文｜辛江

　　制图｜李婷婷

　　人工心脏将能够替代天然心脏吗？如果有了够好的供电技术的话，也许能。

　　也许没什么器官能够如心脏般重要，以至于被引申出诸多含义。人们会伤心痛心，但是这些感情却和那个在我们胸腔中跳动的、拳头大小的肌肉团无关；而当心脏真的痛了起来，情况便已不妙。现在，心室辅助装置能够缓解燃眉之急，但是它却并非完美无缺。最近发明的无线供电新技术，将会让人工心脏变得完美一点。

　　在成年后，心脏平均每分钟会把5升血液送进动脉。心脏一旦停止工作，其他器官就无法得到氧气供应，只需要几分钟就会死亡。

　　这就是心脏衰竭。虽然心脏移植手术能够帮助心脏衰竭患者再延长几个月或者几年的生存时间，但是合适的心脏供体不容易获得。1960年代开始的“全人工心脏”计划，正是为了拯救严重心衰的病患而开始的。

　　人工心脏，或者心室辅助装置，本质上都是替换自然心脏的人造血泵装置。如果能造出可长期代替自然心泵功能、但不会产生并发症的机械血泵，心脏病将不再会是人类最恐惧的杀手之一。1969年，人工心脏第一次被应用于人体，患者使用它度过了64小时的时间；1982年，气动式心室辅助装置被植入人体，为一位名叫Barney Clark的患者延长了将近4个月的寿命。

　　在人工心脏技术发展的早期，人们尝试模仿天然心脏的运动，把血液一次次泵进动脉。它看起来更加自然，但是却总会带来一些可怕的并发症，包括感染、器官衰竭、严重出血、血栓等等。1998年，名为“MicroMed DeBakey”的心脏辅助装置进入了临床试验阶段，它和传统血泵之间最大的区别在于抛弃了脉动式的供血方式，改以平缓而持续的流动。它就像是一个持续转动的鼓风机，只不过流过它的扇叶的，不是空气而是血液。因为植入这种新型叶轮泵的创口更小，手术后感染的几率更低；而虽然血栓的产生率与传统隔膜泵相仿，但是在植入叶轮泵的病患体内，血栓并发症的发生率却更低—据推测，这可能是因为高速旋转的叶轮能够有效粉碎血栓的缘故。

　　现在，人工心脏已经能够让患者离开医院，并且在没有获得合适供体的情况下生活几年。但是这还远远没有达到人工心脏的设计目标。根据美国马里兰州的国立心肺血液研究所提出的构想，人工心脏应该可以全部植入体内、没有导线或者导管穿过人体；它应该携带方便，应该能够作为天然心脏的替代装置。很明显，距离这一目标，人工心脏还有很长的路要走。

　　就算可以将人工心脏微型化，并且制造出足够可靠的机械零件，供能装置依然是一个大问题。现在的人工心脏都需要电能，而体内供电装置的研究进展并没有达到可以临床试验的程度。虽然人们已经开发出了使用葡萄糖的体内燃料电池和柔软的纳米压电发电机，但是目前还不足以用在人工心脏上。无线供电也许会是个更好的主意。

　　早在1890年，传奇人物、交流电之父尼古拉·特斯拉就设计出了无线供电的方案，试图利用在地面和大气电离层之间的电磁波来远距离传输电能。现在，近距离无线供电技术早已成为我们生活的一部分，比如公交一卡通，它的原理只是人们早就了解的电磁感应：当导体在磁场中运动切割磁力线时，将会在导体内产生感应电流。当我们把一卡通靠近读卡器的磁场时，一卡通中的线圈会产生电流，供电给芯片以发出信号。

　　但是这种方式的能耗太高—磁场强度按照距离的平方衰减，只要距离稍微远一点，获得的电量就会大幅减少。2007年，麻省理工学院助理教授Marin Soljacic开发出新的技术，使用被叫做“磁耦合共振”的原理实现了电能无线传输，能量转化率达到40%。两年后，在2009年8月的英特尔开发者论坛上，来自西雅图华盛顿大学和英特尔西雅图实验室的Joshua Smith展示了类似的技术，系统效率达到了75%。

　　这种技术的核心在于“共振”，它是一种非常高效的能量传输方式。在这种新的无线供电技术中，发送端和接收端的线圈被调校成一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就会产生共振，实现能量传输；而对固有频率不同的导体则不起作用。现在，Joshua Smith打算把这种原理用在人工心脏的供能系统上。

　　在前不久召开的美国胸外科协会年会上，Smith和他的合作者、匹兹堡大学的Pramod Bonde提交了一篇论文，展示了使用这种“可调范围共振电能传输系统”，简称FREE-D供电方式的人工心脏。现在他们设计的这套系统，体内接收线圈的直径最小仅有4.3厘米，电流传送能量比例高达91.8%，整个系统的能源利用率也有将近80%。患者可以在衣服里安装能量发送端和电池，而不再像以前那样把电池挂在体外，增加感染的风险。他们也可以在床上或者室内其他地方安装发送端，以摆脱恼人的电线。

　　但是，要在市场上看到这种装置，可能还需要几年时间。现在这些研究者们正在改进这种装置，包括减少接收端的面积，缩减体内植入部分的体积等等。也许有一天，人工心脏可以完全替代天然心脏，而其所需的能量，可以直接从无处不在的电磁波中得到。

　　联系编辑：zhangyange@yicai.com