人与自然 系列丛书-第265章
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人工肾
兽类的肾脏是一种高效的过滤器，血流经过肾脏时，除了红血球、白血球和大分子的蛋白质外，都会通过细胞膜滤到其囊腔内形成原尿。模拟制造出人工肾在工业上可分离液体混合物，如咸水和海水淡化，污水处理，海水采矿，气体分离，以及净化、分离、浓缩某些物质等，都用得上特殊性质的人工肾超滤膜装置。
人造耳
人耳分为外、中、内三部分。外耳是指耳廓和外耳道；中耳由鼓膜和3块听小骨组成；内耳主要包括耳蜗和听觉神经。外耳和中耳这两部分出了故障所引起的耳聋叫传导性耳聋，现在基本上已经有了医疗措施，也可以用助听器来弥补听力的不足。而内耳的耳蜗内有许多听毛细胞和听觉神经相连，是一个声电换能器。声波经过外耳道引起鼓膜和听小骨的振动，传到内耳后，耳蜗把传来的声能转换成电能，即把声波转变成电信号，产生的电信号通过听觉神经纤维传到大脑皮层负责听觉的部分，产生听觉，这时人们才感知声音。所以，由内耳疾患引起的失聪，称为感觉性耳聋。对此，助听器也无能为力。
对于感觉性耳聋，许多国家进行了大量的研究和探索，试图用人工方法恢复这些患者的听觉。自18世纪90年代开始，经过100多年的研究，人们才开始对耳聋研究有了有意义的突破。1957年，法国人丢尔诺和艾利首先用电极直接刺激全耳聋病人听觉神经，使之产生听觉。以后许多学者陆续对此进行研究，他们制造了一种特别的微电极植入耳蜗内，借助外部输入的电信号刺激听觉神经末梢，来代替丧失了转换功能的耳蜗，使聋人产生一定的听觉。这种用电子技术模拟耳蜗功能的装置，叫人工耳蜗。人工耳蜗主要有两部分组成，一部分埋藏于耳蜗内的微电极，可以把经过适当处理后的电信号送到听神经纤维上，产生音感，另一部分是把生活中的声音转换成符合人耳特性的电信号的声电换能刺激器。
近年来，随着电子计算机的发展，人工耳蜗应用微处理机对输入信号进行分频、处理、编码和综合后，可以使聋人获得更好的分辨声音的能力。
人造牛胃
偶蹄类中的牛、羊、鹿、骆驼等都是反刍动物。反刍动物有特殊的复胃，复胃分成四个胃室：瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃和腺胃。其中前三部分是食道的变形，没有胃腺上皮，腺胃才是有腺体的真胃。瘤胃最大，占整个胃容量的80％，反刍动物如牛在吃草时在大量唾液作用下只简单咀嚼后就成团吞下，将粗草贮于瘤胃。牛瘤胃一次可容纳90千克草。瘤胃内有大量的纤毛虫和细菌及真菌共生，其作用就好比一只“发酵锅”。在微生物的作用下，纤维素和其他糖类发酵分解，并产生大量可燃烧的沼气。经分解后的细料进入蜂巢胃，粗料重回口中经再咀嚼后吞下，以后再继续发酵。蜂巢胃和瓣胃主要起转运站的作用，它们能吸收大量水分和酸。食物进入腺胃后，再进行最后的消化作用。
牛的复胃系统为人类提供了一种分解植物纤维素，开发生物能源的较好模型。“人造牛胃装置”通过微生物的作用，能直接把植物纤维素、木质素等分解并转化成人类可食用的蛋白质、脂肪或维生素，其产生的大量沼气，还可作为燃料。将来这种机器一旦投入应用，农村里的野草、树叶、秸杆或其他农产品的下脚废料，都有可能转化为营养物，甚至是牛肉，农村的燃料也将用之不竭。当然要达到这一步，目前还存在某些技术困难，但随着人类科学技术的进步，这一天终将会到来。
人造手
经过约200万年的过程，人为了求生，与环境相适应，逐渐学会了使自己的手适应于做各种各样的动作。从第一块石器开始到能缝制出精美的金缕玉衣，直至在一粒米雕刻唐诗300首的工艺。人手的结构同所有高等动物的前肢一样都是由肩、上臂、腕、掌和指组成。但是，人手的肩关节、肘关节、腕关节和指关节等部位至少有27个自由度。人手的优越性在于它功能的多样性，这是任何动物和机器都不能比拟的。你只要去查一下字典，有手字作部首的含有动词意思的字有多少，就足以说明人手能做的动作的多样性。人手的感觉非常灵敏，用手能感觉物体的轻重、软硬、粗细、干湿、大孝冷热等。蒙上你的眼睛，摊开手掌，在上面放上一块薄冰，问你这是什么东西？
你肯定会不加思索地准确地说出这是块冰，并能说出它是冷的、硬的、薄的、轻的、湿的和光滑的等等性质来。盲人的手感就更灵敏了，用手摸盲文，代替了眼睛看书。
尽管人手是如此的多能，但毕竟不是万能，人还需要利用制作工具来弥补手功能的不足。自从瓦特发明蒸汽机后，机器逐步代替了人工劳动，推动了生产力。人们追求好的机器，以此完成人手所做不到的一些事，以及把人从危险的工作境地解脱出来，由机器去代劳。因此，对手的研究和仿生是不会被忽视的。一些残疾人不幸失去了手，高明的医生就给他装上假手，早期的假手是在外部用皮带和金属线来操纵假手的活动，利用使用者的肩部运动使它动作，基本上只有手指张开和合拢这样一个自由度。以后外科医生又用一种叫做“运动形成切断术”，把病人的肌肉固定在钢针上，再把钢针用电线连接起来去操纵假手活动，它的优点是使用者只要想把手捏拢来，假手指就会捏拢来，它是用肌肉本身来操纵假手的，但是，这种手术不适用于肌肉不发达的人。后来人们又进一步用肌电直接控制假手。什么是肌电呢？肌电是指大脑传给肌肉或器官的神经信号电脉冲，人手的活动是直接受大脑支配的，从大脑传给肌肉的神经电信号使肌肉和骨胳关节按指令动作。由于神经信号的电特性，所以神经电信号不但能操纵活的肌肉，同样也可用来操纵机械活动。50年代前苏联的科学家成功地制造了能工作的肌电手，这种假手从使用者成对的颉颃肌上引出神经电信号，经电子仪器放大后去控制假手的活动，他们将微型电动机配上电池安装在假手上作为动力的能源，在断肢上套上一个电极固定圈，使它紧贴皮肤，引导出手指伸肌和手指屈肌的神经电信号；再通过放大器加大电流强度，使假手活动。安装在假肢中的电池耗尽后可以利用晚上睡觉时给予充电。这种假肢能举起4。5公斤左右的重物，而且能完成一些较精巧的动作。我国上海假肢厂和上海生理研究所共同研究也制成肌电手，握力已达1公斤，他们将两片涂有导电性能良好的电极膏的银片电极，贴在颉颃肌外面的皮肤上，引导出神经电信号，通过放大器，去控制假手。肌电假手尚需解决的一个难题是人体的“噪声”会造成大量的虚假电信号，致使打一个喷嚏也会导致假手举起来。
肌电控制技术的研究给人一机合作打下了良好的基矗所谓人一机合作就是人和机器紧密地结合。人的所有随意动作都是受大脑支配的，由大脑发出神经电信号支配有关肌肉和骨骼关节而完成指定动作。既然能用肌电信号来操纵机械，那么也就有可能直接用大脑的电信号来操纵机械。也就是说操纵者在荧屏上观察由自己脑电控制的机械设备，只要操纵者想什么，被控制的设备就会按你所想的进行活动。人—机合作的好处是通过遥控，人不必身临危险地方工作，可以及时解决某些预测不到的问题，要比单独的人或单独的机器工作好。美国飞往火星工作的无人飞船“水手三号”在飞行途中突然发生故障，虽然飞船发出17个求救信号，但是由于金属保护罩不能打开，太阳电池板得不到日光，致使“水手三号”因缺乏动力而殒失，本来这个问题很易解决，只要去掉这个保护罩就行了。但是飞船的电子设备没有这道程序。
如果这只飞船是由人—机合作操作的，就可以及时解决这些意外困难。
人们给机器装上机械手，用来到危险作业地方去搬运重物，由于机械手受形状、大孝动力源方面的制约较少，因此设计的自由度也就大，许多国家已广泛使用机械手。1966年一架美国军用飞机在地中海上空失事，将一枚氢弹坠入海底，美国海军部用机械手式打捞器进行打捞，这个打捞器重达1吨，而它的机械手却能提起几吨重的物体。打捞器配备有摄象机、声波探测仪、定位仪和信号灯等各种精密仪器，以螺旋桨推动机器在海底移动，打捞器在海底的情况通过摄象机显示在指挥船的电视屏幕上，工程师们据此通过电子计算机对打捞器进行操纵。1969年前苏联戈尔夫级攻击型导弹潜艇在夏威夷西北海域沉没。美国海军派出“格拉玛”勘探号作业船进行打捞。这艘深海作业船用3部吊车将大型蟹爪式机械手放入海底，操作人员在船上通过电视屏幕控制机械手用5对夹钳把这艘长达百米的潜艇从5000米深的海底提起，由于艇身断裂，仅捞起艇首部分，而后半部分仍坠入海底。
仿真技术和人造现实感
人造现实感这个词是20世纪70年代中期就已经开始使用了，起先是使用仿真这个词的。说起仿真，大多数情况是指用计算机按照科学方法来阐述事物的场合，而且，更是适用于下列情况：用实际装置进行试验或实验要花庞大经费的场合；伴有危险状况的场合；开发新设备所花费用特别大。
那么，在许多场合让人也参与在模拟的现实世界中，能使人进入由计算机等硬件构成的世界，并使人感觉到宛如身临其境的体验，这就是仿真技术中的人造现实感。
这里以仿真技术的代表——模拟飞行器为例。模拟飞行器是飞机研制和飞行员培训中心不可少的装置。
模拟飞行器大致有五部分组成：一是操纵席部；二是外部视野装置；三是运动装置；四是实时运动计算机部；五是飞行员。其中与人有关的部分有：由触觉控制的操纵席部和引起视觉的外部视野装置以及产生体感的运动装置。
与视觉有关的是从窗户所见到的外部状况与实际状况是完全相同的。现在使用专用的视野发生装置，特别是近年利用晶体组织技术，能逼真地显示出云层、海面、飞机高空滑行姿态和山坡表面等有质感的图像。
进而，如加上图像变换技术，就可以把地形、建筑物的摄影定格，而且能逼真地制出与实际状况几乎完全相同的外部视野。为了体验身临其境的感觉，可利用仿真技术显示无限远的境界，宽广的境界直至圆顶形天空的境界。
最近正在研究头戴显示屏式的眼镜，飞行员只要戴上它，就可以观察外部视野。
与体感有关的是运动装置，它是用于驱动飞行员的操纵座位的，使飞行员可以从身体上直接感觉到飞行运动的加速度。
用上述视觉甚至触觉的仿真技术，除用于航空方面外，在原子能、医学、化学等方面都有需要。
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