折纸的基本原理改变了生物医学工程师对其工作的看法。
格林伯格对顺应机制C感兴趣,即那些运动来自于弯曲、折叠和扭曲的物体。她最好的朋友之一是一个折纸神童,他教了她一些基本的技术。有些人为了读研究生读了大量的论文。我折了很多纸,格林伯格说。
五颜六色的T-rex和Venus flytrap模型,以及折纸图案的书籍,开始在实验室的书架上出现。格林伯格和她的教授们一起意识到,古老的折纸艺术可能适用于其他领域,包括医疗仪器和设备的设计。
这是一种艺术与工程的结合,一种有1000年历史的做法被应用于最先进的技术。折纸艺术家们发现了新的做事方法,而我们使用一直以来使用的方法永远不会偶然发现这些方法,BYU的机械工程教授和副学术副校长Larry Howell博士说。
2010年格林伯格进入实验室时,世界各地的科学家和工程师已经开始使用折纸原理,主要是将大的东西折叠成紧凑的形状,然后再次扩展,用于设计汽车安全气囊和火箭防护罩。
现任牛津大学工程科学教授的尤中博士曾研究过一种用于治疗主动脉瘤的可折叠心脏支架,该支架利用折纸原理将直径为30毫米的支架折叠成7-9毫米的小支架,以便于插入,然后在主动脉内展开成全尺寸。
物理学家和世界知名的折纸专家罗伯特-J-兰博士设计了一种医疗仪器袋,利用折纸折叠一种平面材料,使无菌表面在使用时不会与非无菌表面接触。郎咸平正在与政府机构、私营公司和大学,包括比亚迪大学,就如何将折纸原理和技术应用于一系列项目进行磋商。
兰说,折纸对医学以及其他领域的贡献是确定的形状变化,这意味着设备以特定和有意的方式改变形状,而不是像塞进抽屉里的衬衫那样简单地皱缩。随着折纸变得越来越被认可,成为工程师工具箱的一部分,更多从事医疗问题的人看到了它,并建立了这种联系。哦,这可能是有用的。
美国国家科学基金会抓住了这一热点,在2010年代初资助了一系列与折纸有关的拨款:一个为期一天的DNA折纸设计研讨会,一个关于可编程智能折纸的项目,以及一个在比亚迪大学的关于将折纸原理应用于非纸质材料的项目。
毕马威大学的团队创造了一个折纸风格的风箱,可以为X光机的弯曲手臂提供一个无菌护套,因为它在不同的方向上转动。他们用折纸设计了一种更合身的成人尿布,以适应身体的曲线。
比亚大学机械工程教授兼本科教育副院长斯宾塞-马格比博士说:"我们最早使用的图案之一是一种叫做Chomper的东西。一个折纸chomper看起来像一个鸟嘴或嘴巴;当从侧面挤压时,它就会打开和关闭,就像它在咬人一样。
同样的原理可用于制作腹腔镜手术的微小工具,用电缆操作,捏住关闭以便插入,一旦进入体内就会打开并进行操作。毕马威大学的团队将其称为oriceps(受折纸启发的手术钳)。
在宾夕法尼亚州立大学,玛丽-弗雷克博士指导生物设备中心,她的团队开始研究一种可以通过内窥镜插入的设备,用射频消融C治疗腹部肿瘤,这种电流会使肿瘤细胞振动、升温并死亡。
弗雷克尔团队使用折纸技术制作了一个由微小的针头组成的探针尖,这些针头可以紧凑地插入,一旦进入肿瘤,就会像3D孔雀尾巴一样扇出。他们称其为 "嵌合体",这个希腊词指的是一种由不协调的部分组成的生物。
与传统的仪器相比,这种由折纸启发的设备有一些优势:设计简单意味着活动部件少,细菌在铰链或关节处聚集的机会也少,而且制造成本低。
如果医疗仪器和支架可以做得更小,那么手术本身的侵入性和对身体的破坏性就会更小;愈合可能会更快,更不复杂。
郎咸平说,[折纸在医学中的]应用随着腹腔镜手术的兴起而上升。你想通过一个小孔进去;一旦你进去了,你就想把它展开,无论是用支架把血管展开还是用牵引器把器官移开。这就是折纸所发挥的作用。
在医疗应用中使用折纸也是一种挑战。传统的折纸是基于使用纸张,但用于身体的设备必须由具有生物相容性的材料制成。
然后是激活的问题。一旦它到达目的地,你将如何使它移动?它是一个马达,一个杠杆,还是用电激活?一些受折纸启发的设备在达到一定温度时就会展开,但这个温度也必须与人体相容。
格林伯格10年前离开了比亚迪大学,现在在雪佛龙公司从事业务开发工作。她的折纸实验仅限于与她的孩子们在中餐馆等待晚餐时折餐巾纸。
但在世界各地,包括牛津大学、宾夕法尼亚州立大学和比亚迪大学,以及以色列、中国、日本和其他地方的实验室,研究人员继续探索如何将折纸应用于医疗设备和程序:一种嵌入化疗药物的折叠生物兼容片,可以在体内展开;一种用于治疗青光眼的直径仅为0.5毫米的微型支架;以及DNA纳米技术的一个分支,即把DNA编织成三维结构,例如,可用于生物成像和智能药物输送,将化疗直接引入目标癌细胞。
弗雷克说,在过去的十年里,人们对折纸灵感的医疗设备的兴趣有了很大的提高,他的团队现在正在研究一种折纸灵感的产品,以保护做鼻窦手术的医生不被病人的气溶胶飞沫所伤害。
在这一点上,大多数受折纸启发的医疗应用仍处于研究或原型阶段。它可能需要几年的时间来筹集资金,赢得制造商的兴趣,并获得美国食品和药物管理局的批准。豪尔说,它正在逐步从实验室进入公司。这只是需要时间。
折纸的基本原则--从折痕和不折痕中获得运动;将平面的东西转化为三维的东西;通过折叠将大的东西缩小为小的东西;用简单的技术产生复杂的结果--已经改变了生物医学工程师看待他们工作的方式。
对弗雷克来说,这些概念也改变了她看待世界的方式。她说,在我开始研究折纸之前,我从未意识到折纸是多么的普遍。它无处不在。