机械外骨骼在医疗【神奇的外骨骼】

机械外骨骼在医疗【神奇的外骨骼】
在轰动一时的3D电影《阿凡达》中，最令人震撼的莫过于那些人类控制的巨大“外骨骼”机械装备。

它们在片中被称作“移动扩增平台装甲”(缩写为“AMP”)。

人类穿上了AMP服，通过手臂的活动传递给AMP服的力量得到了百倍的增强，使人变成了无坚不摧的“大力神”。

这种出现在科幻影片和小说中的“外骨骼”显然是现代仿生学中的一个内容。

那么，在动物中是不是有它的原形呢?这要从“肉包骨”还是“骨包内”这个问题说起。

乍一看这个问题，很多人一定会觉得好笑，动物当然都是肉包着骨啦。

不论是重达几十吨的巨鲸还是只有10克重的小老鼠，不论是河里游的鱼还是天上飞的鸟，其肌肉再发达，也还得靠骨头在里面撑着。

不过，上述的动物都是脊椎动物。

脊椎动物都是肌肉在外、骨骼在内，这种形式的骨骼称为，“内骨骼”。

内骨骼的一大特点是它可以随着肌肉的生长而不断生长。

但是，在世界上无论是种类或是数量都极为庞大的动物类群是无脊椎动物，它们的骨骼形态更为复杂多样。

丰富多样的骨骼形式
在无脊椎动物中，也有着堪与脊椎动物相比的内骨骼。

比如棘皮动物及一些头足类软体动物就有着与脊椎动物骨骼来源相同的、由中胚层形成的内骨骼。

在棘皮动物中，骨骼最有趣的是海胆。

圆球状的身体被关闭在坚硬的上千片排列得十分
整齐、美观的石灰质骨壳中，在这互相镶合的骨板表面之外长满了尖而长的硬刺，活像“毛栗子”，也有人叫它“海刺猬”。

每根刺的基部有活动的关节，根根长刺都能活动，成为用于行走的工具，某些支撑，某些移动，交换接替，好似小孩踩高跷，一步一步地摇晃前进。

海蛇尾的腕细长而有很大的弯曲能力，各腕几乎是空心的，由四列骨板包围，在腕中央还有一列互相紧接的骨板，称为椎骨。

椎骨与椎骨之间邻近面有突起及凹槽，如同“齿轮”，使腕的运动本领很强，有的腕前伸，有的腕随后，可以像蛇一样在海底蜿蜒前行。

海蛇尾也因此得名。

最近的研究还发现，在海蛇尾腕的表面的骨骼中布满着排列有序、呈球状的方解石晶体，不仅用来支撑骨骼，而且用它来做光学探测器。

因为这些方解石晶体的微观结构与凸镜相似，一个方解石晶体就像一个直径约1／20毫米的微小凸镜，能把光线聚焦在体表以下5毫米处的神经束上，当神经束接收到凸镜送来的光信号后，就立即传给神经中枢，由神经中枢做出应对决定。

如此说来，海蛇尾看似没有眼，实际上全身的骨骼恰是组成了一只巨大的复眼!
除了内骨骼外，在无脊椎动物中，这种起支撑作用的结缔组织――骨骼还有多种形式，甚至许多人们通常认为没有骨骼的动物实际上也有骨骼存在。

例如，以液体形式支撑身体的体腔液可以视为一种液体静力骨骼。

这种骨骼是由蛋白质、多糖及水组成的胶状物质，可以承受压力并恢复原体形。

大多数海绵动物都具有骨骼。

吸水性很强的沐浴海绵是人们最熟悉的海绵动物，身体柔软，有弹性，可压缩。

沐浴海绵用以支持和维系体型的海绵丝，是造丝细胞分泌的类似蚕丝的蛋白质凝固而形成，成为许许多多纵横交错的角质纤维形成的骨骼。

倘若每一细胞分泌一条丝，那末一块沐浴海绵，乃由千千万万的造丝细胞通力合作，一条条、一层层累积而成。

它们在体内首先布成密密的网架，其分布和所间隔的空隙格式有条不紊，组成了基础骨架，这些海绵丝叫做初生纤维。

当此骨架布置就绪后，进而发生一种较细的次生纤维。

这种纤维
生长极不规则，并一再分枝连系，组成极小极细的网眼，造成大量的空隙，因而沐浴海绵的吸水性就大大地增强了。

在腔肠动物的各种骨骼中给人深刻印象的还是珊瑚。

虽然实际上能生成完整骨骼的珊瑚只占少数，多数种类根本形不成骨骼系统，有的在体内仅存有骨针或骨片。

根据其触手的数目，珊瑚通常分为八放珊瑚和六放珊瑚。

八放珊瑚多数呈掌状分枝或扇状分枝，其骨骼由形状不一的骨针构成，它们之间多数形不成相互连接在一起的骨骼系统，只有少数种类的骨骼互相连接构成形状不一的完整的骨骼系统，如笙珊瑚、苍珊瑚、柳珊瑚、红珊瑚等。

其中柳珊瑚的中轴骨是由蛋白质及黏多糖组成的一种有机质，称为珊瑚硬蛋白。

这种硬蛋白中含有较少的硫，因此具有很大的弹性，所以常被称为软珊瑚。

红珊瑚的中轴骨是由红色的钙质骨针愈合成实心的轴骨所形成，所以八放珊瑚的骨骼可以是珊瑚硬蛋白，也可以是钙质。

六放珊瑚的体外都有由外胚层的造骨细胞分泌而形成的骨骼支撑着各自的身躯。

每个小珊瑚虫的骨骼通过共骨把它们联系起来，由于群体中个体的形状、分布、共骨及个体分裂方式各不相同，因而形成各式各样姿态万千的珊瑚骨架，并常以群体骨骼的形态来命名，如树枝状、叶状、盘状、球状、蜂巢状、卷心菜状或蔷薇状等。

一般地说，凡迎风浪生长的种类，群体骨骼多呈块状，分支粗短；背风浪生长的种类，多呈分支状且枝体细长脆弱。

它们的石灰质骨骼不断地在浅海中堆积，并与其他动植物的钙质骨骼一起(例如软体动物、石灰藻等)，经过地质年代的作用形成了礁石与岛屿，因此这类珊瑚也称造礁珊瑚。

身披甲胄的软体动物
在元脊椎动物中，各种各样的“外骨骼”十分常见。

即使是在原生动物中，也有一些种
类能分泌一些物质形成不同形状的外壳或骨骼以加固体形。

在原生动物中，骨骼最为精美动人、和谐对称、巧夺天工的是有孔虫。

它的大小近似于海边的一粒细砂，身体的直径大多不足1毫米。

有孔虫可以分泌碳酸钙形成单室或多室的钙质壳，壳上常常有很多房室，房室间隔板具孔相通，因此得名有孔虫。

贝壳这种“外骨骼”形式是大多数软体动物独特而醒目的标志，所以通常把它们叫做贝类。

软体动物是无脊椎动物中的一个“大家族”，目前有记载的就有10万多种。

它们虽然个个体软娇嫩，但个个又都身披甲胄，被坚硬的石灰质外壳包着，是软与硬的完美结合。

贝壳由三层组成，外边一层为角质层，薄而透明。

中间一层最厚，是钙质棱柱体。

以上这两层都是由外套膜的边缘分泌的物质形成的。

最内一层，是由不同薄片重重叠叠，形成极多的细小隆起，犹如无数的三棱镜堆砌在一起，所以，当外界光线照射，便发生光的干扰，折射出光彩夺目的霞光，这就是珍珠层。

贝壳，是软体动物的甲胄。

外敌侵犯时，它们会马上把柔软娇嫩的身体缩进壳内，就是再凶猛的敌人，对它们也毫无办法。

贝壳，也是软体动物栖身的“居室”，御寒的“衣服”。

柔软的身体躲进卧室后，即便是在寒冬腊月，它们也是安然无恙。

功能强大的节肢动物外骨骼
不过，动物界中真正具有分节的、甲壳状的“外骨骼”的，是那些占动物总数80％以上的节肢动物。

只有它们的外骨骼才真正把进攻和防御两方面的功能发挥到极致，使节肢动物成为无脊椎动物中最为成功的一个类群。

节肢动物的外骨骼是由活的细胞分泌出来的，其大部分结构由十分复杂的几丁质和各种有机的与无机的物质沉积所组成，特别坚硬。

不仅虾、蟹的大螯可以夹碎很硬的食物，一种蜂通过其坚硬锋利的产卵器也可刺入树干的木质内部达几厘米的深度。

这种结构之所以叫做
外骨骼而不称其为皮肤，不仅因为上皮细胞分泌的表皮层覆盖整个身体，而且它确实与脊椎动物的内骨骼一样，不仅构成这样那样的关节，而且肌肉也通过关节与外骨骼共同参与动物的运动、摄食等多种机能，同时还起到支持保护身体、防止体内水分蒸发的作用，这对节肢动物陆地及空中生活是至关重要的。

由于身体的分节、分区，外骨骼也必然是按节排列，即每个体节包括一套骨板，即一个背板、两个侧板及一个腹板。

分离的骨板使身体易于运动。

同时，节与节之间表皮层极薄形成节问膜，使体节相连及易于弯曲，静止时折叠在前一体节内。

不过，因为节肢动物的外骨骼大部分是由已经死亡的、一旦形成以后便不能继续生长的几丁质甲壳所构成，所以，其肌肉或内部器官即使再生长也只能长到甲壳所限定的范围以内。

几丁质的甲壳就如同古代勇士所披挂的铠甲，只能在某些部位可以活动。

这种“铠甲”虽然保护了节肢动物的身体，但也大大限制了它们的生长。

如果甲壳内部的空间已经长满而动物的生长尚未完成，它就必须将甲壳裂开，再换一套新的“铠甲?。

由于形成新的甲壳需耗去动物体内许多营养，脱去旧甲壳又要花费不少的精力，加上新形成的甲壳又嫩又软，所以这时的节肢动物往往因失去抵御能力而成为其他动物甚至包括其同类的美味佳肴。

等到甲壳遇空气氧化而变硬之后，昆虫便可振翅高飞，而虾、蟹类也可挥舞其吓人的大螯耀武扬威了。

节肢动物就是不断地重复着这种由激素控制的、定期的脱亮生长方式直至完全长成。

节肢动物中还有一个披着双层“铠甲”的怪物――寄居蟹。

它长得既像虾，又像蟹，除了头胸部长着螫足披着甲外，身上还要背着一个螺壳。

原来，寄居蟹的甲壳并不像普通螃蟹的甲壳那么坚硬，特别是它的腹部比较柔软。

这样，它只有不断发现适合自己身体的螺壳，钻进去，寄居其中，才有“安全感”。

由于外骨骼有如此之多的好处，所以人们已经不仅仅满足于把它们当作是只有在科幻影片和小说中才有的东西，而是积极探索其在仿生学方面的应用价值。

目前，-日本已发明了
钢铁侠式的人体外骨骼，可以辅助实施物理治疗，称为“机器人服混合辅助肢”。

美国开发的机器“XOS”，可以戴在人的手臂、胳膊和背部。

它能让使用者数百次举起约90千克的重物也丝毫不觉得累，而且非常便捷，使用者仍能自如爬楼梯或踢足球。

此外，美国军方正在着手研制这种能够帮助人类负重的、“可以穿戴”的机器人，称为“外骨骼系统”，希望在不远的将来穿在士兵的身上。

这种外骨骼服装能够让普通士兵拥有机器人般的力量和耐力，手提庞大的自动大炮参加战斗，就如一个人扛步枪般轻松，不仅可以携带重型装备参加行动，帮助实施救援任务、工程作业、受伤康复等，甚至能够具备“独自作战”的能力。

(文章代码：101523)
[责任编辑]庞云
感谢您的阅读！。