料。衍生設計利用云計算來計算滿足特定目標和約束的大量的設計方案。由于這些設計對于傳統制造手段的制造者來說幾乎是不可能的，增材制造技術（3D打印）是保證衍生設計成功的關鍵。此案例中，“仿生隔板”是通過自定義的算法，模仿細胞結構和骨骼生長來生成，然后通過3D打印技術進行制造。這種開創性的設計和制造流程制造的隔板比使用傳統流程制造的產品結構更強大和更輕。
圖：仿生隔板：3D打印飛機座艙部件
在航空飛行中，減少重量意味著減少燃料的使用。采用結構更強大但重量更輕的晶格結構，空中客車公司的新“仿生隔板”比當前的設計重量降低45%（30公斤)，據Airbus估計，如果將同樣的技術應用到整個客艙和所有預訂生產的A320飛機，每年可減少465000噸的CO2排放量----相當于96000輛汽車從路上消失。
一輛超輕的電動摩托車
空中客車集團APWorks GmbH發布了世界上第一輛3D打印摩托車Light Rider，這款3D摩托車最大的特點是重量輕、結構優，其車身總重量僅為35公斤，比普通的電動摩托車輕30%。
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