基于自然的机器人的软实力：努力打造未来的人工心脏_专栏

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植入全人工心脏为严重心力衰竭患者提供了一种解决方案，但现有的人工心脏有很大的局限性，这意味着需要更好的替代方案。Luuk van Laake通过他的博士研究，为基于软机器人技术的未来人工心脏的发展做出了贡献。

他的创新是使用一个软阀，使人造肌肉周期性地收缩和放松，在不使用电子设备的情况下将血液输送到全身。

软机器人是一个相对较新的但充满活力的多学科研究领域，探索柔软和柔性材料和结构的好处。许多软体机器人研究都是基于仿生学，或者是受大自然启发而创造的创新解决方案。

“柔软和灵活在自然界中无处不在，在各种重要功能中发挥着重要作用，”Van Laake解释说。“例如，鱼尾，它的工作效率更高，因为它是灵活的；或者是章鱼，它可以通过一个非常小的洞爬行，因为它可以压缩它的身体;或者是大象的鼻子，它可以抓住各种各样的物体。”

智能和自主性

软机器人研究人员研究软结构的这些好处：比如弹性、效率或多功能性，并探索如何将这些基本原理应用到我们的设备中。举个例子，在软机器人领域，人们已经在软抓取器上做了很多工作，这些软抓取器可以自动适应它们所抓取的东西的形状，就像人类的手或大象的鼻子一样。

他解释说:“有了柔软的抓手，你可以抓住各种各样的东西，而不必每次都设计一个新的抓手。但控制也更容易。你只需说‘抓取’，而不必详细控制动作。”

机械本身固有的这种智能，不使用电子或软件，是体现智能的基本例子。Van Laake说：“因为机器人中有软部件，所以你会得到一个自动适应其环境的系统。

在他的论文中，他展示了一个柔软的人造心脏可以根据病人的血压自动调整心率，而不需要在心脏中使用电子设备，也不需要外部控制信号。他断言:“如果你仔细考虑控制、机械和环境的结合，你就可以制造出自主工作的软体机器人。”

他的论文是欧盟资助的“混合心脏”项目的一部分，在该项目中，一个合作伙伴联盟正在开发一种基于软机器人技术的人工心脏，也称为“全人工心脏”（TAH）。

该联盟汇集了三件事：原位组织工程（将一种在体内分解并被人体自身细胞取代的物质带入体内）、用于机械结构和控制的软机器人，以及一种将能量无线发送到体内的技术，有点像无线电话充电器，它可以让患者的皮肤保持完整。

“如果你成功地将这三件事结合在一起，你就可以制造出理想的人造心脏，”这位博士候选人说，他本人也在控制领域做出了贡献。

他继续说:“目前有两个tah已经为严重心力衰竭患者提供了解决方案，但它们都有很大的局限性。”“它们是由刚性材料制成的，所以血液流动与人类心脏不同，因为人类心脏的一切都在不断运动，这可能导致血栓。”这需要药物治疗，而药物治疗又有副作用，所以这并不理想。”

“此外，现有的tah目前仅作为等待供体心脏的患者的临时解决方案;出于几个原因，这不是一个合适的长期解决方案，”他继续说道。例如，一根管子穿过病人胸部的一个洞，将人工心脏连接到病人体外的一个设备上。因为管子穿过皮肤，有感染的风险，而且你永远不能断开设备，这很大程度上限制了患者的行动能力。”

柔软的替代品

软体机器人的应用使血液循环更加自然。结合原位组织工程，这消除了对药物的需要。此外，柔软的心脏更容易融入任何身体，因为它更轻、更小、更容易变形。

他补充说:“一个额外的好处是，你还可以对柔软的心脏进行胸外按压，而对于目前的人工心脏，如果出现问题，急救人员真的无能为力。”

“我们面临的挑战是设计一颗能够持续使用多年的人造心脏。大幅减少组件的数量在这方面有所帮助。我们通过尽可能用柔软的机械部件取代电控阀门和其他电子设备来实现这一目标。”

Van Laake开发了一种可以产生心跳的所谓迟滞阀，而不是电子控制器。这个原理非常简单，而且可以很容易直观地理解。这是因为阀门只不过是我们从番茄酱瓶盖上知道的一层小橡胶膜。“我的博士生导师在美国做了博士研究。有一天，当他在一家餐厅用餐时，他被番茄酱瓶盖的行为迷住了。我决定进一步探索这个想法，”他解释道。

其思想是，在特定条件下，连续的气流会产生脉动、循环行为。Van Laake解释道：“当你把番茄酱瓶子挤得越来越硬时，一段时间内什么都不会发生，直到番茄酱突然喷出，然后这个过程就会重复。”

同样的机理也应用于软性人工心脏中。“你在系统中不断地向周围吹气，这会在阀门前面形成压力。当压力累积到一定程度时，压缩空气就会突然通过瓣膜流入柔软的人造心脏的人造肌肉中，从而导致心脏收缩。”

这重置了这个过程，然后开始重复自己。结果是收缩和松弛的周期性交替，但纯粹基于力学，没有外部电子控制。