有哪些最黑的黑科技?

任意科学领域 勿抖机灵类似问题:有哪些最冷的冷知识? - 知乎
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讲一个新鲜出炉的「黑科技」,就在上个月,Science (科学)杂志刊登一项最新研究:哈佛大学科学家受到「鼻涕虫」启发,研制了一种新型止血材料 TA(Tough Adhesives),中文翻译「强力胶」,名字起得也是简单粗暴。

这种新型材料可以迅速粘连止血,同时又保持极高的组织器官强度。

如下图,心脏上的孔洞都可以直接打个「补丁」,惊喜不惊喜,意外不意外?

用法也十分简单,只需要贴上就行,是不是很简单!

贴上后需要非常大的力气才能够扯掉:

而且,即使在有血的表面(湿润环境)也能轻松粘合:

此外,它的延展性十分好,可以拉伸到原体积 14 倍长度,同时仍可保证粘连处固定良好。

而且,时间越长,它的粘合作用越强,远远甩掉了其他同类胶水。

除了粘心脏,还能粘肝脏、粘皮肤、粘软骨、粘动脉等等等等:

它的细胞组织相容性良好,仅有轻中度的炎症反应。加上操作简单,就连心脏大出血,都可以「一贴止血」,这几乎就是理想中的完美外科吻合止血材料。

而这种材料,是从鼻涕虫身上找到的!


为什么是「鼻涕虫」?

目前外科最常用的纤维蛋白胶(fibrin glue)和「502」胶都存在严重缺陷。

氰基丙烯酸酯聚合物(「502」胶水有效成分)在含水的湿润环境下会逐渐分解,不但会产生甲醛等毒性物质,而且其强度会随之下降甚至消失。而这对于血管外科吻合来说就存在很大的风险。因此直到目前,仍只能应用于皮肤表面的粘连。

纤维蛋白胶(fibrin glue)常用于术后止血。这种粘合剂使用了从血浆中分离的纤维蛋白原,并用凝血酶将其转变为纤维蛋白形成凝块。这些凝块有一定粘性,但无法形成牢固的联结,而且 48 小时内就会被降解。而且其由于纤维蛋白原的特性,会导致手术部位广泛粘连,对未来可能手术造成风险。

在传统胶水材料折戟沉沙之时,科学家把目光投向了自然界中的生物。

贻贝、壁虎、蜗牛都能够产生粘液,稳定粘附,而在科学家们的筛选过程中,一种叫做 Arion subfuscus 的鼻涕虫脱颖而出。

  • 这种鼻涕虫具有很好的柔软延展性;
  • 当遭受威胁时,它会分泌一种特殊的粘液,把它自己和岩石土壤表面粘起来,捕食者甚至很难将它从它胶粘的表面上撬开;
  • 而整个粘连过程都是在粘性湿润环境下进行的。

哈佛大学 Wyss 研究所迅速以这种鼻涕虫为原型,制备了一种新型双层水凝胶,这种水凝胶提取模拟了鼻涕虫体内双层藻酸盐 - 聚丙烯酰胺基质延展结构。同时借鉴其静电作用、共价键、物理渗透作用,确保粘连的强度。

研究团队为了展示这种灵感来源,特意将材料染色做成鼻涕虫的样子放在心脏上:


为啥这项「黑科技」可以登上顶级大刊 Science

这要从外科学的发展讲起了,外科学的发展,很大程度上是和外科止血技术的发展分不开的。

从基本的切开、结扎、缝合,到血管「三点式」吻合技术,再到目前各种复杂外科血管阻断吻合方式。可以说,血管外科技术的发展使我们目前习以为常的复杂外科手术成为可能。

但是外科技术的发展在最近十几年也遇到了瓶颈。

一方面,传统缝扎、电切电凝、超声刀等止血吻合方式,尽管可以有效止血,但是也不可避免的会带来对机体的二次损伤(物理损伤、电损伤、热损伤等),而这些损伤可能比手术本身损伤还大;

另一方面,一个优秀的外科医生,不光需要优秀的个人素质,而且需要长时间的专业训练。而重大手术(器官移植、复杂手术)血管阻断时间有限,只能由有经验的外科医生完成,这又进一步限制了外科医生训练可能。

而有没有能够能够迅速进行粘连,迅速牢固进行外科吻合的方法呢?

科学家很早之前就进行了这方面的探索,但结果却很不令人满意。

而现在,TA 的出现,完美解决了这个难题,也因此得到了学术圈的认可。

这次的技术创新,不同于以往手术室的技术改良,而是从根本上改变以往 100 多年的止血理念。

如果说老一辈的外科医生,只需要拿好手中的柳叶刀的话。那么新一代的外科医生,不但要关心学术进展,同样需要对这些交叉学科技术有所涉猎。

而这些,离不开科学的进展和外科技术的革新。这些改变,能够让外科手术实施更加完美,让患者受到的损伤也更少。


参考文献:

1. Li J, Celiz A D, Yang J, et al. Tough adhesives for diverse wet surfaces[J]. Science, 2017, 357(6349): 378-381.

2. Science 官网报告:Sealant inspired by slug slime could plug holes in the heart


世界上最快的摄像机可以让你看到光的运行。

试验场景是这样的:一小段激光脉冲从左边进入水瓶,高速摄像机记录下激光在水瓶中运动的过程。

图片来自youtu.be/Y_9vd4HWlVA

如果你看不到Youtube上的视频,可以试试TED:万亿分之一秒摄影(能拍摄光运动轨迹的逆天技术)_数码_科技_bilibili_哔哩哔哩

这种摄像技术叫做飞秒照相,出自麻省理工学院的研究人员之手。成像速度达到骇人听闻的每秒1万亿帧。仔细算算你可能会发现一个问题:光在真空中的速度是每秒3 x 10^8米,那么在摄像机产生一幅图片的时间内,光在真空中也只能走0.3毫米。为了生成一幅图像,摄像机需要进行大量的电子或机械操作。这样看来,莫非这个摄像机可以超光速运行?

还有一个问题:高速摄影中,每一幅图片曝光时间都非常短。在1万亿分之一秒内,摄像机接收到的光微乎其微,远远不足以生成一幅图片。

飞秒照相技术确实玩了一个小花招来避免上述问题。你看到的视频好像是一小段激光穿过水瓶的过程,但实际上,他们向水瓶发射了上百万次激光脉冲,录制了上百万段视频。当然,每一段视频包含的信息量极少,无法观看。然后电脑把所有视频合成为一个,集合了所有视频中的信息。所以,摄像机不需要超光速运行(虽然摄像机的速度确实很高),错过了几帧也没有关系,下一次总会抓住的;每一帧光线太暗也没有关系,把一百万个视频合起来亮度就够了。

这项技术还有一些匪夷所思的应用,比如可以看见躲在墙角的人。

图片来自slideshare.net/cameracu

在上图的场景中,摄像机不能看见屋里的人。于是,摄像机向门的不同位置发射多次激光脉冲。光子从门上发射,走向不同方向。有少量激光会落到人身上,再次反射。部分激光会再次落到门上。其中少数比较走运的光子会进入摄像机的镜头,被摄像机看到。摄像机通过分析接收到光子的时间,大致判断目标在屋里的什么位置。

经过上百万次激光脉冲和成像,摄像机就能建立起一个大致的三维模型。

图片来自youtu.be/Y_9vd4HWlVA

飞秒照相技术发表于2012年。从此以后,其他研究机构纷纷跟进,成像速度也得到了突飞猛进的发展。现在的最高纪录为瑞典隆德大学保持:每秒5万亿帧。

为什么?