「丁丁」的勃起,能给机器人设计带来灵感吗?


勃起称得上演化生物学的奇迹。

阴茎能够膨胀变大,是很大的优势,事实上,几个不同动物王国部落,比如哺乳动物、海龟与古蜥类,都彼此独立演化出阴茎。记者 David M. Friedman 曾在 A Mind of Its Own: A Cultural History of the Penis 这本书中写道,阴茎「实际上是一个刺不破的气球,无论勃起时间多长,变瘪的原因是什么,它都能随心所欲地再度勃起。」

Diane Kelly,是马萨诸塞大学阿默斯特分校的比较生物学研究助理教授,从事阴茎研究已经 20 多年了。她通过 Skype 告诉我们,目前正在研究「羊膜动物阴茎的演化与形态学」,这类动物包括哺乳动物(包括人类)、海龟、鳄鱼、鸟类、蛇以及蜥蜴。

2012 年,Kelly 在 TED 演讲中解释了自己是怎么开始研究这项研究的。「有一天,我开始思考哺乳动物的阴茎,它的结构真的很奇怪,」她说,「它的机械功能必须发生戏剧性的变化才能实现体内受精」,即从允许排尿的灵活性结构变为用于交配的硬体结构。

大家都知道如何使阴茎勃起,这可以追溯到 15 世纪达芬奇的解剖图纸,还有 Regnier de Graaf 的成果,这个人早在 1668 年就「对阴茎进行了迄今为止最全面的研究」,Friedman 写道。不久之后,de Graaf 的学生 Fredrik Ruysch 创建了以尸体解剖为基础的蜡解剖模型。Friedman 写道:「这些模型展示了器官的扩大与缩小,堪称液压工程的奇迹」,有助于反驳当时盛行的「空气」或「风」导致勃起的理论。

这些人对勃起生理学现代认知的建立做出了贡献。基本原理如下:脑中的化学物质指示身体放松阴茎内的两根海绵体;然后,血液通过血管开口流入,并在身体限制静脉血流出时滞留。同时第三根海绵体不膨胀,保持尿道开放以使精液能够通过。最后,高潮或者突然的中断等情况会促使血液流出该区域。

Kelly 意识到,阴茎在变形状态下具有流体静力骨骼的特点,这种结构能够借助在腔室中滞留液体来保持硬度。她开始好奇,哺乳动物的阴茎为什么不弯曲,而由流体静力骨骼(比如蚯蚓)构成的生物却能随心所欲地卷曲与伸展呢?她的学位论文就是研究这个问题,假设答案就藏在皮肤下胶原组织中那些呈 90 度排列的纤维中。

人体富含胶原蛋白(一种蛋白质),这些胶原蛋白位于名为白膜的阴茎组织中。阴茎松弛时,胶原蛋呈卷曲状态,勃起后,胶原蛋白会全部展开。Kelly 在研究中发现,对勃起硬度来说,胶原蛋白分子结构至关重要。用显微镜观察组织样本后,她发现这些纤维排列几乎呈 90 度:一些构成阴茎的长度,另一些则构成阴茎的宽度,和她之前猜测的一样。这与更弯曲的流体静力骨骼不同,后者纤维类似螺旋。

「如果勃起组织周边没有东西,不是以这种方式加固,那么,阴茎的形状会改变,但膨胀的阴茎避免不了弯曲,而且勃起根本不起作用。」她在 TED 演讲中说道。(2007 年,她还在纽约科学院年鉴的一篇研究中写道:「拉伸应力……其周长上的应力是长度上应力的 2 倍」。这意味着为了防止在动脉瘤中勃起,宽度方向扩展的纤维远少于长度方向的纤维)。

「这一结果很明显有着医学应用前景,」Kelly 在 TED 演讲中说到,「并且我认为,广义上,这也与假肢、软体机器人、任何形状和硬度变化都十分重要的东西的设计有关。」

但是,Kelly 并非唯一持此洞见之人。将阴茎的设计用于其他目的想法,属于仿生学,一门将自然设计经验用来解决人类问题的科学。比如,魔术贴的灵感来自于牛蒡毛刺的钩;工程师借用蜘蛛网的设计创建了玻璃涂层,从而使窗户对鸟类更可见。「仿生学」一词首先由 Janine M. Benyus 提出,他是 1997 年 Biomimicry: Innovation Inspired by Nature 一书的作者,也是 Biomimicry 3.8 以及仿生学研究所的创始人,这两个组织联系密切,旨在促进仿生哲学的发展。

Ask Nature 是仿生学研究所建立的仿生思想库,其中包括人类阴茎列表,作为「液压作用如何产生结构刚度」的例子。但是,Kelly 认为,其他物种的阴茎也可能对工程师有所启发。她说,人与动物之间「差异显著」。她举了一个例子:「鳄鱼的泄殖腔拥有一类奇异、永远勃起且胶原蛋白包装十分密集的阴茎,在交配之前,它们会把它挤压出来,而泄殖腔是存在于两栖动物、爬行动物、鸟类以及某些鱼类体内的腔洞」。大多数哺乳动物也有一个阴茎骨。

出于对其研究的仿生应用的好奇,Kelly 联系到了一个名为 Otherlab 的湾区公司。他们刚成立 Pneubotics,一家专门研究安全性高、重量轻、成本低的「全射流(all-fluidic)、以薄膜为基础材料的机器人」公司。Kelly 说:「我给他们发了邮件,想谈谈这个话题,并且他们也给出了肯定的答复:对他们的研究来说,纤维的定向作用非常重要,依靠这一功能来控制机器人膨胀后的最终形状」。

Saul Griffith 是 Otherlab 的负责人,MIT 培养出来的物理学家,他也熟悉 Kelly 的研究。据他透露,他的团队留意到一种名为编织锁角的东西(braid lock angle),它「规定了压力容器内纤维之间的最佳角度。」他没有将他们的研究称为仿生学:「这个术语很模糊,一直被伪科学家广泛应用」。「我们对它敬而远之,但确实在意这个『角度』」他说,「并且这就是阴茎具有抗卷曲特征的原因,也是使一些『机器人』产品单位重量上都十分强大的原因。」

易言之,Kelly 的洞见正确无误。在细节上,男性的性器官与非性器官(生命体与非生命体的),具有物理上的相似性。或许具有超出我们最珍视的繁衍与性的应用功能。

文章来源:https://www.theatlantic.com/technology/archive/2016/03/penis-design-engineering/474444/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+TheAtlantic

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