“替换零件”为数百万人带来希望，意念控制假肢与3D打印器官

瑞士洛桑联邦理工学院的实验室里，截肢者玛蒂娜·吉尼正在用思维控制一只机械手臂，这只假肢不仅能够执行复杂的抓握动作，还能让她感受到温暖的触觉反馈。这一幕代表着生物医学工程领域正在发生的深刻变革——从机械假肢到3D打印器官，从水凝胶软组织修复到人工心脏泵，一场涵盖机器人技术、生物材料和神经工程的仿生革命正在为全球数百万残疾患者带来前所未有的希望。

神经工程突破：从触觉到温度的完整感知

玛蒂娜·吉尼 （Martina Gini） 控制着一个带有呼吸功能的简化机械臂。 © EPFL / 阿兰·赫尔佐格 - CC-BY-SA 4.0

洛桑联邦理工学院转化神经工程实验室在Silvestro Micera教授的领导下，已经在假肢领域深耕十多年。2023年的重大突破标志着假肢技术从单纯的机械替代向真正的感觉恢复迈进。研究团队开发的新型感觉反馈系统采用无创热电极技术，让截肢者能够在失去的手上重新感受到温暖。

"温度反馈对于传递超越触摸的信息至关重要，它会产生情感的感觉。我们是社会人，温暖是其中的重要组成部分。"Micera教授的这番话揭示了这项技术的深层意义——它不仅恢复了生理功能，更重要的是恢复了人与人之间最基本的情感连接。

生物工程师Vincent Mendez作为该领域创新前沿的研究者，正在开发一种融合所有先进技术的综合性假肢。这种假肢将集成触觉感知、温度反馈以及先进的机器人组件。在触觉方面，洛桑联邦理工学院与意大利比萨圣安娜高等学校合作开发了革命性的非侵入性系统，该系统不依赖神经植入物，而是使用微型气球在连接界面内充气，在特定点接触皮肤，产生幻影手被触摸的真实错觉。

过去六年中，Mendez特别专注于解决控制问题，与患者合作开发用思维指挥机械手的系统。"我们使用前臂上的电极来测量肌肉活动，这让我们能够破译和解释它们传输的信号。目的是将人的意图转化为直观、自然的动作。"预计采用这些新技术的原型将在2026年准备就绪。

第三臂项目：拓展人类能力边界

神经工程师Daniel Leal正在参与一个更加雄心勃勃的项目——开发"额外"机械臂。这个第三臂项目不仅旨在恢复失去上肢功能人群的能力，还可能为身体健全的人提供帮助，使他们能够"同时处理多项任务"或执行精细的医疗和救援操作。

"一项挑战是找到一种方法，使用通常分配给其他身体功能的运动资源来控制额外的手臂，而不会破坏这些功能。我们的工作涉及利用人体内置的自然冗余。"Leal的团队正在探索通过移动隔膜或耳朵肌肉来控制机械臂的可能性。

耳朵肌肉作为控制接口的想法特别引人注目。"耳朵肌肉是退化的，或者说是进化过程的残余物。大多数人不能再使用它们，但神经连接仍然存在，所以我们可以训练大脑重新分配它们。"这些肌肉的一个关键优势是，即使在高位脊髓损伤的情况下，它们通常仍能保持功能，使其成为神经假体控制的理想目标。

水凝胶技术：软组织再生的新希望

在软组织修复领域，洛桑联邦理工学院生物力学骨科实验室的Dominique Pioletti教授及其团队正在开发一种革命性的水凝胶——一种可注射的生物材料，能够与组织结合并促进再生。

Pioletti解释了水凝胶的关键优势："就像软组织一样，水凝胶由分子基质组成，内部含有液体。另一个优点是它们可以以液体形式注射，然后在后期部分凝固，例如响应光，这意味着它们可以以微创方式使用。"

目前，该实验室主要专注于修复软骨缺损。传统的软骨治疗方法是从患者体内提取细胞，在实验室中扩增后重新注射。然而，液体注射存在细胞固定困难的问题。"如果将细胞插入与软骨结合的凝胶中，细胞将保留在它们应该在的位置，从而获得更好的治疗效果。"

治疗受损软骨是一场与时间的赛跑。如果受损区域得不到及时保护，人体会形成所谓的纤维软骨——一种杂乱无章的纤维组织，会阻止高质量软骨的再生。水凝胶能够填补空隙，为组织再生创造条件。Pioletti预计具有商业可行性的产品将在约五年内问世。

3D生物打印：从皮肤到肌肉的制造革命

瑞士联邦材料科学与技术实验室的科学家们在3D生物打印领域取得了突破性进展。他们使用从鳕鱼和狭鳕等冷水鱼类中提取的明胶开发了一种获得专利的创新生物材料，可以与皮肤细胞进行3D打印，创建活体皮肤模型。

这种水凝胶能够模拟细胞外基质并复制人体皮肤的层状结构，使科学家能够研究疾病和慢性伤口。与基于哺乳动物明胶的材料相比，它具有更好的生物相容性，引起的免疫反应更少。

在人工肌肉制造方面，该实验室的另一个团队取得了重大突破。今年3月宣布的研究成果显示，这些3D打印的人工肌肉结构有望"在工作或行走时支持人们，或替换受伤的肌肉组织"。人工肌肉包含介电弹性执行器，由有机硅材料的互锁层组成：一层导电，另一层不导电。当施加电压时，执行器像真正的肌肉一样收缩，电压关闭时则放松。

心脏辅助与面部复活：重塑生命质量

微工程师Yves Perriard领导的综合执行器实验室和人工肌肉中心正在开发革命性的心脏辅助设备。他们的目标是创造一种柔软且侵入性极小的心脏泵，不直接接触血液或进入心脏内部。

"目前，当我们植入人工泵时，必须将金属和磁铁等刚性部件放置在心脏内部。我们的目标是创造一种柔软且侵入性小得多的东西。"Perriard团队开发的环形介电弹性执行器可以放置在与心脏连接的主动脉上，通过与主动脉瓣的开闭同步运动，产生帮助心脏泵血的吸力效果。

2021年和2022年的猪体试验证明了这种方法的成功。更令人兴奋的是，去年的一个发现为这项技术打开了全新的可能性："通过在执行器周围形成气隙，我们能够将其效果放大近十倍。这个系统不仅仅是帮助心脏跳动,还可以完全取代它。"

在面部复活治疗方面，Perriard实验室与苏黎世大学医院合作，为面瘫患者开发了创新解决方案。该系统将极薄的介电弹性执行器连接到脸颊下方的颧大肌，由读取和解释神经信号的电子设备控制，帮助患者恢复抬起嘴角的能力。

这些技术突破不仅代表了工程学的进步，更重要的是，它们为数百万因疾病或事故而失去正常生活能力的人们带来了重获新生的希望。从思维控制的假肢到可再生的器官，从智能水凝胶到人工心脏，这场仿生革命正在重新定义人类对身体局限性的认知，为一个更加包容和充满可能性的未来铺平道路。