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        讓外骨骼替你負(fù)重前行

        2021-04-09 08:39:32華慶富
        科學(xué)大眾 2021年5期
        關(guān)鍵詞:生物

        ■ 文/華慶富

        ■ 文/華慶富

        成年人的身體有206塊骨骼,我們的一舉一動(dòng)在很大程度上都依賴這些結(jié)構(gòu)精巧、運(yùn)轉(zhuǎn)自如的骨骼。不過,我們?nèi)祟惖墓趋蓝际前卦诿l(fā)、皮膚和肌肉深處的,它們在人眼看不見的地方借助神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織的拉動(dòng),強(qiáng)力地支撐著我們的身體,讓我們能屈能伸,頂天立地。

        外骨骼,同學(xué)們可能對這個(gè)詞有點(diǎn)陌生。不過,望文生義,是不是指骨骼長在身體的外面呢?就是這么回事,我們?nèi)祟愡@一類具有皮毛的生物的骨骼可以叫作內(nèi)骨骼。不過,具有外骨骼的生物,同學(xué)們見過的也不少。

        甲殼類生物

        節(jié)肢生物

        有趣的外骨骼

        都有哪些生物長著外骨骼呢?在自然狀態(tài)下,外骨骼生物包括有硬殼或“皮”的昆蟲(如甲蟲、蟑螂)和甲殼類動(dòng)物(蝦、蟹)。外骨骼生物體表覆蓋著的堅(jiān)硬體壁由3部分組成:表皮細(xì)胞層、基膜和角質(zhì)層。表皮細(xì)胞層由一層活細(xì)胞組成,它向內(nèi)分泌形成一層薄膜,叫作基膜,向外分泌形成厚的角質(zhì)層。角質(zhì)層除了能防止體內(nèi)水分蒸發(fā)和保護(hù)內(nèi)部構(gòu)造外,還能與內(nèi)壁所附著的肌肉共同完成各種運(yùn)動(dòng),跟脊椎動(dòng)物體內(nèi)的骨骼有相似的作用,因此被叫作外骨骼。甲殼動(dòng)物的外骨骼還含有大量鈣質(zhì),昆蟲的卻幾乎無鈣質(zhì)。

        自然界的生物都是經(jīng)過長期進(jìn)化而來的,這些與我們?nèi)祟悶榇淼膬?nèi)骨骼迥異的外骨骼造型,區(qū)別在哪里呢?內(nèi)骨骼與外骨骼的關(guān)鍵區(qū)別在于保障。昆蟲和螃蟹的外骨骼是充當(dāng)盔甲的器官,它也為生物提供了一個(gè)框架或結(jié)構(gòu)。在某種程度上,騎士的全金屬盔甲可稱作一種外骨骼,因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)硬殼或皮膚,在戰(zhàn)斗中保護(hù)騎士。航天服和深海潛水的外穿裝備也算是外骨骼,因?yàn)樗鼈冊跇O其惡劣的外部條件下幫助人體正常工作。

        深海常壓潛水服

        受啟發(fā)研制“超級裝備”

        人類非常善于學(xué)習(xí)模仿并創(chuàng)新,外骨骼又讓我們學(xué)到了什么?以此為參考,科學(xué)家又鼓搗出了什么呢?答案是讓你驚喜的!科學(xué)家對外骨骼的研究和應(yīng)用進(jìn)行了更加廣闊的拓展。外骨骼被更多地聯(lián)系到“超級裝備”,或用于擴(kuò)充、增強(qiáng)一個(gè)人生理機(jī)能的系統(tǒng)。它們可幫助人舉起或攜帶較重的負(fù)荷,跑得更快,跳得更高。

        比如,在軍事上,外骨骼將幫助戰(zhàn)士更好地進(jìn)行戰(zhàn)斗,因?yàn)閼?zhàn)士可以得到更好的保護(hù),攜帶更多的武器和裝備,并具有比正常人更強(qiáng)的體能。中國單兵外骨骼系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)成功,還可根據(jù)需要加裝輔助裝置。該裝備額定負(fù)荷平均平地步速為每小時(shí)4.5千米,平地行走續(xù)航里程為20千米。該新型外骨骼系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行到裝備部隊(duì)的階段,可執(zhí)行高原單兵巡邏、山地單兵巡邏、跨越障礙等任務(wù)。我國邊防部隊(duì)于2020年底在海拔5 000米的西藏阿里地區(qū)的實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),單兵外骨骼裝備可顯著提高高原部隊(duì)的單兵負(fù)重,提升單兵偵察能力。

        在醫(yī)療康復(fù)方面,外骨骼通常由金屬或碳纖維等材料制成,它可以像衣服一樣穿戴在身體表面,能增強(qiáng)人體行動(dòng)能力、減輕負(fù)重,可以幫助患有多發(fā)性硬化癥、嚴(yán)重關(guān)節(jié)炎等疾病的群體克服行動(dòng)困難。特別是對于一些失能老人而言,外骨骼的意義很重大。在它的幫助下,殘疾人和老年人完全可以行動(dòng)自如地進(jìn)行日常生活中的散步、爬樓梯、負(fù)載等動(dòng)作。

        外骨骼的功能如此強(qiáng)大,應(yīng)用前景如此廣闊,也引起了全世界科學(xué)家的興趣,各國紛紛組織了大量的科技精英加快研發(fā),可穿戴的外骨骼裝備、能跑會(huì)跳的外骨骼機(jī)器人紛紛走進(jìn)我們的視野。

        隨著外骨骼裝備研究開發(fā)的推進(jìn),它們必將日臻完美。有一天,當(dāng)你看到老人穿著這些外骨骼裝備在公園愉快地打著太極時(shí),當(dāng)你看到外骨骼機(jī)器人抱著你的快遞健步如飛地向你跑來時(shí),可千萬不要覺得奇怪,因?yàn)檫@就是科技的力量,也是科技造福人類的宗旨體現(xiàn)。

        裝填炮彈時(shí)可以節(jié)省體力

        提高士兵的負(fù)重能力

        幫助行走困難的人

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