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你所知道的最黑的黑科技是啥( 五 )


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■医学工程跟材料方面有很多黑科技啊，一眼看上去就跟科幻小说里走出来的差不多。顺手拎几个吧：
1.钢铁外科医生(robotsurgeon)
不怕苦不怕累、坚强独立有主见的钢铁医生已经离现实不远了。这几年来电脑和机器人给医生做助手已经不算稀罕了，关键是能独挡一面，独立自主。而打造钢铁外科医生则更是黑科技中的黑科技，是医学、工程、人工智能三大前沿学科的一个白热交汇点。
现在最“聪明灵巧”的钢铁外科医生已经到什么程度了呢？光速缝合小肠，完全（好吧，大部分情况下独立自主），而且“天衣无缝”啊。地球人都知道软组织最最难搞，所以看到那一双真正称得上是百炼钢修成绕指柔的机械手上下翻飞、穿针引线，也确实不得不惊叹。

如果照这样发展下去
的话，十年之内钢铁医生就会成为各科室、尤其是手术室24小时待命的“守护神”了吧。
截图如下：



动图请看下列链接：
AutonomousRobotSurgeonBestsHumansinWorldFirst
参考文献：
Supervisedautonomousroboticsofttissuesurgery.ScienceTranslationalMedicine04May2016:Vol.8,Issue337,pp.337ra64DOI:10.1126/scitranslmed.aad9398
2.医疗材料／器械方面的黑科技
（1）量身定做的人体零部件
拥有可以与人体无缝对接、随时更换的零部件在科幻小说里已经久远得让人都会默认为科幻设置了。最近3D打印又让这个久远的梦想离现实迈近了一大步。
去年3D打印的合成骨骼(syntheticbones)首次在动物实验中获得成功。科研人员用一种最新的生物活性陶瓷(bioactiveceramic)做材料，3D打印出来的合成骨骼成功地融合进了大鼠受损的脊椎，以及猴子破裂的头骨。关键是这种材料不会引起免疫反应，可以帮助身体长出自身的骨骼，然后自然降解。
因此上了《科学.转化医学》的封面：



当然，这种合成骨骼要经过一系列的临床试验最终进入市场还有一段路要走。不过很有可能是第一个应用于临床的个性化人体零件。
参考文献：
Hyperelastic“bone”:Ahighlyversatile,growthfactor–free,osteoregenerative,scalable,andsurgicallyfriendlybiomaterialScienceTranslationalMedicine28Sep2016Vol.8,Issue358,pp.358ra127DOI:10.1126/scitranslmed.aaf7704
（2）真正的左右手
本世纪以来，得益于材料、工程、医学以及计算机的全面发展，智能义肢的发展有了量子跃升式的突破。
然而要做成真正的想打哪儿打哪儿、拥有自然魔性的左右手，最大的一道难关就是让机械肢体发展出能反馈信号，能让大脑产生基本的感知。没有返回大脑的感觉信号，机械手永远只是工具，而不会是肢体的一部分。另外，没有神经的感知反馈而只靠物理参数的话，机械手也很有可能达不到真正的人手的多功能和灵活性。
所以要复现那些我们习以为常、经常被主观意识忽略的“次要”感觉，比如温度的感觉、触觉、本体感觉等等，其实是项超级复杂的黑科技。
本着屡败屡战的精神，克利夫兰退伍军人医学中心的研究者们把几十个电极包埋在手臂中不同的位点反复实验，终于第一次成功地为一位失去右手的患者通过假肢再现了包括抚摸、轻微的刺痛、柔软等十几种自然感觉。
真正完好如初、而且刀枪不入的黑科技手终于要变成现实了。



参考文献：
CreatingaProstheticHandThatCanFeel
（3）给药神器－－可内置定时定点给药的水凝胶给药器
讨厌打针吗？至少这一条你是占理的。注射给药不仅简单粗暴，而且长期反复使用的话会造成很多身体损伤。尤其是那些患有慢性或严重疾病，需要长时间注射多种药物的病人来说，智能可控定时定点又无需注射的给药器确实是雪中送碳，不幸中的万幸。
有意思的是，最近由哥伦比亚大学的研究者做成的这一款新型内置给药器，定时的方法还是从机械钟表中借鉴来的，所以连充电都不用。
最初用一个小鼠骨癌模型的实验结果证明这个装置完全可以在体内良好运行。比起通过传统的静脉注射化疗药物，这种给药器可以埋在病灶附近，以少得多的药量杀死更多的癌细胞，而且不被身体排斥。
埋在小鼠体内的凝胶给药神器：



虽然仍然任重道远，但是一代给药神器已经初露头角了。
参考文献：
前沿|ScienceRobotics介绍3D打印柔性机器人：可植入身体定点释放药物
Additivemanufacturingofhydrogel-basedmaterialsfornext-generationimplantablemedicaldevicesScienceRobotics04Jan2017:Vol.2,Issue2,DOI:10.1126/scirobotics.aah6451
3.营养、好吃，又给力的食品。。。包装
虽然看上去没那么黑，但是难度却一点不少。而且一旦做成了，比以上的黑科技都要有实用价值（关键还是跟“吃“沾了边）。因为无知又放纵的人类已经把22世纪的塑料定额都提前消耗完了，寻找可以降解（最好是好吃）的塑料替代品很有可能直接决定几十年后地球的友善程度。
因此做出来跟食物一样好吃的食物包装就成了吃货们，不对，有理想有担当的材料研发人员的孜孜以求的奋斗目标。
这不，在不久前的美国化学学会年会上又有关于可食用的包装的最新进展了。这种最新包装用奶制品中的一种蛋白做成，号称跟塑料薄膜一样坚固、防腐效果更好，而且最最重要的是：可以吃、有营养！



等着它自然降解多慢啊，直接配菜吃了呗。比如榨菜包装卷榨菜，香辣豆腐干就包装，有荤有素，有主有副，有咸有淡，而且吃完了连垃圾都没有！
参考文献：
【你所知道的最黑的黑科技是啥】Ediblefoodpackagingmadefrommilkproteins(video)-AmericanChemicalSociety
■世界上最快的摄像机可以让你看到光的运行。



试验场景是这样的：一小段激光脉冲从左边进入水瓶，高速摄像机记录下激光在水瓶中运动的过程。



图片来自https://youtu.be/Y_9vd4HWlVA
如果你看不到Youtube上的视频，可以试试TED：万亿分之一秒摄影（能拍摄光运动轨迹的逆天技术）_数码_科技_bilibili_哔哩哔哩。
这种摄像技术叫做飞秒照相，出自麻省理工学院的研究人员之手。成像速度达到骇人听闻的每秒1万亿帧。仔细算算你可能会发现一个问题：光在真空中的速度是每秒3x10^8米，那么在摄像机产生一幅图片的时间内，光在真空中也只能走0.3毫米。为了生成一幅图像，摄像机需要进行大量的电子或机械操作。这样看来，莫非这个摄像机可以超光速运行？
还有一个问题：高速摄影中，每一幅图片曝光时间都非常短。在1万亿分之一秒内，摄像机接收到的光微乎其微，远远不足以生成一幅图片。
飞秒照相技术确实玩了一个小花招来避免上述问题。你看到的视频好像是一小段激光穿过水瓶的过程，但实际上，他们向水瓶发射了上百万次激光脉冲，录制了上百万段视频。当然，每一段视频包含的信息量极少，无法观看。然后电脑把所有视频合成为一个，集合了所有视频中的信息。所以，摄像机不需要超光速运行（虽然摄像机的速度确实很高），错过了几帧也没有关系，下一次总会抓住的；每一帧光线太暗也没有关系，把一百万个视频合起来亮度就够了。
这项技术还有一些匪夷所思的应用，比如可以看见躲在墙角的人。



图片来自https://www.slideshare.net/cameraculture/raskar-ted-global-2012-femto-photography
在上图的场景中，摄像机不能看见屋里的人。于是，摄像机向门的不同位置发射多次激光脉冲。光子从门上发射，走向不同方向。有少量激光会落到人身上，再次反射。部分激光会再次落到门上。其中少数比较走运的光子会进入摄像机的镜头，被摄像机看到。摄像机通过分析接收到光子的时间，大致判断目标在屋里的什么位置。
经过上百万次激光脉冲和成像，摄像机就能建立起一个大致的三维模型。



图片来自https://youtu.be/Y_9vd4HWlVA
飞秒照相技术发表于2012年。从此以后，其他研究机构纷纷跟进，成像速度也得到了突飞猛进的发展。现在的最高纪录为瑞典隆德大学保持：每秒5万亿帧。

■讲一个新鲜出炉的「黑科技」，就在上个月，Science（科学）杂志刊登一项最新研究：哈佛大学科学家受到「鼻涕虫」启发，研制了一种新型止血材料TA（ToughAdhesives），中文翻译「强力胶」，名字起得也是简单粗暴。
这种新型材料可以迅速粘连止血，同时又保持极高的组织器官强度。
如下图，心脏上的孔洞都可以直接打个「补丁」，惊喜不惊喜，意外不意外？



用法也十分简单，只需要贴上就行，是不是很简单！



贴上后需要非常大的力气才能够扯掉：



而且，即使在有血的表面（湿润环境）也能轻松粘合：



此外，它的延展性十分好，可以拉伸到原体积14倍长度，同时仍可保证粘连处固定良好。



而且，时间越长，它的粘合作用越强，远远甩掉了其他同类胶水。



除了粘心脏，还能粘肝脏、粘皮肤、粘软骨、粘动脉等等等等：



它的细胞组织相容性良好，仅有轻中度的炎症反应。加上操作简单，就连心脏大出血，都可以「一贴止血」，这几乎就是理想中的完美外科吻合止血材料。
而这种材料，是从鼻涕虫身上找到的！




为什么是「鼻涕虫」？目前外科最常用的纤维蛋白胶（fibringlue）和「502」胶都存在严重缺陷。
氰基丙烯酸酯聚合物（「502」胶水有效成分）在含水的湿润环境下会逐渐分解，不但会产生甲醛等毒性物质，而且其强度会随之下降甚至消失。而这对于血管外科吻合来说就存在很大的风险。因此直到目前，仍只能应用于皮肤表面的粘连。
纤维蛋白胶（fibringlue）常用于术后止血。这种粘合剂使用了从血浆中分离的纤维蛋白原，并用凝血酶将其转变为纤维蛋白形成凝块。这些凝块有一定粘性，但无法形成牢固的联结，而且48小时内就会被降解。而且其由于纤维蛋白原的特性，会导致手术部位广泛粘连，对未来可能手术造成风险。


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