二千多年来，流体动力工程师和内科医生走过了各自的道路，发展并完善了他们的技能和技术。时间历程与两位科学伟人有关，他俩生活在公元前三、四世纪，分别被公认为流体动力学和医学实践之父。自然，这两位就是阿基米德ft希波克拉底。阿基米德是一位伟大数学家，他通过以水所作的各种实验对我们理解流体动力学原理作出了重要贡献，希波克拉底在他的医学实践中发展了内科医生今日仍在遵循的医德规范。

据说，阿基米德原想用他的流体实验来做数学游戏，转移他的精力和爱好。另一方面，希波克拉底则把他的内科医生工作看成最崇高天命，以极其严肃的态度从事他的职业。阿基米德以相当自由自在的姿态迈向他的流体动力实验跟希波克拉底在其医德规范与患者配合下（无疑也包括收费）以严格方法进行医学实践正成鲜明对照，这可以很好地解释为什么今天内科医生比起流体动力工程师有更多骑在Rolls-Royces。

倘若人体的流体系统不像希腊和罗马时代的水渠、水闸和堰，那么它们必定极其相似今日电子控制的流体动力系统。人们只需要注意到具有电脑、闭环返愤系统、精密设计部件及明显的活动与控制能力的机器人，就可以看出它们跟人体器官与控制我们动作的流体系统的相似性。

人造人

剖开人体有助于看清在人的流体系统中某些重要部件。你将会看到肌肉、心脏、肺、胃、肝、肾、膀胱、胰和连通的静脉与动脉。人的心脏跟机器人系统中可变位移液压泵的相似性是显而易见的。

虽然人的心脏是一种脉动抽吸系统，但它则依靠改变脉动速率来改变它的排出速率。为了保持这些相似性，让我们用可变位移液压泵来代替心脏。

在机器人部件和人体部件之间值得共同注意的另一个相似性就是，液压动作筒相当于人的肌肉，这两种部件都是依靠以所希望的速度和力去移动刚性的或骨骼的构件来工作的。正如要使液压动作筒移动则需要从泉中流出更多液压流体一样，同样，肌肉要活动亦需要在来自心脏抽吸的血液系统中含有额外的能量来提供活动力气。让我们用液压动作筒来代替肌肉，并用适当的管子和紧固件来代替动脉和静脉。

在精密流体动力系统中，必须保持流体清洁，清除会影响到整个系统性能的污垢。同样，在人体中，亦必须清除流体中毒素和废物。肝和肾负责完成此种机能。人体还有一种自动把污垢从过滤系统中析出并把它们排出体外的系统。这通常不是我们流体动力系统的特性，然而，我们用两套过滤和冲洗系统复制了这种技艺。让我们用两个过滤器来代替肾，并用一个过滤器来代替肝。

人的自动处置废物系统的一个重要部分是贮存箱——膀胱。某些系统具有把空气和水析出的过滤器或分离器，它们将把这些无用流体贮存在箱中直至把它排出体外为止。让我们用贮存箱来代替膀胱。

人们可以设想一种装有浮子或压力操作的活门的贮存箱，当箱中液面太高时即把废物排泄出去。在人体中，也是如此。当压力太高时，我们希望，尿道肌根据指令解除膀胱中的压力。让我们用浮子操作的断流活门来代替尿道。

许多液压和冷气系统需要添加剂来改善系统的性能。要谨慎地测定这些添加剂，并把它们调节到系统中去。在人体中，各种腺体和产生内分泌的器官亦是这样在测定进入主液压系统的流体供专门新陈代谢用。以胰作为例子，它把胰岛素排进系统中，帮助碳水化合物和糖的新陈代谢，相当于冷气系统中所用的压力调节器/注油器。让我们用调节器系统来代替胰。

我们的机器人依靠通常在相当远地方靠燃烧燃料发电而产生的外部动力源。另一方面，人体有其自身的发电系统。只需补充燃料和氧去发动人体系统。典型的燃料箱与人体胃有关。燃料接着被输送到燃烧区（肺），经燃烧或氧化而产生发动人体系统的能量。

当机器人中液压系统工作和消耗能量时，它便发热。这种热量应予消散，否则整个系统将过热。利用温度传感器和热交换器来维持相对恒定的温度。在人体中也是一样，我们具有精确的温度控制系统，它利用皮肤表面和蒸发冷却来维持恒温。让我们采用恒温器和传热线圈并把它移植到我们人体之中。

这只是前几年的事：对于基本手控来说，我们的现代流体动力系统已经变得太复杂了，因而我们转向用电子设备和微处理机来控制我们流体动力系统的世界。人体自其诞生以来，就有着非常复杂地使用光学传感器、雷达、触觉传感器、温度传感器、惯性制导系统、嗅觉传感器等的交联系统和闭环反馈控制机构。来自这些传感器的信号必须予以综合并使该系统作出适当的响应。这是通过微处理机和微计算机（人脑）的非凡集成来完成。为了完善我们人体流体动力系统，我们将把微处理机移到人脑所占据的区域。

如果我们现在能够认识到人体器官跟液压元件，动脉和静脉跟液压附件、软管、活门和蓄压器，传感器和脑跟电子传感器和微处理机控制器的相似性，我们就会明白当这些人体器官不能妥善工作时，这些现代流体控制工程师便可把他的技术用来辅助并在某些情况下用来代替出故障的器官。许多应用目前均在共同使用。

排除故障

当人体过滤系统（肾）出现故障时，内科医生和工程师曾经共同研究过，研制血渗析系统来清洗血液即我们液压系统中不干净的流体。人体泵（心脏）有时因缺乏心肌刺激即来自人体电子系统的适当信号而出现故障。今天常用的是把心脏起搏器（利用空间时代的电子设备）植入，刺激心肌，提供所需的各种脉动速率，传感心肌活动，并且仅在必要时提供电子脉冲。现代调搏器还用作诊断工具，把关于心脏状况的数据传送给内科医生。人体脉动泵依赖于精确操作在其流体腔抽吸系统内的一些活门。正如液压泵一样，当这些活门中有一个或多个失灵时，泵的效率便急剧下降。用精密制造的人造活门来代替人体活门，这是目前常用的外科方法。

在研制实用的人造肢体方面，流体动力将起着重要作用。一只腿包含有可转动的动作筒、蓄压器、活门和在行走期间因脚抑压而接通的增压系统。电控传感器从人体神经系统获得信号，控制着流体系统，能够实现正常行走。同理，人造臂和人造手均可由小型可转动的动作筒和电子控制器来操作，使得断肢能够从脑和神经系统取得信号，拿起水杯来喝水。在上述两例中，都是选用流体动力系统，因为它们能够提供不同力气，并且能以最高能量效率快速地运动。

超出空间——仿造人？

所有这些要把我们引向何处？我们正在迈向仿造人吗？亦许不是。不过，当我们把流体动力、电子和生物医学工程跟内科医生和外科医生的要求相结合时，在此后十年，肯定会取得惊人的进展。有一种设想，估计到了1990年，亦许在超过40岁人口中有5%将使用人工装置辅助或代替有缺陷的器官。

促进这些发展的主要因素是什么？首先是，美国空间规划对这种工程与医学的结合产生了巨大的影响。从为宇航员研制监控系统到把电子能力快速扩展到保障空间规划，空间医学成为一门学科几乎已有15年了。其次是，内科医生认识到要有一种装置去帮助失去能力的患者，他们自行制造这种装置来满足此项要求，目前他们发现，他们能够转向工程世界并为精确操纵装置撰写说明书。这便导致生物医学工程的发展。它是一门填补内科医生学识和工程师学识之间空白的学科。在这些影响因素联合推动下，那是难以想象对通过改善人体功能达到改善人的生命品质会有什么限制。

已经为“阿波罗”研制了多种多样精密的流体控制机构。有一种直径43厘米的活门，在航天飞机上每个助推火箭使用两个，它把液氧和液氢从燃料箱输送到轨道在这活门前面可能就是微型电控活门，用于分配在该空间流动的微量流体。

在查找火星生命的“海盗号”火星着陆器上使用过这种活门。当把土壤样品带到着陆器上时，有一项实验就是把精确量营养素加入土壤样品，以确定在火星土壤或大气中是否存在任何形式的微小有机物。这种活门，每个“海盗号”着陆器上有九个，是受人宠爱地被称为“花生活门”。它能够传送精确小量的流体，这是国家航空航天局所熟知的，因为他们寻求把空间技术转移到更广泛的在地球上应用的机会。

国家航空航天局技术转移办事处注意到约翰斯 · 霍普金斯大学应用物理实验室研制一种用于给慢性病患者连续灌注药物的全植入系统。这种流体系统的心脏就是这种微型输送泵。用钛制造的以电子束焊接密封的这种泵，在应用来自100微法电容器放电情况下，精确地输送两微升（百万分之二升）药物。

锂钍电池具有十年的设计寿命。遥测系统将提供信息存取，而且还将接收进入该系统的改变药物规定的信号。随机存取存储器和只读存储器为电子系统响应内科医生指令提供控制和指挥，并且提供20天的药物历程，内科医生可以读出这历程，以便帮助他诊断。

我和我的植入

在研究可植入药物装置时发现，许多内科医生希望有一种小型可移动的外部程控的药物装置。而且还发现，与药物接触的外部系统的任何零件都必须是可作无菌处置的——这难以适用于电子束焊接的钛制微型输送泵。结果——制作的全塑料可处置的微型输送泵，每个脉冲也能输送2微升。这种可处置的泵与钛制微型输送泵之间的一个主要差别，就是在该泵移动区内使用一个活塞和一个圆环。在这样一种低功率系统中怎么能够使用径向密封圆环呢？若用直径1厘米的活塞，产生2微升的脉冲所需的位移大约是0.25毫米。在作此种微量移动时，我们发现圆环不滑动，它仅改变它在槽内周围的体积，并且很像隔膜那样动作。如果这些努力处于控制之下，那就可以着手研制这种可处置的微型输送泵。把一个3毫升的贮液器和外部装置所需的微型电子控制器一起装到这个相当小的抽吸区内。其结果就成为微型输送药物装置，就我们所知，它就是当今最小的外部电子程控的药物装置。

为什么从外部的或植入的装置连续输送药物是如此重要？如人们所预料的那样，药物经历着相当广泛的变化。然而，某些药物需要有严格的公差，以便达到它的最佳结果，并把意外事故减少到最低限度，从而减少反对它们的可能性。例如，以治疗糖尿病所用的胰岛素来说，药物浓度的广泛变化，不便于控制血糖，许多人认为这要造成诸如肾功能衰退、网膜病、神经病及其他与长期糖尿病有关的血液循环问题。毫无疑义，连续灌注药物装置的目标在于减少这些错综复杂问题的影响。

除胰岛素外，该装置将用于化学疗法，在这种场合，植入的装置可将高浓度化疗药剂直接输到患病器官，让药剂按浓度分配到人体其余部分。它将适用于输送止痛用的麻醉剂，输送生殖和生长用的荷尔蒙，及用作精神病药剂控制，可能的话，还可用于自动闭环治疗高血压（在美国这是一种影响大约三千五百万人的疾病）。

前途无量

目前我们只是看到这些电子程控装置潜在冰山之巅。它是流体动力工程、电子控制装置、生物医学和内科医生的结合，将使医疗手术发生根本性变化，并将在今后十年给千百万慢性病患者带来福音。

压力调节器是流体动力和流体控制的另一应用。内科医生长期一直关心着尿失禁问题——失去控制来自膀胱流动的能力。曾经提出许多机械装置，并且作了几年试验。一种有希望的途径，就是在尿道周围安装增压套，当膀胱正常肌肉失控时，它便随着压力增大而向内膨胀，使尿道闭锁。增压套中的压力必须高到足以禁止尿液从膀胱漏泄出来，但不应高到拒绝血液流进尿道组织保证给养。压力范围（或公差）一般说来大约是10厘米水柱。这种可植入的压力控制器借用来自某卫星方案所用的氨调节器技术。在典型的球形安全活门上面，使用隔膜操作的可移动的底座，以便对非常小的有关压力提供较大的调节力和较大的灵敏度。如同微型输送药物装置的分配泵一样，用精密模造的塑料零件提供生物适应性。塑料制造商听到用精密模造技术可以保持精密的公差，感到十分惊讶。

由硅制增压套，流体输送管路，压力调节器和可挤压的贮液器组成的整套组合件可植入人体，使患者能够具有贮液器的检查口。贮液器受挤压时，增压套通常是超压；贮液器被松开时，安全活门允许压力降至安全工作范围。去年在纽约罗谢斯特区罗谢斯特总医院，该系统经受了动物试验。它的成功至今一直激励着我们用同样的技术去处理结肠梗塞装置的应用。该装置将允许那些作了结肠切开术和回肠切开术的人们按照他们的旨意保持控制，而不是对抗与这些操作有关的连续流动。

流体控制技术帮助内科医生的另一方面，就是所谓的致冷装置。利用空心纤维膜技术，把等离子体从全部血液中分离出来，并把它冷却到刚高于凝结点几度，在那里某些杂质和废物冷冻了。把被冷冻的等离子体过滤后送回全部血液中。此时再把此组合体加温到37℃（体温），然后送回人体。业已表明，克利夫兰私立医院内科医生研制的这种系统在处置风湿性关节炎、狼疮、重症肌无力病及其他自动免疫疾病方面取得了令人鼓舞的结果。此处再次可以看到，现代流体控制技术跟电子控制器与诊断能力相结合，提供了一种安全而可靠的技术。这个系统装有若干压力、流量和温度传感器，以便把等离子体对血液的比值和组成物析出率保持在非常接近的范围内。

当自动输送药物系统正在对实用麻醉剂疗法进行改革时，致冷装置的医疗过程基本上一直不使用麻醉剂。这种过程被内科医生描述为无麻醉疗法。真是难以想象，流体动力技术，过滤技术，温度、压力与流量控制器能被应用于人体，在不使用麻醉剂情况下进行医疗改善生命品质！

[Mechanical Engineering，1982年6月]