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機器戰警的左右手──仿生義肢

活躍星系核_96
・2014/05/14 ・1225字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 515 ・六年級
相關標籤: 義肢 (4)

deka-arm

文 / 施柔安

在《機器戰警》裡,主角因爆炸受了重傷,被改造成半人半機械的超級警察。而真實世界裡,有更多的人,因為戰爭、意外、疾病,永遠地失去了身體的一部份。幾十年來,從虎克船長的鐵勾、美觀大於實用的假肢,到殘障奧運短跑選手使用的碳纖維義肢,科學家們一直不斷地研究與改善義肢的功能,創造出許多使用不同原理和應用目的的義肢,希望能讓這些失去肢體的人們生活更安全便利。

上週,美國食品藥品管理局宣布批准了一款新型的義肢手臂上市銷售[1]。這款代號Luke(和《星際大戰》裡被砍掉手後、裝上一隻幾可亂真假手的天行者 Luke同名)的義肢,是一款能夠以意念操控的仿生義肢,由曾發明知名2輪電動車Segway的Dean Kamen所在公司DEKA研發。它的大小、重量和外觀都與真實的手臂相仿,並可做出高達十種不同的動作,從最簡單的喝水、進食、梳頭、刷牙,到開鎖、撿硬幣、拿雞蛋,甚至是操作器械,許多是目前的義肢無法完成的。

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不同於目前廣泛使用的跨肢體牽引連動系統,Luke使用的DEKA arm system是經由電極來偵測殘餘肢體末端肌肉群的活動,再把信號轉換成相應的動作。這種方式讓使用者可以依照過去的經驗操作義肢,不需要一個關節接著一個關節地控制,使用上更自然也更直觀。

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這看起來已經足夠厲害了,但是科學家們並沒有滿足。他們還希望可以「感覺」到物體的冷熱、形狀、硬度和質感。

今年二月,一篇相關的文章發表於Science Translational Medicine期刊[2]。這些神經科學家、工程師、醫生和機器人專家,將四個電極手術植入實驗參與者的上臂。這四個電極,會連接到特製的義肢上,將義肢表面受到的壓力資料,經電腦計算,改變成神經可接受的訊號,回傳給大腦。測試時,參與者不必盯著義肢,就能夠感覺到手正在做什麼,從而調整力氣拿起一些易碎的物品。

因為體積、重量和精準度的問題,讓它目前離實際應用還有很長一段路要走,且初期的價格肯定會無庸置疑地高昂。

當然,科幻小說中逼真靈活又普遍的機械仿生手臂永遠是科學家努力的方向──但我真心希望你我都沒有需要用到它的一天。

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https://www.youtube.com/watch?v=uhOjRBGzUa0

 

 

作者施柔安:台灣人,出身長庚的物理治療師,現為新加坡 Villa Francis Home for the Aged 復健部主任

參考資料:

  1. Brandon Griggs FDA approves ‘Star Wars’ bionic arm. CNN [May 12, 2014]
  2. Stanisa Raspopovic, Marco Capogrosso, Francesco Maria Petrini, Marco Bonizzato, Jacopo Rigosa, Giovanni Di Pino, Jacopo Carpaneto, Marco Controzzi, Tim Boretius, Eduardo Fernandez, Giuseppe Granata, Calogero Maria Oddo, Luca Citi, Anna Lisa Ciancio, Christian Cipriani, Maria Chiara Carrozza, Winnie Jensen, Eugenio Guglielmelli, Thomas Stieglitz, Paolo Maria Rossini, Silvestro Micera “Restoring Natural Sensory Feedback in Real-Time Bidirectional Hand Prostheses” Sci Transl Med, Vol. 6, Issue 222, p. 222ra19, 2014.

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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找回走路的「鈦」度!3D 列印技術重建貓咪四肢
言蓁
・2020/03/13 ・886字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

2018 年 12 月,有名司機在西伯利亞新庫茲涅茨克的雪地中,找到了一隻大約四歲的俄羅斯貓貓 Dymka(俄語為「霧」),並將牠帶至新西伯利亞的診所。雖然牠因凍傷而失去了所有的爪子,但獸醫們 3D 列印材質的義肢代替牠失去的四條腿,所以現在 Dymka 可以重新生龍活虎地追趕跑跳蹦,甚至爬樓梯了!(灑花)

Dymka 用牠的新腳站著。圖/© Kirill Kukhmar/TASS/Getty

義肢獨秀——3D 列印技術重建貓掌

根據《莫斯科時報》報導, Dymka 獲救時爪子、耳朵和尾巴都已經凍傷了,獸醫 Sergei Gorshkov 不得不幫牠截肢。Gorshkov 說,在西伯利亞嚴酷的冬季裡,每間診所的獸醫至少會治療五至七隻爪子、耳朵和鼻子等部位被凍傷的貓,倘若凍傷情形嚴重,皮膚組織會死亡並需要截肢。

Gorshkov 和診所同事與俄羅斯托木斯克理工大學 (TPU) 的研究人員合作,為 Dymka 製造了一套義肢。 TPU 的代表表示,科學家開發了磷酸鈣製成的塗層,使鈦製義肢可以更順利地安裝並嵌入、融合進動物的腿骨中,同時讓感染和排斥的風險降到最低。

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冬季的西伯利亞。圖/Pinterest

走出態度!恍若新生的鈦製義肢

研究人員對 Dymka 的腿進行電腦斷層掃描 (CT) 建模,並依此 3D 列印出鈦棒。根據《新西伯利亞新聞》報導 ,Dymka 於 2019 年 7 月植入了義肢,前腳為先,後腿次之。2019 年 12 月,獸醫診所在 YouTube 上傳了影片,內容記錄牠安裝義肢七個月後的生活,還有特寫鏡頭拍到了一些關於義肢的細節,可以從畫面中看出來,牠的「 腳掌」以柔軟的黑色材料製成,底部帶有紋理。

不過,Dymka 可不是世界上唯一一隻四腳都是金屬義肢的「鋼鐵貓貓」,第一隻接受類似手術的貓出現在 2016 年,當時,新西伯利亞有診所替一隻名為 Ryzhik(俄語為「紅」)的貓進行了凍傷截肢的手術,並在牠身上植入了鈦製物體。未來,是不是會有更多貓咪受益於鈦製義肢呢?讓我們繼續看下去。

資料來源:

言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。

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外骨骼輔助義肢,讓身障者享受走路帶來的健康和快樂
PanSci_96
・2016/03/13 ・1352字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/李允誠 | 台灣數位文化協會

在以往,身心障礙者只能倚靠輪椅或是助行器協助行走,但這些器材往往過於龐大,攜帶不便,而且對於顛頗地形適應不佳。ReWalk Personal 6.0 是一套外骨骼輔助義肢,能夠幫助身障者以接近原始走路的方式行走,讓身障者享受再次走路的感動。

ReWalk 將外骨骼輔具帶上街頭

外骨骼義肢
外骨骼輔助義肢的使用者 Robert Woo 示範運用 ReWalk Personal 6.0 走上街頭。(圖片來源: Eliza Strickland)

Rewalk 系統的創始者亞米特高佛(Amit Goffer)不希望這些外骨骼義肢只使用於物理治療或是家中,他總是不停的想:「該如何才能讓這些器具融入社區?甚至走上街頭?」。ReWalk 機器人義肢公司的 CEO 賴瑞亞辛斯基(Larry Jasinski)也表示:「我們的目標就是讓外骨骼等輔助工具融入日常生活。」

美國已經通過先前 ReWalk 系統在臨床及個人的使用資格,讓脊隨損傷的身障者能夠使用外骨骼義肢協助行走。這也是第一套獲准如此多種使用權的外骨骼義肢,代表它將是第一個「走出醫院」的機器人義肢。亞辛斯基表示,已經有 66 位使用者將 ReWalk 買回家中使用。

 更符合人體需求

在基本機械運作上,新一代的 ReWalk 6.0 相較前代的差異不大:同樣用位於臀部與膝蓋的伺服馬達供給電源,並透過加速度器偵測使用者的移動。但在硬體上則有幾項重要的升級:腿部支撐器變得更為精簡,支撐帶能將身體重量更均勻的分布於義肢上,而原先放置處理器的背包,也被換成更迷你的腰包

羅伯特是前幾代 ReWalk 的使用者,也給了許多改良建議給原廠。例如說先前的外骨骼支撐帶,其實很容易擦傷使用者的膝蓋。而新版的 ReWalk 設計,透過調整身體重量分配,已經成功改善這個問題。顯示了科技如果要進步,除了追求材料、製程或是微型化的進步,其實很多時候更需要的是聆聽使用者回饋的各種小問題,去調整、改善科技產品伴隨的副作用。

既然如此,外骨骼義肢的「好穿易脫」也就變得更重要了。ReWalk 把原先內外支柱的造型,改成只有外在支柱,並搭配環繞帶扣緊腿部,這種改良腿部支撐的方式,讓使用者能更容易穿上 ReWalk。使用者羅伯特表示透過增加腹部的支撐,他現在可以在盤腿坐時彎腰,不用再怕會往前倒,「我隨時都可以在 10 分鐘內站起來。」

除了硬體,ReWalk 6.0 也在軟體上做了改良。ReWalk 6.0 提供更平順的步行功能、更簡單的止步機制、以及更方便的上下樓梯動作。使用者也能透過穿戴式手錶,控制外骨骼的動作,像是坐下、站立、行走及爬階等。

除了輔助行走,還有更多益處

使用外骨骼義肢不是為了炫,相較於過去只能選擇坐輪椅,羅伯特發現他的身體機能在可重新走路之後獲得許多改善,他不再需要麻醉藥物,肌肉痙攣減少許多,消化、循環系統也都變得較健康。

和許多科技的誕生一樣,外骨骼最早應用於軍事用途,透過外骨骼裝置,能讓人跑得更快、跳得更高,甚而抬起重物、背負更多的裝備。現在,外骨骼義肢已經從醫院裡的物理治療室,逐漸走向街頭,也許未來會有越來越多的身障者,能在外骨骼義肢的幫助下,再度從輪椅、病床上站起,腳踏實地的感受每一步。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧