В космосе человека поджидает не меньше опасностей, чем на Земле. А когда начнется активная колонизация других миров, их станет еще больше. Вполне вероятно, что оказывать первую помощь астронавтам начнут роботы — их заметно проще доставить на место в короткие сроки. Некоторые устройства уже успешно используются в космической практике.
Современная космомедицина
Сегодня космические корабли оснащены разнообразными медицинскими средствами. Среди них есть повседневные — пластыри и аспирин, — а также специализированные медикаменты. Например, вакцина гидроморфона.
На Международной космической станции (МКС) астронавты зависят от этих материалов и телемедицины для поддержания здоровья. Но важно помнить, что нахождение в космосе значительно усложняет оказание неотложной медицинской помощи. Конечно, члены экипажа обучены использовать медицинские приборы на борту, даже при необходимости сложных операций они не растеряются, хотя и приходится полагаться на ограниченные ресурсы и навыки. К счастью, самое серьезное, с чем они пока сталкивались до сегодня, — это тромбы.
Биопечать и гибкие роботы
Чтобы предусмотреть возможные угрозы, космические агентства все больше обращаются к 3D-биопечати. Эта технология вполне возможно таит революцию в медицине как для космоса, так и для жизни на Земле. Исследователи уже достигли успехов в биопечати, создавая живые клетки и медицинские изделия по примеру стандартной 3D-печати. Они печатают ткани, лоскуты и, в перспективе, целые органы для будущих трансплантаций, а также искусственные кости, которые могут стать «запасными частями» для травмированных астронавтов.
С ростом потребности в компактных и эффективных технологиях возрастает роль «мягких роботов». Они способны растягиваться, сжиматься, гнуться и даже скручиваться для выполнения своих задач. Их изготавливают из материалов, похожих на живые ткани, а не из жестких структур, применяемых в традиционных роботах. Это позволяет медицинским инструментам безопасно взаимодействовать с телом человека и обеспечивает хирургам возможность проводить сложные операции с высокой точностью. Об этом рассказывает Шейла Руссо, профессор Бостонского университета, специализирующаяся на создании миниатюрных хирургических роботов.
Профессор работает в области, занимающейся созданием роботов, которые могут помочь пациентам выжить. «Мы, инженеры, прислушиваемся к людям с проблемами и стремимся разработать роботизированное решение», — рассказывает она. Руссо часто ссылается на героя Baymax из фильма «Город героев», как на вымышленный пример автономного мягкого робота. Он успешно лечит людей с помощью различных медицинских устройств или просто дает полезные советы.
Уже созданные устройства — это легкие и относительно недорогие в производстве гаджеты. Благодаря этому их не так сложно транспортировать в отдаленные места. Например, лаборатория в Королевском колледже в Великобритании пытается преодолеть ограничения ультразвука, создавая адаптируемых мягких роботов.
Такие роботы становятся все более популярными и востребованными. Но остается еще много проблем, которые необходимо решить. Их огромный потенциал может помочь людям справляться с экстремальными условиями как на Земле, так и в космосе.
1. Гибкий 3D-биопринтер
Разработчики: Университет Нового Южного Уэльса
Функция: Медицинский «швейцарский нож»
Ожидаемое время начала использования: 5−7 лет
Эта крошечная многофункциональная роботизированная рука, диаметром около 0,8 дюйма, напоминает медицинский эндоскоп. Ее используют для фиксации поврежденных частей внутри организма. Многие разрабатываемые сегодня технологии задуманы для работы в паре со стационарным биопринтером. На них можно будет печатать искусственные ткани, которые затем либо сохраняются и выращиваются до зрелости, либо сразу имплантируются в тело. Этот метод часто сопряжен со множеством рисков. Например, можно повредить искусственный орган во время транспортировки или загрязнить ткань после извлечения из стерильной среды.
В отличие от этого подхода, гибкий 3D-биопринтер (F3DB) позволяет добраться до труднодоступных участков тела через небольшие разрезы или естественные отверстия, такие, как рот или анус. «Около 90% человеческого тела имеет трубчатую структуру», — объясняет старший преподаватель Университета Нового Южного Уэльса Тхань Нхо До, один из руководителей команды проекта. «Если вы разработаете соответствующую технологию, [роботы] смогут двигаться по этим путям в любом заданном направлении».
Многоосная печатающая головка F3DB размещается на выдвижном рычаге и устанавливается в заданной области тела человека. Она может подавать воду для очистки от крови и тканей, а также выступать в роли электрического скальпеля для выявления и удаления раковых поражений или опухолей. Универсальность устройства делает его потенциально незаменимым хирургическим инструментом, считает До.
Хотя до тестирования этого инструмента на людях еще далеко, исследователи планируют продолжать использовать тактильные технологии — устройства с сенсорами, передающие тактильную информацию — для управления прибором. Это позволит использовать систему в экстремальных условиях, таких, как космические станции или поселения на Луне и Марсе.
2. Завод по производству 3D-биоткани
Разработчики: Redwire Space
Функция: Замена коленного сустава (сейчас), создание других имплантов (в перспективе)
Ожидаемое время начала использования: 5−10 лет
На борту МКС размещено два новых устройства: установка для 3D-биофабрикации (BFF) и процессор для передовых космических экспериментов. В совокупности они представляют собой мощную лабораторию для 3D-биопечати. Сотрудничая с Национальной лабораторией МКС и Центром биотехнологий Университета военной службы, исследователи из Redwire планируют применять эти устройства для создания частей человеческого колена в космосе. В частности, мениска — хряща, который обеспечивает амортизацию и стабилизацию сустава. Это могло бы стать значительным шагом в лечении тяжелых травм колена.
«Разрыв мениска является одной из самых распространенных проблем для представителей разных профессий, например, спортсменов или военнослужащих», — говорит Кен Савин, главный научный сотрудник Redwire Space. Принтер размером с небольшой холодильник использует для печати предварительно собранные стволовые клетки, растворённые в специальных биочернилах.
После предварительной подготовки смесь можно наносить слоями, образуя искусственный материал, а затем возвращать его на Землю. Здесь сильная гравитация заставляет мягкие ткани расплываться, но в микрогравитационной среде МКС они удерживают свою форму, объясняет Савин.
«Когда исключаешь гравитацию, открываешь новый мир науки», — говорит Савин. — «Это позволяет создавать и наблюдать то, что было невозможно на Земле». После вывода МКС из эксплуатации (планируется после 2030 года), Redwire продолжит свои исследования на новостроящейся космической станции Blue Origin Orbital Reef.
Хотя проект по созданию мениска все еще находится на ранней стадии планирования, Савин уверен, что он станет фундаментом для многих медицинских изобретений. Среди них, например, индивидуальные сердечные пластыри, восстанавливающие функциональность сердца. В зависимости от их размера, изготовление может занимать менее дня. Но это не единственное, чем BFF может способствовать развитию анатомических технологий. Такая портативная лаборатория сократит время ожидания донорских органов и исключит необходимость в их замене из-за низкого качества импланта.
3. «Мягкорастущий» робот
Разработчики: Университет Миннесоты
Функция: Бесконечно растущая трубка
Ожидаемое время начала использования: более 10 лет
Исследователи из Университета Миннесоты находят вдохновение в структуре корней растений, пыльцевых трубочек и грибов. Ученые придумали, как сделать мягких роботов подвижными. В природе такой метод используется для добавления новых клеток в процессе развития различных отростков. Благодаря этому растения создают сложные структуры, преодолевают трудные ландшафты и реагируют на внешние стимулы, такие, как свет или химические сигналы.
В 2022 году ученые смогли воспроизвести этот процесс в своем роботизированном прототипе, применив технику фотополимеризации. Это метод преобразования жидких молекул в твердые материалы под действием света. Он часто используется в медицинской 3D-печати для создания точных анатомических моделей. В этом же случае фотополимеризация позволяет мягкому роботу формировать свое тело из раствора жидкого мономера, а это очень полезно для передвижения в сложных условиях.
Этот робот, напоминающий червя, может выполнять различные исследовательские задачи, двигаться со скоростью до 13 см в минуту, обходить препятствия и проникать в самые труднодоступные участки тела человека.
По словам Тимоти Ковалевски, адъюнкт-профессора машиностроения в Университете Миннесоты, робот может быть очень полезен в медицине, особенно в гинекологии и урологии. Кроме того, это устройство улучшит процедуры автоматической интубации и лечения сердечных приступов, где мягкие катетеры вводятся по кровеносным сосудам для стабилизации состояния пациента.
4. Ручной биопринтер BioPrint FirstAID
Разработчики: Немецкий аэрокосмический центр
Функция: Пластырь для клеток
Ожидаемое время начала использования: 5−10 лет
Не все мягкие роботы созданы для того, чтобы превращать людей в киборгов с причудливыми механическими аугментациями. Например, прототип биопринтера, разработанный Немецким аэрокосмическим центром, создан для ускорения процесса восстановления астронавтов. Об этом рассказал Майкл Беккер, руководитель проекта.
Как и многие другие космические медицинские инновации, ручной биопринтер BioPrint FirstAID будет использовать клетки, взятые у астронавтов до их полета. Он сможет создать персонализированные картриджи с биочернилами. С помощью таких чернил в экстренных случаях можно будет лечить раны, поверхностные повреждения и даже переломы костей. По внешнему виду биопринтер напоминает небольшой клеевой пистолет с печатающей головкой, направляющими колесиками и местом для хранения двух картриджей с биочернилами для удобного доступа.
Устройство полностью ручное, а сам процесс печати занимает лишь несколько минут, объясняет Беккер: «По сути вы надеваете принтер на руку или прикладываете его к поврежденной коже и проводите по ране». Сопло выдавливает раствор, создавая покрытие, похожее на пластырь.
Наличие портативного биопринтера при длительных космических миссиях позволит экипажу быстро оказывать персонализированную медицинскую помощь. Однако перед этим создателям нужно решить две задачи: определить количество необходимых картриджей с биочернилами для конкретного межпланетного путешествия и выяснить, как сохранить их в стабильных условиях. «Сейчас наша задача — создать чернила, которые позволят этим клеткам сохраняться в течение долгосрочных миссий», — говорит Беккер.
Команда надеется, что этот удобный для астронавтов инструмент также найдет применение, например, в исследовательских миссиях в суровых космических условиях, например, в Антарктиде. Он также пригодится пациентам, прикованным к постели.
5. Робот с ферромагнитным мягким катетером
Разработчики: Университет науки и технологий Хуачжун
Функция: Магнитный биопринтер
Ожидаемое время начала использования: десятилетия
Этот робот задуман для минимально инвазивной печати тканей и органов внутри человеческого организма. Он выделяется среди аналогов благодаря своему уникальному ферримагнитному мягкому катетеру (FSCR), который передвигается с помощью магнитов. «В этом исследовании представлены две принципиально новые идеи», — отмечает профессор Цзяньфэн Занг из Университета науки и технологий Хуачжун. — «Во-первых, с его помощью можно выполнять минимально инвазивную биопечать, а во-вторых, используется магнитная система».
Обычно медицинские машины этого типа для перемещения по телу пациента используют двигатели. Однако команда Занга применяет частицы редкоземельного металла неодима, они распыляются по корпусу робота. При помощи внешнего магнита, управляемого компьютером, это устройство может быстро перемещать лекарства или биокраски для инъекций через узкие и извилистые пространства организма. Неодим примечателен еще и тем, что сохраняет свой магнетизм на протяжении сотен лет.
Исследовательская группа работает над дальнейшей миниатюризацией устройства, которое и сейчас-то имеет размер в доли дюйма. В будущем это позволит врачам более точно контролировать движения инструмента и проводить сложные процедуры без использования радиоактивного рентгеновского излучения.
«Мы мечтаем использовать магнитных роботов для лечения различных заболеваний и выполнения точных операций, невозможных с помощью существующих технологий», — делится Занг.
