3D打印机器人有望在太空扮演医生 | Popular Science

在人类 许多可能的未来中，那些负责在氧气稀薄的大气中攀登冲破云霄的山脉，或勘探外星地貌的低矮、昏暗陨石坑的无畏探险家，将永远不会在危险的侦察探险中因伤而亡。他们也不会生病或遭受基因损伤，这要归功于超强的低温睡眠舱，它们可以治愈本应致命的创伤。而如今，宇航员没有不做好准备的奢侈——相反，他们必须配备应对各种医疗事故的能力，尤其是在探索远程太空飞行，以及月球背面之外的旅程时。

目前载人航天器都配备了急救用品来协助乘员，其中大部分是创可贴和阿司匹林等日常用品，但也包括更专业的物品，如氢吗啡酮注射液和那些众所周知的太空毯。虽然国际空间站（ISS）的宇航员一直依赖这些以及远程医疗电话来治疗疾病并保持健康，但事实是，身处另一个世界可能会严重影响急救医疗的能力。美国宇航局指出，所有乘员都接受过培训，能够操作船上的医疗设备——但如果需要复杂的手术，而患者又无法迅速送回地球，那么受过训练的人员就只能在有限的工具和经验下继续进行。值得庆幸的是，他们迄今为止所面临的最糟糕情况是血栓。

为了应对这些不可避免的危机，太空机构已经开始利用3D生物打印技术，为宇宙深渊和地面上的生命提供再生医学的革命性进步。研究人员在生物打印方面已经取得了长足的进步——这个过程就像3D打印一样，能够生成活体细胞和医疗产品——制造组织、皮肤移植物，最终制造出可供未来移植的完整器官，以及可以成为受伤宇航员“备用零件”的人工骨骼。

然而，随着对更小、更紧凑的技术的需求不断增长，另一类机器也正在飞速发展。能够伸展、挤压、弯曲甚至扭曲以完成任务的“软体机器人”，它们使用的材料受到人类皮肤等生物组织的启发，而不是像传统遥控系统那样使用刚性结构。波士顿大学专攻小型手术机器人机械工程设计的助理教授Sheila Russo表示，这使得机器人仪器能够更安全地与我们的身体互动，并让外科医生更精确、更准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，”Russo解释道。“我们工程师会倾听那些面临问题的人，然后我们想用工程技术来解决这个问题。”她喜欢以《超能陆战队》中的大白（Baymax）为例，这是一个能够成功治愈病人的自主软体机器人，它可以利用装备的各种医疗设备，或者提供有用的建议。

尽管正在开发的这些小玩意儿（目前还）不能轻易地通过拥抱来减轻任何人疼痛（还不行），但它们轻便且生产成本相对较低，易于运输到偏远地区，Russo说道。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自适应软体机器人来解决超声波的局限性。

随着这些原型在整个医学领域获得关注，仍然有许多曲折和挑战需要克服。但它们无限的潜力可以帮助人类在地球和星辰的极端环境中生存。

柔性现场3D生物打印机

梦之队： 新南威尔士大学

功能： 瑞士军刀

预计上市时间： 5-7年

flexible hose and print head for use in space — F3DB 的打印头使用液压系统向三个不同方向弯曲。新南威尔士大学医学机器人实验室

这款微型多功能机械臂（直径约0.8英寸）可作为医用内窥镜使用，能够直接在患者体内修复受损的身体部位。传统的设备依赖大型台式打印机来制造人造组织，这些组织可以保存并生长成熟，或者直接植入体内。但这种高成本的方法通常存在风险，例如在运输过程中对假器官造成结构性损坏，组织损伤，以及一旦将部件取出无菌环境后的污染。

而柔性现场3D生物打印机（F3DB）则通过微小切口或自然腔道（如口腔或肛门）进入人体难以到达的区域。“人体大约90%的结构是管状的，”新南威尔士大学悉尼分校的讲师、该项目负责人之一Thanh Nho Do说道。“如果你能开发出这项技术，（机器人）就可以沿着这个路径向任何期望的方向导航。”

一旦定位到目标区域，F3DB的多轴打印头就安装在一个蛇形伸缩臂上，其喷嘴可弯曲至三个不同方向打印，输送水来冲洗血液和组织，并充当电外科刀来标记和切除癌变病灶或肿瘤。Do表示，它在应用上的多功能性非常强，可能成为医疗专业人员的一体化手术工具。

尽管该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（一种充满传感器的设备，可以传递触觉信息）来操作该设备，以便有一天该系统可以在极端环境（如空间站或月球或火星定居点）中轻松控制。

3D生物制造设施

梦之队： Redwire Space

功能： 膝关节置换

预计上市时间： 5-10年

Astronaut on ISS — 自2023年1月起，国际空间站宇航员一直在对BFF进行测试。NASA

作为国际空间站的最新成员， 3D生物制造设施（BFF）和先进太空实验处理器是两个独立的载荷，组合起来形成一个强大的3D生物打印实验室。Redwire的研究人员与ISS国家实验室和统一服务大学健康科学中心生物技术中心合作，计划利用它在太空重建人类膝盖的一部分——特别是半月板，这是一种帮助吸收冲击并稳定关节的软骨。如果成功，这将是帮助治疗地球上美国军人严重膝关节损伤的第一步。

“撕裂半月板是我们军人最常见的问题之一，如果不是‘最’常见的话，”航空航天制造公司首席科学家Ken Savin说道。“这是一个很多人日常都会遇到的问题，也适用于普通大众，所以这是一个很好的目标。”该打印机本身大小与宿舍冰箱相当，它将预先收集的成人干细胞培养成一种称为生物墨水的溶液。

在加热、补充液体营养并刺激生长后，这种混合物可以在国际空间站上分层成精确、超精细的结构，然后运回地球。Savin表示，强大的重力会导致软组织像水一样散开，但在太空，由于国际空间站固有的微重力，它们可以保持形状。

“当你消除重力时，你就打开了一个全新的科学领域，”Savin说道。“它允许你做一些以前看不见的事情。”一旦国际空间站退役（将在2030年后发生），Redwire打算继续在其计划中的蓝色起源空间站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Savin预计这将是许多其他医学突破的垫脚石，包括个性化心脏贴片，以恢复心脏功能。根据3D打印组织的大小，生产可能需要不到一天的时间。而且，BFF不会仅仅通过这种方式推动解剖学技术。随着未来的商业化，这个便携式实验室将有助于器官捐赠的等待者避免漫长的等待时间和质量不佳的无机替代品。

软体生长机器人

梦之队： 明尼苏达大学

功能： 无限拉伸的管子

预计上市时间： 10年以上

在实验室实验中，这种受植物启发的机器人从液体溶液中生长出来，沿着轨道移动。Matthew Hausladen / Ellison Group / 明尼苏达大学

受植物根系、花粉管和真菌的启发，明尼苏达大学的工程师们最近开发了一种工艺，使软体机器人能够表现出一种称为“顶端生长”的运动，这种运动以前只在自然界中观察到。生物体使用这种方法在其身体末端添加新细胞，使它们能够随着时间的推移生成大型、特定结构的物体，轻松穿越崎岖的地形，并通过光或化学信号等外部刺激进行导航。

2022年，研究人员通过一种称为光聚合的技术，在他们自己的机器人原型中模拟了这一过程，该技术利用光将液态分子转化为固态材料。这是一种在医学领域流行的3D打印策略，特别用于创建患者身体的精确解剖模型，但在这种新颖的应用中，它允许软体机器人在导航复杂环境的同时，从液态单体溶液中构建自身的身体。

这种像毛毛虫一样的装置能够执行许多探索任务，它蜿蜒前行，生长速度可达每分钟约5英寸，伸展长度可达约5英尺，并能避开甚至偏转障碍物，到达人体最深处。根据明尼苏达大学机械工程副教授、项目成员Timothy Kowalewski的说法，这种工具可能对妇科和泌尿科等医学领域特别有帮助。他还认为它可以在自动化插管和心脏病治疗等手术中发挥作用，在这些手术中，软性导管被推入血管以稳定患者。

BioPrint急救手持生物打印机

梦之队： 德国航空航天中心

功能： 细胞创可贴

预计上市时间： 5-10年

small gunlike tool with red wheels floats in zero gravity — 这款手持生物打印机于2022年初首次亮相国际空间站。Matthias Maurer / ESA / NASA

并非所有软体机器人都是为了用花哨的机械部件将人类变成赛博格。德国航空航天中心开发的一种生物打印机原型，旨在加速宇航员自身的愈合过程，该项目经理Michael Becker说道。

与太空医疗领域的其他创新一样， BioPrint急救手持生物打印机将使用宇航员在任务前收集的细胞，准备个性化的生物墨水盒，用于紧急伤口治疗，如修复表浅伤口甚至骨折。这款设备可能是太空中第一款手持式生物打印机，它看起来像一把紧凑的胶枪——配有打印头、导轮，以及可以存放两个生物墨水盒的空间，以便于取用和使用。

虽然该机器被设计成完全手动操作，但实际打印过程只需几分钟，Becker解释说。“你基本上把打印机放在手臂上或其他地方，然后沿着受伤的皮肤移动。”喷嘴然后挤出溶液，形成一层类似膏药的伤口覆盖物。2021年，欧洲航天局宇航员Matthias Maurer在地球上的训练期间使用模拟细胞演示了这项技术，并在2022年执行Cosmic Kiss任务期间在国际空间站上再次演示。

在长途太空飞行中携带手持生物打印机，可以使乘员能够快速提供个性化的医疗护理，但创作者需要先克服两个障碍：确定一次星际航程需要多少生物墨水盒，以及如何将它们储存在稳定的环境中。“目前的挑战是创造一种墨水，让这些细胞能够在长期任务中存活，”Becker说。

该团队希望这款对宇航员友好的工具能找到替代用途，例如在南极等严酷环境的研究任务中，或者用于卧床不起的病人。