从使用仿生手进行火炬传递,到赛场上各式各样的运动假肢,在北京2022年冬残奥会上,充满科技范儿的人工假肢让残疾运动员实现了梦想。经过近3000年的摸索和改造,人类制造出的假肢已经越来越接近真肢,帮助残疾人重新融入社会。

目前发现最早的人类假肢——古埃及底比斯地区一具女性木乃伊的大脚趾。

1 出现早但发展慢

天生缺陷、疾病、意外事故、战争……自有人类以来就有残疾人。早在远古时代,人们为了解决残疾人的生活问题,就开始制作一些简单的器具,补偿他们失去的功能。目前发现的最早的人类假肢是公元前950年至公元前710年间,古埃及底比斯地区一具女性木乃伊的大脚趾。它用木头和皮革制成,涂着彩色趾甲油,用麻线与脚缠在一起。假脚趾表面呈现出磨损和撕裂的迹象,显示出它是具有使用功能的,并不是纯粹为了弥补外观缺陷的装饰品。

古希腊历史学家希罗多德曾记载过一个名叫赫吉西斯特拉图斯的希腊人。公元前848年,斯巴达人俘虏了赫吉西斯特拉图斯,用夹具夹住他的一只脚,把他投入监狱,准备处死他。赫吉西斯特拉图斯用刀截断了被夹具夹住的脚的前半部分,逃出监狱。后来他得到了一只木脚,凭借这只木脚继续参加战斗。

意大利中部卡普亚的一座公元前300年的墓葬中出土了一条假腿。假腿为木制,外包两块青铜薄片,薄片用铁钉固定在木芯上,其顶部凹陷,可套在大腿的残肢上,再往下是膝盖到脚踝。这条假腿制作精良,体现了高超的手工艺水平。

根据文献,我国最早的假肢出现在春秋战国时期,因为当时很多人受到一种酷刑——“刖刑”的残害。这种刑罚是砍掉犯罪者的脚,于是相应的假肢也就出现了。《晏子春秋》记载,齐国的宰相晏子总想说服齐景公废除这种酷刑。有一天,齐景公问晏子,市场上什么东西最贵,什么东西最贱。晏子答,假脚最贵,鞋子最贱。齐景公不明白其中的原因。第二天,晏子带着齐景公微服私访。来到市场上,只见卖鞋的比比皆是,价格便宜,买的人却很少。找遍全市也不见有卖假脚的。晏子找个卖鞋的问,卖鞋的说,受刖刑的人很多,假脚很少,所以假脚一上市就抢购一空了。看到齐景公沉默不语,晏子趁机说:“没有脚的人这么多,再这样下去,谁种粮食,谁去打仗呀?”不久之后,刖刑就被齐景公废除了。据说遭受膑刑的军事家孙膑,也有一对木质下肢假肢。

考古挖掘中发现的我国已知最早假肢遗存,来自距今2000多年的新疆吐鲁番胜金店墓群。在2号墓,专家们发现一个由厚木板加工而成的形似船桨的小腿假肢,木板上部有两排小孔,孔内残留有皮绳,木板底部成楔形,套有一只18厘米长的牛角,牛角下套有一个动物蹄子,防止假肢陷入泥中。

假肢虽然出现得早,但前期的发展却很缓慢。在1000多年的时间里,从出土的文物来看,假肢技术一直没有太大的变化。上肢假肢大部分只具有装饰功能,几乎没有实用价值,下肢假肢也仅能支撑身体或辅助使用者缓慢行走,对伤残者的帮助很有限。

二战后,为了帮助伤残退伍军人进入工厂工作,“工具手”假肢被发明出来。

2 材料和工艺出现质的改进

中世纪,欧洲战争频仍,骑士们伤残后需要补偿肢体功能,加之武器大量生产,促进了金属锻造技术的提高,于是出现了金属假肢。1529年,被誉为“现代外科之父”的法国外科军医安布鲁瓦兹·巴累提出了截肢术作为医学中挽救生命的措施。他在自己的著作中记载了当时的金属假肢,比如,具有能做简单动作的肘关节和手指的上肢假肢,每根手指都安装了机械齿轮、实现了抓握功能的“小洛林人的假手”,中间是金属管道、外包金属板、可用拉杆操纵膝关节弯曲的假腿等。

1773年,德国诗人歌德创作了一部名为《铁手骑士葛兹·冯·伯里欣根》的戏剧,剧中展现了葛兹的铁手:手掌可以呈展开和紧握的状态,铁手的弹簧装置可令其手指开合,充分显示了当时金属锻造技术的发展。1815年,英国工匠为在滑铁卢战役中失去大腿的侯爵让·古莱基制作的假肢和现在的大腿假肢已很类似。

1861年至1865年,美国南北战争期间出现了约3万名截肢者,促使假肢技术迅速发展。这一时期,出现了借助于大气压力将接受腔和残肢固定的技术以及可以用轴与前臂假肢相连的橡胶假手。橡胶假手具有柔性、易弯曲、有弹性等特点,不但能拿起较轻的物品,还可以把钩子、刀、叉、刷子、环或其他工具直接与接受腔相连,进行相应的工作。在此期间,膝关节截肢的普通士兵相继安装了假肢,假肢技术和应用都有了质的发展。到了1875年,英国矫形医师汤姆斯发布了他设计的承重式下肢矫形器。

两次世界大战以来,由于战争和交通事故不断发生,造成残疾人不断增加。为了让残疾人适应工厂工作,“工具手”的概念被提出来,即只要假肢能够替代截肢发挥一些功能,它看上去是什么样子的并不重要。于是出现了可以附在肩上的锤子、剪子等上肢假肢。然而这些工具手实在太不像人类肢体了,甚至看起来有些恐怖,因此很多截肢者并不喜欢工具手。

康复工程学在两次世界大战后的兴起和发展,促进了假肢产品的日新月异。这时假肢的主要研发力量从欧洲转移到美国和苏联。1946年,加利福尼亚大学发明了吸附式大腿假肢接受腔,并出现了带有关节功能的骨骼式假肢。苏联在莫斯科和列宁格勒分别建立了两个假肢制造和装配研究所,并配备了相当人数的临床医务人员和工程技术人员。

自1960年在罗马举办了第一届残奥会后,残疾人的竞技运动得到社会各界人士的关注和支持。20世纪60年代出现了具有革命性的组件式下肢假肢,揭开了假肢技术的新篇章。20世纪70年代,各工业发达国家都相继推出了各自的组件式假肢,实现了假肢行业零部件生产与装配技术的分离。人们还把电子、气压、液压等技术引入假肢领域,在组件式假肢产品上实现了对支撑期和摆动期的较复杂控制,但这一时期制作假肢的主要材料仍然是合金钢和合金铝。

20世纪80年代,人们开始把大量的新技术和新材料引入假肢领域,最典型的就是实现了假肢的钛合金化和碳纤维化。20世纪90年代,由计算机、微电脑控制的假肢被研发出来,假肢的外形也越来越美观。

北京2022年冬残奥会火炬手贾红光用智能仿生手传递火炬。

3 我国近代假肢事业

中国近代假肢事业起步于20世纪40年代。在上海、北京等大城市的医院里有英国人和美国人开办的假肢装配室。沈阳有日本人开办的假肢作坊,另外少数城市有私人开办的小作坊,比如北京的“万顺”、上海的“天工”等。此时的假肢以皮革、铝材为主,属于传统假肢,功能不佳。

解放战争时期,人民政府为了适应革命伤残军人的需要,先后在华北、东北、华东解放区建立了假肢厂。1945年,晋察冀边区政府在张家口建立了中国第一个公立假肢厂。当时,晋察冀边区军区卫生部找到华北局,希望通过中共北平地下党寻找做假肢的专家。经过多方努力,得知在北京协和医院里有一个做过假肢的中国人,叫张玉忠,已经从医院辞职,正在燕京大学门口摆摊修鞋。在地下党员的动员下,张玉忠同意来到解放区为伤残战士做假肢,于是在张家口成立了人民政权下的第一个公立假肢厂。

新中国成立后,随着1959年赴苏联考察组归来举办培训班,传达了苏联假肢装配的理论,国家有计划地安排各地分批建厂、布点,陆续在全国绝大部分省、自治区、直辖市建立假肢厂,有的省还建立了假肢装配站。服务对象由面向革命伤残军人转为面向全社会的肢残者,从而在全国形成了一个专门为肢体残疾人制作装配假肢、矫形器、轮椅等辅助器具的假肢矫形器行业。1963年,中国科学院上海生理研究所开始进行肌电信号控制假肢的研究。

在20世纪70年代,我国假肢行业出现了新变化,很多新产品得以投入使用。如液压腿、尼龙骨架式大腿假肢、静踝假脚、骨骼式假肢等,都显示了假肢的新进展。1979年以后,我国引进了许多具有国际先进水平的假肢结构和装配工艺,使假肢业有了新的飞跃。1979年5月,民政部假肢科学研究所成立,2006年更名为国家康复辅具研究中心。中国康复器具协会于1986年成立,除负责开展假肢行业间的横向联系和国内外假肢技术交流与合作外,还受民政部的委托,承担对全国假肢矫形器行业的管理工作。

根据国家康复辅具研究中心2020年公布的《我国假肢与矫形器行业的历史、现状与展望》,截至2018年,我国有肢体残障者2412万,其中截肢人数为226万;在226万截肢者中,已装配假肢的有90万,约占截肢人数的40%。

目前,我国的假肢行业是国营、民营、合资、外资等多种经济体制并存,其中民政系统的假肢厂占据主导地位。不过与发达国家相比,我国在假肢研发、制造方面还有较大差距。医院、科研机构、假肢矫形器企业分属不同系统,协调困难,限制了国内假肢行业的发展。我国假肢市场上仍以国外品牌产品居多。

2021年11月,第四届中国国际进口博览会上,一家欧洲企业展示仿生假肢。

4 让假肢拥有真感觉

21世纪以来,假肢被纳入综合康复的范畴,假肢行业也进入智能化、仿生化时代。最新型的假肢不仅可以直接接受大脑发出的指令,还具备了冷热痛痒等感觉。新技术让假肢越来越像身体的一部分,而不只是安装在身体上的工具。

2005年,来自意大利、德国、西班牙和丹麦四国的科学家组成的科研团队,研发出了一种完全与神经系统相连的假手。通过其中的小电极和生物仿生传感器,假手能将各种信号传导给大脑,让残疾人能感觉到假手的位置、活动以及来自周围环境的刺激。2012年,以色列科学家将一种纳米材料制作的传感器安装在假肢的电子皮肤内,让假肢可以感知温度和湿度。2018年,美国科学家研发出了可以感到痛觉的假手,能区分出圆形物体和尖锐物体。

2019年,哈佛创新实验室孵化的一个由华人主导的企业——强脑科技公司,研发的一款脑机接口智能假手入选《时代周刊》“年度最佳100个发明”名单。这款假肢配备了肌肉电信号和神经电信号感应硬件,可以放大微弱的肌肉电信号,并在放大同时保证不失真。假肢里的芯片预先设置了算法,可以读取肌电信号的时间、强度、波形等信息,然后根据这些信息判断使用者的操作意图,进而发送指令控制假肢。通过学习和适应,假肢可以稳定地接收大脑发出的信号。使用者可以用意念控制自己的假手,做出和真手一样的动作。目前,强脑科技已经来到中国,北京2022年冬残奥会火炬手贾红光正是使用浙江强脑科技生产的智能仿生手,实现了火炬交接。

贾红光佩戴的这款仿生手重约530克,单次向上提起重物最高可达10千克,拥有10个活动关节和6个驱动自由度,可实现5根手指的独立运动和手指间的协同操作,能够轻松比划出“OK”“666”等手势,并且可以完成握拳、击掌、握手等交互动作。它的穿戴脱卸只需要几秒钟便可完成,充满电后可使用10小时以上,价格只是传统假肢的五分之一。“我6岁时因触电失去了三分之一的手臂,此后就失去了这种握手的感觉。28年过去了,终于可以再一次和人们愉快的握手,这种感觉太奇妙了!”贾红光兴奋地说。

除了肌电信号控制,美国麻省理工学院的仿生腿专家休·赫尔率领团队开发出一种名叫磁微测量法的新方法,能为假肢的运动提供更精确的控制。休·赫尔17岁时在一次攀岩中,因遭遇冻伤下肢被迫截肢。磁微测量法的原理是把小磁珠植入截肢残肢的肌肉组织,即可在肌肉收缩时精确测量肌肉的长度,几毫秒内就能把相关反馈传递给仿生假肢。这种技术的实现成本较低,商业前景好,但需要使用者进行外科手术。还有一些生物医学家受到壁虎断尾重生的启发,正在研究用胚胎干细胞培育人体的活体假肢。

有人说,或许在不久的未来,人类将不再有“肢体残疾”的概念,因为所有损坏的人体部位都可以使用人造假肢进行替换。希望到那时,这个世界有更多的快乐和温暖。

动物假肢

给海豚装上人工尾鳍

美国佛罗里达州“清水海洋水族馆”为一只残疾海豚安装了人工尾鳍。

残疾动物的寿命通常都很短,尤其是残疾的野生动物。现在,感谢博爱的人类,一些动物也安装上了假肢,可以继续正常生活。

为动物制作假肢并非一件容易的事。如果患者是人,医生可以口头教授他们如何使用假肢,并可以得到清楚的反馈——哪里感到疼痛和不适,但是动物不能。所以动物需要花更长的时间来适应它们的新装置。更大的挑战在于,动物的肢体修复没有通用的方案,不同物种的体型、体重会有很大差别,而且对动物的习性也必须考虑到位。

2006年,美国佛罗里达州“清水海洋水族馆”收下一只断了尾鳍的小海豚。海洋馆馆长达娜从潜水员脚上戴的脚蹼获得启发,想为断尾海豚制作一个人工尾鳍。达娜找到脚蹼工程师麦卡洛克,说明了自己的想法。麦卡洛克很支持达娜的想法,愿意试一试。尾鳍很快做好了,但如何将它安装在海豚身上成为一个难题。麦卡洛克尝试用两根尼龙带,但是尼龙带却在水中产生了巨大的阻力,完全不符合海豚本身的流线型身体。

3天之后,麦卡洛克带着改进后的尾鳍又回来了。这次他把尼龙带固定的方式改成了夹板固定。戴着改进后尾鳍的海豚,不但游泳的速度大大提高,甚至还可以做一些简单的动作。渐渐地,海豚适应了这副人工尾鳍,并且开始主动接触其他的海豚,这让大家都非常高兴。

然而事情并没有想象得那样顺利。2008年1月20日,戴着假肢的海豚正在水池里快乐地游着。突然,它一摆尾鳍跃出了水面,在落下来的过程中,固定尾鳍的夹板由于承受不了这么大的冲击力而断裂。残留的夹板碎片还割伤了海豚的身体,鲜血把水都染成了红色。

麦卡洛克知道这件事情之后,决心要寻找到一种和海豚本身一样坚固的材料来制造夹板。后来,这位工程师得知一种从蜘蛛丝里提取出来、据说是制造防弹衣的材料,非常适合做海豚尾鳍的夹板。新尾鳍安装在了海豚的身上,非常成功。2008年4月1日,带着人工尾鳍的海豚在“清水海洋水族馆”正式亮相。它的故事还被印在了一个小牌子上,挂在海豚馆的前面。每天来看它的人络绎不绝。

来源:北京日报 作者:张品秋

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