人工智能与外骨骼未来有望联手改变人类在地球和太空中的表现

人工智能与外骨骼未来有望联手改变人类在地球和太空中的表现 一种用于外骨骼的新型人工智能控制器无需特定编程就能学习人类的不同动作，该控制器已证明可节省大量能源，标志着可穿戴机器人技术向前迈出了一大步。想象一下，工厂工人和宇航员可以更安全、更高效地行动，残疾人的行动能力也会得到改善。6月12日，《自然》（Nature）杂志发表了一项新的研究成果。《自然》（Nature）论文的第一作者、安伯里德尔航空大学的罗淑珍博士（Dr. Shuzhen Luo）与通讯作者、北卡罗来纳州立大学的苏浩博士（Dr. Hao Su）及其他同事解释说，这种可穿戴的人体机器人框架被称为"外骨骼"（exoskeletons），有望让人更轻松地行动，但技术障碍限制了其更广泛的应用。罗指出，迄今为止，外骨骼必须根据特定活动和个人预先编程，并基于冗长、昂贵、劳动密集型的人体试验。研究人员开发了一个由 208 块肌肉组成的全身肌肉骨骼人体模型（左上），以及一个定制的髋关节外骨骼（左下），然后利用人工智能模拟了多种活动（中间），最后将学习到的控制器部署到人体受试者身上。资料来源：《自然》杂志，Luo 等人，图 2。现在，研究人员描述了一种超级智能或"学习型"控制器，它利用数据密集型人工智能（AI）和计算机模拟来训练便携式机器人外骨骼。"这种新型控制器可为行走、跑步或爬楼梯提供平稳、持续的扭矩辅助，而无需任何人工参与的测试，"罗报告说。"只需在图形处理单元上运行一次，我们就能在模拟中训练控制法则或"政策"，这样控制器就能有效地辅助所有三种活动和不同的人。"安博里德尔航空大学的罗淑珍博士（右）在一次内部海报展示中讨论了她对人工智能驱动的机器人外骨骼的研究，她的研究成果于2024年6月12日刊登在《自然》杂志上。图片来源：Embry-Riddle/David Massey在三个相互连接的多层神经网络的驱动下，控制器边学边用通过"数百万次的肌肉骨骼模拟进化，以提高人类的活动能力"，佛罗里达州戴托纳海滩安博里德尔大学机械工程系助理教授罗博士解释说。这个无需实验的"模拟学习"框架部署在一个定制的髋关节外骨骼上，产生了迄今为止便携式髋关节外骨骼最高的代谢率降低效果佩戴者在行走、跑步和爬楼梯时的能量消耗平均分别降低了 24.3%、13.1% 和 15.4%。北卡罗来纳州立大学的苏浩解释说，这些能耗降低率是通过比较穿戴和不穿戴机器人外骨骼的人类受试者的表现计算出来的。这意味着它能真实地衡量外骨骼节省了多少能量。这项工作实质上是将科幻小说变为现实让人们在执行各种任务时消耗更少的能量。据信，这种方法首次证明了在仿真中开发控制器的可行性，这种控制器可以弥合所谓的从仿真到现实或"从仿真到现实的差距"，同时显著提高人类的性能。"以往在强化学习方面取得的成就往往主要集中在模拟和棋盘游戏上，"罗淑珍说，"而我们提出了一种新方法即一种动态感知、数据驱动的强化学习方式，来训练和控制可穿戴机器人，让人类直接受益。"苏浩补充说，"该框架"可为快速、广泛地为健全人和行动不便的人部署各种辅助机器人提供可推广、可扩展的战略。研究人员在《自然》杂志上解释说，如前所述，外骨骼传统上需要根据耗时的人体测试来手工制定控制法则，以处理每项活动并考虑个体步态的差异。模拟学习法为这些障碍提供了可能的解决方案。由此产生的"动态感知、数据驱动的强化学习方法大大加快了外骨骼在现实世界中的应用。闭环模拟结合了外骨骼控制器和肌肉骨骼动力学、人机交互和肌肉反应的物理模型，以生成高效、逼真的数据。这样，控制策略就能在模拟中不断发展或学习。"我们的方法为可穿戴机器人控制器开发的交钥匙解决方案奠定了基础，"罗淑珍说。未来的研究将侧重于独特的步态，如行走、跑步或爬楼梯，以帮助中风、骨关节炎、脑瘫等残疾人以及截肢者。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现一种新激素能增强骨骼

科学家发现一种新激素能增强骨骼 根据发表在《自然》期刊上的一篇论文，科学家基于小鼠研究发现了一种新激素能增强骨骼。全球有逾 2 亿人患有骨质疏松症，这种骨骼脆弱症容易导致经常性骨折。女性绝经后有着患骨质疏松症的高风险，原因是促进骨骼生成的雌激素水平下降。女性在哺乳期间雌激素水平也很低，但却很少会患骨质疏松症和发生骨折，这意味着有其它激素在促进骨骼生长。研究人员在哺乳期的雌性小鼠大脑中发现了名叫 Maternal Brain Hormone (CCN3)的激素，它能增加骨骼密度和强度，从而解决了一个长期谜团：当女性骨骼中的钙质被用于支持产奶后，她们的骨骼仍然能维持相对的强壮。 via Solidot

研究人员开发出可再生骨骼的"骨绷带"

研究人员开发出可再生骨骼的"骨绷带" 压电材料在施加机械应力时会产生电荷。骨骼就是一种压电材料。由于骨具有电微环境，电信号在骨修复过程中发挥着重要作用，可有效促进骨再生。然而，骨再生是一个复杂的过程，依赖于机械、电气和生物成分。目前的骨再生策略，如释放生长因子的移植物或支架，都有其局限性，如供体部位的并发症、有限的可用性和高昂的成本。现在，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发出了一种开创性的骨再生方法，它将压电和一种天然存在于骨骼中的矿物质结合在一起。羟基磷灰石（HAp）是骨骼和牙齿中的一种矿物质，在骨骼结构强度和再生中发挥作用。它通常被添加到牙膏中，用于重新矿化牙釉质和强化牙齿。研究发现，HAp 能促进成骨（骨形成），为新骨生长提供支架。它还具有压电特性和粗糙的表面，是制作骨生长支架的理想材料。因此，研究人员制作了一个独立的仿生物支架，将HAp集成到聚合物薄膜聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）的压电框架中。这种独立的支架在施加压力时会产生电信号，这使得这种方法有别于以往将HAp和P(VDF-TrFE)结合在一起的研究，后者仅限于金属假体的涂层。他们说，研究人员的新方法为骨再生提供了一个多功能平台，超越了表面结合应用。对含有和不含HAp的支架进行体外比较后发现，HAp支架上的细胞附着率要高出10%至15%。细胞培养五天后，HAp 支架上的细胞增殖率提高了 20% 至 30%，成骨水平提高了约 30% 至 40%。研究结果表明，HAp 最大限度地提高了支架的压电特性，并创造了一种类似于人体细胞外基质的环境，细胞外基质是所有组织的非细胞成分，它提供了组织再生所需的基本物理结构和重要线索。(d）显微 CT 图像显示使用不同支架的小鼠头骨的骨再生情况；（e）支架植入后 2、4 和 6 周的骨量和面积 Joo 等人研究人员随后在小鼠身上测试了他们的 HAp/P(VDF-TrFE)支架，将其置于动物头骨（小腿骨）的缺损处。支架维持了六周，没有发生变形。所有小鼠都存活了下来；没有观察到任何不良反应，包括感染或炎症反应。植入两周、四周和六周后，与对照组没有骨形成相比，安装了HAp支架的小鼠的骨再生能力明显增强。该研究的通讯作者之一 Seungbum Hong 说："我们开发出了一种基于 HAp 的压电复合材料，它可以像'骨绷带'一样加速骨再生。这项研究不仅为生物材料的设计提出了新的方向，而且在探索压电性和表面特性对骨再生的影响方面也具有重要意义。"这项研究发表在《ACS 应用材料与界面》杂志上。 ... PC版： 手机版：

韩国科学家研制出治疗骨骼破裂的新型“骨绷带”材料

韩国科学家研制出治疗骨骼破裂的新型“骨绷带”材料 骨再生是一个复杂的过程，目前促进骨再生的方法，如移植物和应用生长因子，都面临着费用增加等挑战。然而，随着一种能够促进骨组织发育的压电材料的问世，这一研究取得了突破性进展。由材料科学与工程系（DMSE）Seungbum Hong教授领导的KAIST研究小组于1月25日宣布，利用羟基磷灰石（HAp）独特的成骨能力，开发出了一种生物仿生支架，可在施加压力时产生电信号。这项研究是与全南国立大学聚合生物系统工程系的 Jangho Kim 教授领导的团队合作进行的。HAp 是一种存在于骨骼和牙齿中的基本磷酸钙物质。这种具有生物相容性的矿物质还具有防止蛀牙的作用，常用于牙膏中。骨再生领域的突破以往关于压电支架的研究证实了压电性在促进骨再生和改善各种聚合物基材料的骨融合方面的作用，但在模拟最佳骨组织再生所需的复杂细胞环境方面受到限制。然而，这项研究提出了一种新方法，利用 HAp 独特的成骨能力来开发一种模拟活体骨组织环境的材料。压电和地形生物仿生支架的设计和表征。(a) 通过加入 HAp 的 P（VDF-TrFE）支架提供的电学和地形学线索增强骨再生机制的示意图。(b) 制作过程示意图。资料来源：KAIST 材料成像与集成实验室研究小组开发了一种将 HAp 与聚合物薄膜融合在一起的制造工艺。通过对大鼠进行体外和体内实验，该工艺开发出的柔性独立支架在促进骨再生方面具有显著的潜力。了解骨再生原理研究小组还确定了其支架所依据的骨再生原理。他们利用原子力显微镜（AFM）分析了支架的电特性，并评估了与细胞形状和细胞骨骼蛋白形成有关的详细表面特性。他们还研究了压电性和表面特性对生长因子表达的影响。韩国科学技术院DMSE的Hong教授说："我们开发出了一种基于HAp的压电复合材料，它可以像'骨绷带'一样加速骨再生。他补充说："这项研究不仅为生物材料的设计提出了新的方向，而且在探索压电性和表面特性对骨再生的影响方面也具有重要意义。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

计算和屏蔽初创公司联手将具备人工智能功能的芯片送入太空

计算和屏蔽初创公司联手将具备人工智能功能的芯片送入太空 这台计算机是一台小型、可堆叠的 MVP，名为 AetherNxN，基于 NVIDIA Orin 处理器，将得到一种新型辐射屏蔽材料的额外保护，该产品的开发商宇宙屏蔽公司（Cosmic Shielding Corporation，CSC）表示，这将有助于开启太空计算的新时代。如今，太空中的电子设备通过两种方式防止有害辐射。一种是物理屏蔽，使用铝和钽等材料的组合；另一种是辐射加固，通常是指在设计上增加对辐射照射的耐受性。Aethero 联合创始人爱德华-葛（Edward Ge）在最近的一次采访中说："AetherNxN 计算机是辐射加固型的，但增加 CSC 的屏蔽"使我们能够将具有人工智能能力的硬件带入太空，并让它在非常恶劣的条件下运行。"CSC的屏蔽材料是一种新型3D打印材料，该公司称之为Plasteel（这个词可以追溯到弗兰克-赫伯特的《沙丘》）：一种带有均匀分布的辐射阻挡纳米粒子层的聚合物混合物。该公司成立于2020年，其屏蔽材料已在公理太空公司（Axiom Space）和量子太空公司（Quantum Space）的任务中试飞。Plasteel比铝更具柔韧性，因此可用于更广泛的组件该公司甚至正在研究将其用于太空服。该公司表示，其材料不仅能降低计算机接收的总体辐射剂量，而且在限制所谓的"单次事件效应"方面比传统材料更有效。这是指单个电离粒子（如高能质子）损坏或以其他方式影响太空中的电子电路。(这种情况在地球上也会发生，但由于大气层的保护，这种情况极为罕见）。为天基计算机定制的塑钢屏蔽解决方案的概念图。降低总体剂量固然重要，但减轻单次事件的影响也至关重要。CSC 联合创始人兼首席执行官亚尼-巴尔古蒂（Yanni Barghouty）将其比喻为 100 个网球撞墙与一颗子弹撞墙；两者的总动能可能相同，但后者的危险性要大得多。Ge 和 Barghouty 都认为，要将先进、复杂的处理器带入太空，就必须采用下一代屏蔽技术。Aethero 预计其第一个也是最大的市场是地球观测数据的边缘处理例如，自动识别有趣的物体但两家公司都认为，先进的空间边缘计算将开启深空探索的新时代。Barghouty 说："从人工智能的角度来看，没有任何东西能以如此快的速度被发射到太空中。因此，它的运行简直就是将摩尔定律带入了太空。" ... PC版： 手机版：

人工智能寻找新型无稀土磁铁 速度是人类的200倍

人工智能寻找新型无稀土磁铁 速度是人类的200倍 随着全球逐渐摒弃内燃机，转向电动汽车，对紧凑型大功率电机的需求也在迅速增长。目前，汽车行业中最受欢迎的是永磁电机，80%以上的现代电动汽车都使用这种电机。据 Materials Nexus 预计，到 2030 年，仅电动汽车行业对永磁体的需求就将增长十倍。不仅是电动汽车和卡车。问题是，用于制造最强大磁铁和最高效、功率密度最大的电机的稀土材料（如钕和镝）需要破坏性开采和昂贵的能源密集型加工。中国拥有全球最大的电动汽车市场，已成为稀土开采和加工领域的领导者，从地下开采出的稀土占全球总量的70%，加工量接近 90%。这使得中国对这些重要材料拥有类似垄断的控制权，从而使其他市场面临供应中断和价格波动的风险。人们开始寻找替代品，一些汽车制造商和供应商开始开发并采用无磁电机。包括特斯拉在内的其他汽车制造商正在追求不使用稀土材料的永磁设计。无稀土磁铁听起来确实是一种令人感兴趣的解决方案，但它们可能难以配制，而且功率不如传统稀土磁铁。Niron Magnetics 公司开发出了所谓的世界上第一种高性能无稀土磁体，它使用了大量可获得的铁和氮的混合物，但十多年来，该公司一直在研究和开发这种磁体，但仍未完全准备好进行大规模生产。Materials Nexus 相信自己拥有当代和未来的磁性初创企业所需要的识别和开发不含稀土的磁性材料的能力，而且通过用人工智能取代老式的试错法，它相信这些初创企业能够以比传统方法快数百倍的速度完成这项工作。该公司表示，其人工智能平台可以在几天或几周内识别出不含稀土的磁性材料，而过去则需要数年甚至数十年的时间。Materials Nexus 利用其人工智能平台确定了一种无稀土永磁材料，并将其命名为 MagNex。在确定 MagNex 之前，人工智能分析了 1 亿多种无稀土材料成分，并将成本、供应链安全、性能和环境影响等变量考虑在内。在人工智能完成繁重的工作后，Materials Nexus 在谢菲尔德大学亨利-罗伊斯研究所的帮助下合成并测试了 MagNex。在三个月的时间里，该公司完成了人工智能系统之前需要数年才能完成的工作。此外，MagNex 的生产成本仅为现有稀土磁铁的 20%，而材料碳排放量却减少了 70%。谢菲尔德大学冶金与材料加工系教授伊恩-托德（Iain Todd）说："我们与 Materials Nexus 的首次互动就取得了如此积极的成果，这让我们感到非常兴奋。Materials Nexus 使用人工智能发现材料的方法与我们在谢菲尔德的亨利-罗伊斯研究所（Henry Royce Institute）拥有的制造先进合金的世界级设施相结合，以惊人的速度开发出了一种新型磁性材料"。虽然全新的无稀土磁铁为本周的公告增添了不少亮点，但这远非 Material Nexus 的人工智能唯一可能的应用案例。该公司表示，人工智能将适用于各行各业，帮助识别和创造下一代尖端材料，推动新技术和二氧化碳减排。该公司计划与行业合作伙伴合作，加速发现可行、经济、可持续的下一代材料。Materials Nexus 首席执行官 Jonathan Bean 博士表示："我们的平台已经吸引了人们对各种产品的广泛兴趣，这些产品的应用领域包括半导体、催化剂和涂料。"我期待着看到它在支持市场需求，创造新型材料，帮助解决日益紧迫的供应链和环境问题方面所发挥的作用。"我们也是如此。我们还期待看到 MagNex 成为永磁电机的一种可行的磁铁替代品，无论是针对电动汽车还是其他应用，此类电机的需求量都将居高不下。 ... PC版： 手机版：