互动科普

一只小海豚不幸失去尾巴，修复学家为其制作了人造尾巴，帮它重获新生。在此过程中发明的一种“海豚凝胶”，可以用于帮助人类截肢患者。

撰文：埃米莉·安特斯（Emily Anthes） 翻译：宁良菊 审校：秦廷武

从某种意义上说，温特是幸运的，尽管它并不知道这一点。它生在21世纪，对于失去身体一部分的动物而言，这是最好的时代。科学家开发出的许多材料，比如碳纤维复合物，以及柔性可变形塑料，使我们可以设计人造假体（artificial appendages），帮助受伤动物飞行、奔跑或游动。修复学家已经成功地为鹰制作了假喙，为海龟制作了假壳，为袋鼠制作了假脚。

固定在动物身上的传感器和标签，有助于拯救整个物种，这是利用信息技术来保护动物，而人造尾巴和爪子则代表了保护动物的另一种策略：给受伤动物提供假体。这些修复性装置并不适用于每一种动物。事实上，修复学家面临的挑战之一，就是确定对于那些外形与我们人类完全不同的动物而言，什么样的修复装置效果最好。一旦确定这一点，我们就可以专门设计并定制假体，帮助动物重建残肢，甚至拯救它们的生命。

设计人造尾巴

克利尔沃特海洋水族馆位于佛罗里达湾沿岸的一个小岛上。从主厅拾级而下，就到了一个露天甲板，两只海豚正在那里的一个大水池中嬉戏玩耍。我们很容易就认出温特，它原先完整的长尾巴不见了，代之以一个小而卷曲的假体，宛如一个逗号从它的躯干延伸出来。

尽管换了一条短小的尾巴，但温特和它的同伴一样在水中游玩，看起来就像是在家里。它采用一些与众不同的游泳技巧，使自己独特的身体适应水中生活。通常情况下，海豚利用它们的胸鳍（pectoral fins）来平衡身体，但温特却把胸鳍当作小划桨。由于失去了一对尾鳍（flukes，在正常海豚中位于尾巴末端），温特缺乏正常海豚的推进系统，所以它自学了像鱼一样左右摇摆的方式，而不是像正常海豚那样上下摆动。不幸的是，这种类似于鱼的游动姿势，给温特的脊椎施加了特殊压力，导致它的脊椎不正常弯曲。

在温特被营救几个月后，温特的护理人员开始担心，它奇怪的游动方式可能会导致永久性损伤。2006年9月，美国国家公共电台播放了一段关于温特的广播，节目中，水族馆的一名官员接受采访时，提到了这一担忧。一个名叫凯文·卡罗尔（Kevin Carroll）的修复学家碰巧听到了这段广播。听了温特的传奇故事后，他想，“我可以给那只小海豚装一个尾巴”。

卡罗尔小时候生活在一个爱尔兰小镇上一家医院附近，在那里，他经常看到生病或受伤的小孩来来往往，这使他对修复人体产生了兴趣。如今，卡罗尔是汉格公司（Hanger，总部位于美国得克萨斯州奥斯汀市）的副总裁，也是全球最著名的修复学家之一。每隔一段时间，就有人带着三只腿的狗，或者失去喙的鸟，到他的诊所寻求帮助。卡罗尔很喜欢动物，他所有周末时间都用来帮助这些受伤的动物。多年来，他和汉格公司的同事一起，为许多动物制作假肢，比如狗、鸭子、海龟等，这些动物多得足够成立一个动物园。

当水族馆同意让卡罗尔为温特制作人造尾巴后，他就开始招募团队。他知道，他需要丹 · 斯切姆卡（Dan Strzempka）做搭档。斯切姆卡也是一名修复学家，在汉格公司的一个办公室（位于佛罗里达州萨拉索塔市）工作。斯切姆卡是佛罗里达州土著人，特别热爱海洋和海洋生物。4岁时，他的一条腿被割草机碾断，从那时起，他就装了一个假肢。

卡罗尔和斯切姆卡同意在克利尔沃特海洋水族馆与我见面，并向我介绍了他们如何给温特制作人造尾巴。他们是老搭档了：卡罗尔瘦小，秃顶，留着白胡子；斯切姆卡高大，黝黑，结实。当我们来到温特所在的水池之后，斯切姆卡斜靠在围栏上呼唤温特：“嗨，姑娘！你今天过得怎么样？”卡罗尔则用他的爱尔兰口音问候：“早上好！”

在过去5年里，他们在这个水池边花费了无数的时间。虽然他们以前修复过许多种受伤动物，但是温特和这些“病人”都不一样，所以他们的首要任务就是了解温特的身体。卡罗尔和斯切姆卡开始快速学习关于海豚的知识，仔细研读相关的解剖学和生理学，并观看了海豚游动的慢动作视频，来理解它们游动的生物力学原理。尽管动物修复学家可以借鉴人类医学，但成功修复受伤动物往往需要一定的创造力；懂得如何给一个截肢患者制作假肢，并不意味着可以为一头大象替换它失去的脚，或者给一只狗装上一只人造爪子。所以，修复学家为每一种受伤动物制作假体时，都需要专门设计并定制。

对于失去尾巴的温特而言，最基本的计划似乎很简单─—卡罗尔和斯切姆卡决定制作一根塑料尾巴，套在温特尾柄（peduncle，通常是指从背鳍到尾鳍的部分）的残余部分。他们意识到，难点在于如何保持这根人造尾巴不掉下来。在游动时，温特的身体将使它的尾巴承受非常大的压力，但是又不会将身体的全部重量压在人造尾巴上，就像失去一条腿的人装了一个假肢那样。斯切姆卡提醒道，“水是一种完全不同的环境”。而且，海豚的皮肤光滑、敏感、纤弱，非常容易受伤。

人类截肢患者通常使用柔软的衬垫来保护皮肤，并缓冲残肢与假肢之间的冲击。卡罗尔和斯切姆卡很清楚，温特也需要类似的东西。标准的人类衬垫并不适用于温特，他们必须创造出一种全新的材料，足够柔软以便保护温特的皮肤，有足够的黏性以便附着在光滑表面上，有足够的强度以便耐受日常使用以及水池中盐水的腐蚀作用。

他们向一名化学工程师寻求帮助，这位工程师粗略修改了一种凝胶衬垫（通常用于人类假肢）的制作工艺，试图制造出一款更适合海豚的衬垫。他最开始制造出来的几款衬垫原型都非常有前景，不过，这些原型的性能并不稳定。研制过程中，还出现了几次戏剧性的失误，其中有一次，一场大火彻底烧毁了一座仓库。斯切姆卡向我保证，“那只是一个小仓库而已”。最后，这位工程师终于制造出适合海豚的凝胶衬垫。

当我们坐在水族馆海豚训练师的办公室中时，卡罗尔说，“这是一种不可思议的材料”。他递给我一个具有弹性的凝胶护套，白色、摇摇晃晃的、摸起来还有点黏。它看起来与一块超级大的鱿鱼没什么两样。从技术上来说，这种材料是一种热塑性弹性体（thermoplastic elastomer），由许多种一开始是液体的塑料混合而成，加热时可以形成各种形状。不过，人们通常称之为“海豚凝胶”（dolphin gel）。为了演示它的特性，卡罗尔将这块凝胶拉长到2英尺（1英尺约等于30厘米），并将一端交给斯切姆卡。他开始向后退，2英尺、5英尺、10英尺——材料依然保持延伸状态。最后，卡罗尔放开手，凝胶弹回到斯切姆卡手中。斯切姆卡举起凝胶，看起来就像新的一样，既没有膨胀，也没有变形。他们满脸堆笑，我感觉这就像是一个经过反复排练的特技表演。这种凝胶还能提供非常强的缓冲作用，卡罗尔用这块凝胶衬垫将一只手裹起来，然后用沉重的木槌猛烈敲打那只手，等他解开衬垫，那只手完全没有受伤，他也咧嘴大笑起来。

坚持修复训练

现在，温特已经高高兴兴地戴上了一根结构匹配的人造尾巴。卡罗尔和斯切姆卡给温特的身体拍摄了一系列三维图像，并仔细观察，然后精心制作了一根人造尾巴。为了安装这根人造尾巴，一名海豚训练师首先平稳地站在一个漂浮在水池中的平台上。随着一声快速的指令，温特进入预定位置，头朝水池底部，尾柄朝上露出水面。训练师将海豚凝胶制成的套管套在温特的尾柄残余部分，最后再接上卡罗尔和斯切姆卡精心制作的人造尾巴。

这根人造尾巴有一个柔性的塑料“插口”，用来套接在凝胶衬垫上，从而紧紧地裹住温特的尾柄残余部分。这个“插口”逐渐缩小成一个扁平的碳纤维条带，其上固定有一对假尾鳍。负压产生的吸力保证人造尾巴完全固定。

尽管人造尾巴模仿了海豚的天然尾巴，但它是由各种非天然材料制成。温特戴着人造尾巴时，必须有人监视。温特的护理人员需要确保人造尾巴不会突然滑脱，或者被水池中的什么东西卡住。温特不必一直戴着人造尾巴。不过，每天接受治疗期间，它需要一直戴着人造尾巴。海豚训练师引导戴着人造尾巴的温特，完成一系列专门设计的动作，帮助温特强化肌肉并巩固正确的游动姿势。人造尾巴有助于温特的脊椎保持适当的弯曲。事实上，当温特戴着人造尾巴时，它游动时变成上下摆动尾巴，而不是左右摇摆。卡罗尔说，“看到它戴着人造尾巴游动，感觉非常美好”。自从戴上人造尾巴之后，温特的脊椎侧凸（scoliosis）得到了改善。卡罗尔希望，人造尾巴结合常规治疗可以帮助温特健康长寿。

尽管温特的状况有很大改善，但它仍须在水族馆度过余生。一只海豚没有尾巴，或者有一条人造尾巴，是不适合在野外生存的。很难说，温特的人造尾巴在连续使用多年之后会变成什么样。而且，温特需要继续在训练师的引导下，巩固正确的游动姿势，而且还需要医生对它的脊椎弯曲情况进行监测。卡罗尔和斯切姆卡每年都为温特制作新的人造尾巴。到目前为止，温特还没有达到它成年时应该有的身体尺寸，当它的身体发生改变时，就需要调整人造尾巴。卡罗尔和斯切姆卡也梦想着对温特的人造尾巴进行更多引人注目的改进。斯切姆卡可能很希望解决一个问题：当温特上下摆动尾巴时，如何利用一个真空装置将尾巴中的空气泵出，这样将可以使人造尾巴与温特的尾柄残余部分之间的结合更紧密，而且可以自我调节。

温特的尾巴使它名声大噪。现在有很多关于它的图书、视频游戏和纪录片。2011年，华纳兄弟公司发布了一部3D电影，名叫《海豚传说》（Dolphin Tale），就是根据温特的故事拍制的。在这部电影中，修复学家这个“疯狂的科学角色”由摩根·弗里曼（Morgan Freeman）扮演。在克利尔沃特海洋水族馆的网站和礼品店中，到处都是与温特有关的小东西：印有温特图像的T恤、明信片、磁铁，还有同样没有尾巴的玩具海豚。

但是，温特不止是一个强有力的营销工具，它已经成为假肢的代表。使用假肢的孩子们经常参观克利尔沃特海洋水族馆，很多人应邀和温特在水池中玩耍。卡罗尔告诉我，和温特一起玩耍，可能会给这些纯真的孩子们带来奇迹。

温特还通过多种形式帮助了截肢患者。随着所谓的“海豚凝胶”这一概念的广泛传播，修复学家开始将其用于人类患者。与通常用于人类患者的衬垫相比，这种材料可以更好地黏附在皮肤上，而且已经被证明可以用于截肢运动员，特别是那些假肢因出汗而开始滑脱的人。斯切姆卡热衷于高尔夫球运动，他最早将这种凝胶用于他自己的假肢。他说，“这种凝胶的黏性可以带来非常大的帮助，尤其是在佛罗里达州，如果你每天打36洞，你的皮肤会变得像海豚一样光滑”。没过多久，汉格公司就开始销售“温特牌凝胶”（WintersGel），可以用于所有截肢患者，无论是经验丰富的三项全能比赛运动员，还是10多岁的小女孩。卡罗尔说，“动物给我们的回报很多，我们在和它们一起工作中学到了很多东西”。

本文译者：宁良菊是四川大学生物治疗国家重点实验室干细胞与组织工程研究室的博士研究生，研究方向是细胞外基质支架材料及其生物学评价。

本文审校：秦廷武是四川大学华西医院再生医学研究中心干细胞与组织工程研究室教授，博士生导师，主要从事干细胞组织工程、生物材料与生物力学的研究。