5 个可以治愈人体甚至培育新身体的太空机器人

在人类众多可能的未来之一中，那些勇敢的探险家们肩负着在氧气稀薄的大气中攀登云雾缭绕的山脉或绘制各种外星景观的低矮黑暗陨石坑的任务，绝不会因危险的侦察探险而受伤而死亡。他们也不会生病或遭受基因损伤，因为超强睡眠舱可以治愈致命的伤口。如今，宇航员不能毫无准备，而是必须配备应对各种医疗事故的装备，尤其是在他们尝试在月球远端以外进行长期太空飞行时。

目前的载人航天器配备了应急物资以协助机组人员，大部分是创可贴和阿司匹林等日常用品，但也有更专业的物品，如氢吗啡酮注射剂和大名鼎鼎的太空毯。虽然国际空间站 (ISS) 上的宇航员依靠这些以及远程医疗电话来治疗疾病并保持健康，但事实上，身处另一个世界可能会严重削弱紧急医疗护理的能力。NASA 指出，所有机组人员都接受过操作机上医疗设备的培训——但如果需要进行复杂的手术并且患者不能迅速飞回地球，受训人员将不得不在有限的工具和经验下继续前进。值得庆幸的是，到目前为止，他们面临的最糟糕情况是血栓。

为了应对这些不可避免的危机，航天机构已开始利用 3D 生物打印技术，帮助革新宇宙深渊和地面上的生物再生医学。研究人员已经在生物打印方面取得了进展——生物打印是一种以类似于 3D 打印的方式生成活细胞和医疗产品的过程——制造组织、皮肤移植物，最终制造出用于未来移植的整个器官，以及可以成为受伤宇航员“备用部件”的人造骨骼。

但随着对更小、更紧凑技术的需求不断增长，另一类机器也飞速发展。“软机器人”能够通过拉伸、挤压、弯曲甚至扭曲来完成任务，它们采用受人体皮肤等活体组织启发的材料制造而成，而不是传统遥控系统中使用的刚性结构。波士顿大学专门从事微型手术机器人机械工程设计的助理教授 Sheila Russo 表示，这使得机器人器械能够更安全地与我们的身体互动，让外科医生能够更准确、更精确地执行复杂的手术。

“我从事的领域是制造能够帮助患者生存的机器人，”鲁索解释道。“作为工程师，我们倾听那些有问题的人，并希望设计出一个机器人解决方案。”她喜欢以《超能陆战队》中的大白为例，这是一个虚构的自主软机器人例子，它可以成功地治愈人们，无论是通过它配备的各种医疗设备，还是通过提供有用的建议。

鲁索说，尽管正在研发的这些小玩意儿还不能简单地通过拥抱来缓解任何人的疼痛（目前），但它们重量轻，生产成本相对较低，因此很容易运输到偏远地区。例如，英国国王学院的一个实验室正在尝试通过制造能够承受高能声波的适应性软机器人来解决超声波的局限性。

随着这些原型在更广泛的医学领域获得关注，仍有许多问题和挑战需要解决。但它们的无限潜力可以帮助人类忍受地球和星空中的极端环境。

灵活的原位 3D 生物打印机

梦之队：新南威尔士大学

功能：瑞士军刀

预计到达时间： 5至7年

这种微型多功能机械臂（直径约 0.8 英寸）的作用类似于医用内窥镜，可用于直接在患者体内修复受损的身体部位。传统设备依靠大型台式打印机来制造人造组织，然后可以将其保存并生长直至成熟或直接植入体内。但这种高成本方法通常存在风险，例如运输过程中人造器官的结构损坏、组织损伤以及将部件带出无菌环境后受到污染。

另一方面，柔性原位 3D 生物打印机 (F3DB) 的工作原理是通过小切口或通过口腔或肛门等自然孔道进入难以触及的身体部位。“人体约 90% 具有管状结构，”新南威尔士大学悉尼分校高级讲师、该项目团队负责人之一 Thanh Nho Do 说道。“如果你能开发这项技术，[机器人] 就能沿着这条路向任何想要的方向导航。”

一旦定位到目标区域，F3DB 的多轴打印头（安装在蛇形伸缩臂上）就会弯曲喷嘴以向三个不同方向打印，输送水以冲洗血液和组织，并充当电动手术刀以标记和切断癌性病变或肿瘤。Do 说，它的应用范围非常广泛，可以作为医疗专业人员的一体化手术工具。

尽管这种工具距离人体试验还有五年多的时间，但研究人员计划继续使用触觉技术（可以传递触觉信息的装有传感器的装置）来操纵该设备，以便未来有一天该系统可以在极端环境下轻松控制，例如在空间站、月球或火星定居点。

3D生物制造设施

梦之队： Redwire Space

功能：膝关节置换

预计到达时间： 5至10年

国际空间站最近新增了 3D 生物制造设施 (BFF) 和先进空间实验处理器，它们是两个独立的有效载荷，它们结合在一起构成了一个强大的 3D 生物打印实验室。Redwire 的研究人员与国际空间站国家实验室和美国卫生科学大学生物技术中心合作，计划利用它在太空中重建人类膝盖的一部分，特别是半月板，这是一种有助于吸收冲击和稳定关节的软骨。如果成功，这可能是帮助治疗地球上美国军人严重膝盖损伤的第一步。

“半月板撕裂是我们军队最常见的问题之一，”这家航空航天制造公司的首席科学家肯·萨文 (Ken Savin) 表示。“这是许多人每天都会遇到的问题，而且会影响到普通人群，因此这是一个值得研究的好目标。”这台打印机本身大约有宿舍冰箱那么大，它将预先收获的成体干细胞培养成一种叫做生物墨水的溶液。

经过加热、注入液体营养物并刺激其生长后，混合物可以在国际空间站上分层形成精确的超细结构，然后运回地球。萨文说，强大的引力会导致软组织像水坑一样散开，但在太空中，由于国际空间站固有的微重力，它们可以保持原状。

“当你消除重力时，你就开辟了一个全新的科学领域，”萨文说。“它让你能够做一些事情，看到原本隐藏的东西。”一旦国际空间站退役（这将在 2030 年之后发生），Redwire 计划继续在蓝色起源计划中的空间站 Orbital Reef 上推进其生物制造研究。

虽然该公司目前仍处于半月板项目的早期规划阶段，但萨文预计它将成为许多其他医学突破的垫脚石，包括恢复心脏功能的个性化心脏贴片。根据 3D 打印组织的大小，生产时间可能不到一天。这并不是 BFF 推动解剖技术发展的唯一方式。随着未来的商业化，便携式实验室可以帮助器官捐赠者避免长时间等待和低于标准的无机替代品。

柔软生长机器人

梦之队：明尼苏达大学

功能：无限拉伸管

预计到达时间： 10年以上

受植物根系、花粉管和真菌的启发，明尼苏达大学的工程师最近开发出一种工艺，使软体机器人能够表现出一种称为尖端生长的运动水平，这种运动水平以前只在自然界中看到过。生物体利用这种方法在身体末端添加新细胞，使它们能够随着时间的推移产生大型特定结构，轻松穿越崎岖地形，并通过光或化学信号等外部刺激进行导航。

2022 年，研究人员利用一种名为光聚合的技术，在自己的机器人原型中模拟了这一过程。光聚合技术利用光将液体分子转化为固体材料。这是医学领域流行的 3D 打印策略，专门用于创建患者身体的精确解剖模型，但在这个新颖的应用中，它允许软机器人在复杂环境中导航时从液体单体溶液中构建自己的身体。

这种尺蠖状装置在沿路径爬行时能够执行多项探索任务，其生长速度可达每分钟约 5 英寸，伸展长度可达约 5 英尺，能够避开甚至偏转障碍物，到达人体最深处。明尼苏达大学机械工程副教授、该项目成员蒂莫西·科瓦莱夫斯基 (Timothy Kowalewski) 表示，该工具可能对妇科和泌尿科等医学领域特别有用。他还认为，该工具在自动插管和心脏病治疗等程序中发挥着重要作用，在这些程序中，软导管被推入血管以稳定患者。

BioPrint FirstAid 手持式生物打印机

梦之队：德国航空航天中心

功能：蜂窝创可贴

预计到达时间： 5至10年

并非所有软体机器人都旨在将人类变成拥有精致机械部件的机器人。德国航空航天中心开发的一个生物打印机原型旨在加速宇航员自身的康复过程，该项目的项目经理迈克尔·贝克尔说。

与其他太空医疗保健创新一样，BioPrint FirstAid 手持式生物打印机将使用任务前从宇航员身上收集的细胞来准备个性化生物墨水盒，用于紧急伤口治疗，例如修复表皮病变甚至骨折。该设备可能是有史以来第一台太空手持式生物打印机，类似于一把紧凑型胶枪 - 配有打印头、导轮和可容纳两个生物墨水盒的空间，方便取用和使用。

贝克尔解释说，虽然这台机器是完全手动操作的，但实际打印过程只需几分钟。“你基本上把打印机放在手臂或其他地方，然后压在受伤的皮肤上。”然后喷嘴将溶液挤出，形成类似石膏的伤口覆盖物。2021 年，欧空局宇航员马蒂亚斯·莫瑞尔在地球上的一次训练中使用模拟细胞演示了这项技术，2022 年他在国际空间站的宇宙之吻任务中再次展示了这项技术。

在长期太空飞行中携带手持式生物打印机将使宇航员能够快速提供个性化医疗服务，但创造者首先需要克服两个障碍：确定一次星际旅行需要多少个生物墨盒，以及如何将它们存储在稳定的环境中。“现在的挑战是制造出这些细胞可以在长期任务中存活的墨水，”贝克尔说。

研究团队希望这种宇航员友好型工具能够找到其他用途，例如在南极洲等恶劣环境下进行研究任务，或者用于卧床不起的病人。

铁磁软导管机器人

梦之队：华中科技大学

功能：磁性生物打印机

预计到达时间：数十年

另一种旨在以微创方式打印人体内部组织和器官的机器人是铁磁软导管机器人 (FSCR)，它依靠磁铁来移动，因此在同类机器人中脱颖而出。

华中科技大学教授臧建锋表示：“这项研究提供了两个非常新的想法。第一，我们可以进行微创生物打印；第二，我们使用磁力系统来实现这一点。”臧建锋的研究工作围绕着缩小硬机器和软人体之间的差距。

通常，这类医疗机器使用马达推动自身在患者体内移动。但 Zang 的团队将稀土金属钕的颗粒分散在导管形机器人的中心，该机器人也可用作生物打印机，能够制造复杂的结构。该设备可以通过外部计算机控制的磁铁快速操纵，以在狭窄、弯曲的环境中运输药物或可注射生物墨水等材料。它也非常耐用，因为钕可以保持其磁性数百年。

研究人员正在努力进一步缩小该设备，目前该设备只有几分之一英寸。有朝一日，它可以让医生更精细地控制仪器的运动，并允许他们在没有放射性 X 射线的情况下完成复杂的手术。

“我们只是想用磁力机器人来治疗一些疾病，或者做一些现有技术无法做到的精密手术，”臧说。“这是我们的梦想。”

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