研究人员设计了一种可植入的软机器人心脏装置，它可以安装在衰竭的心脏周围，帮助它恢复正常的血液流动。
生物医学界的一种新设备旨在帮助恢复生病病人的血液流动。该设备旋转和压缩与心肌收缩同步，以帮助衰竭的心脏再次泵血。这是一项重大进展，可以帮助预防心力衰竭，这是一个数十亿美元的问题，影响着全球4100万人。
这个心脏装置安装在心脏周围。图片由科学转化医学．
之前的努力
几个工程小组正在研究治疗心脏衰竭的方法，甚至建造一个人造心脏。3 d打印的心脏瓣膜，仿生心脏补丁,光控自动射线这只是其中的一些尝试。虽然这些努力都被标记为技术进步的里程碑，但商业上可行的解决方案仍然遥不可及。
另一方面，目前常用的改善心脏循环的方法是使用心室辅助装置(AVD)。VAD通过将血液从心脏抽出并泵入主动脉或肺动脉来绕过衰竭的心脏。
尽管这种方法很常见，但也有一些缺点。首先，在VAD中，血液与试管、泵等人工物体接触。除非病人服用血液稀释剂，否则就很可能出现凝血和中风等并发症。虽然血液稀释剂可以防止凝血，但需要持续监测，并可能导致出血问题。其次，VAD扰乱了心脏肌肉的自然运动。
VAD绕过心脏，使血液循环，治疗心力衰竭。图片由Madhero88提供(自己的作品)[CC冲锋队3.0]
为了找到更好的解决方案，来自哈佛大学和波士顿儿童医院的一组研究人员寻找一种完全不接触血液的辅助设备。他们考虑了一种设备，可以拥抱心脏，并帮助它再次泵血。很明显，传统的机械设备不适合这种应用，因为它们是刚性的，有升温的倾向，因此不能与心脏肌肉接触。
研究人员认为，柔性机器人可以用来模仿心脏外层肌肉层，这种机器人适应性强，能够做复杂的动作。
新解决方案
设计这种新型心脏装置的主要挑战是模拟心脏跳动时发生的扭曲和压缩。这个复杂的动作类似于把湿毛巾里的水拧出来。换句话说，当心脏跳动时，心脏的上部和下部肌肉会向相反的方向扭曲。
为了模拟这种运动，研究人员设计了一种柔软的机器人心脏装置，配有两套空气动力气动执行器。如下图所示，他们使用了一组同心圆环形致动器来压缩肌肉，以及一组螺旋形致动器来扭转心脏装置。同时激活这两个促动器，研究人员获得了一种可以模拟心脏肌肉复杂收缩的设备。
使用两组促动器使心脏装置能够模拟心脏运动。图片由科学转化医学．
有趣的是，这种新的心脏装置是可定制的，可以在不影响另一侧心脏的情况下收缩一侧心脏。这一点很重要，因为慢性心力衰竭通常不会影响整个器官，而只会影响一个特定的部分。
艾伦罗氏该研究论文的主要作者、前哈佛大学博士候选人，甚至更进一步，设想也许设备的辅助水平可以随着病人病情的发展而调整。
对于心脏装置，研究人员使用了McKibben肌肉，这是最广泛使用的类型之一气动人工肌肉(PAM)，并形成环状和螺旋状肌肉，如上图所示。他们检查了几种设计，以找到最好的材料和制造方法，以提供保形器件。
但是PAM到底是如何工作的呢?
气动人工肌肉(PAM)
pam是一种气动执行器，它在充气时收缩。这与在通货膨胀时延伸的风箱形成了对比。
聚丙烯酰胺的核心是一种柔性薄膜，通过向外鼓出或根据内部的空气压力挤压，将机械动力传递给负载。下图显示了任意PAM的操作方式。该装置一端固定，另一端挂有质量。在这张图中，压力从初始值0增加到P2。当压力增加时，装置膨胀而长度减小。因此，质量被向上拉。
PAM的操作。图片由范德比尔特大学电．
从上面的实验可以看出，这些装置产生的力和运动是线性和单向的。为了产生双向运动，需要如下图所示的对抗性设置。
产生双向运动的对抗性装置。图片由范德比尔特大学电．
尽管PAMs很轻，但它能够传递相对大量的能量。
动物试验和挑战
研究小组使用人造心脏和猪尸体检验了该装置。他们还用药物给活猪造成心脏衰竭，然后用这项发明恢复动物的血液流动。该装置可以成功地与动物的心脏表面吻合，并与收缩同步。尽管这些测试证明了这一想法的可行性，但在将机器人投入人体试验之前还有很长的路要走。
不幸的是，实验表明，设备和心脏之间的摩擦会导致组织表面的炎症。为了减少炎症，研究人员开发了一种水凝胶，用作心脏和设备之间的保护层。然而，仍需要长期的动物研究，以调查潜在的慢性并发症的新方法。研究人员详细说明，要有一个便携式系统，病人需要携带一个压缩空气供应来驱动气动执行器。
本发明表明软组织和软机器人之间的安全交互是非常可能的。这为其他一些未来的应用打开了大门，类似的设备可以在体内和体外提供机械疗法。
这项研究的细节发表在科学转化医学．
特色图像使用的礼貌艾伦罗氏．
