人間の体を治癒したり、新しい体を作ることもできる宇宙ロボット5台

人類の多くの可能性のある未来の 1 つとして、酸素の乏しい大気の中で雲を裂く山々を登ったり、さまざまな異星の風景にある低く暗いクレーターの地図を作成したりする任務を負った勇敢な探検家たちが、危険な偵察遠征中に負傷して死ぬことは決してないだろう。また、致命的な傷を癒す超充電ハイパースリープ チャンバーのおかげで、病気になったり遺伝子損傷を受けたりすることもないだろう。現在の宇宙飛行士は、準備不足でいるという贅沢は許されない。その代わり、特に月の裏側を超えて長期の宇宙飛行を実験する場合は、あらゆる種類の医療事故に対処できるように備えなければならない。

現在の有人宇宙船には、乗組員を助けるための緊急用品が満載されている。ほとんどはバンドエイドやアスピリンなどの日常的なものだ。だが、ヒドロモルフォン注射やあの有名なスペースブランケットなど、より特殊なアイテムもある。国際宇宙ステーション（ISS）の宇宙飛行士は、病気を治療し健康を維持するために、これらの品や遠隔医療通話に頼ってきたが、実は、別の惑星にいることで、緊急医療の能力に深刻な打撃を与える可能性がある。NASAは、乗組員全員が船内の医療機器の取り扱いについて訓練されていると述べているが、複雑な手術が必要で、患者をすぐに地球に帰還させることができない場合には、訓練生は限られた道具と経験で手術を進めなければならない。ありがたいことに、彼らがこれまでに遭遇した最悪の事態は血栓だ。

こうした避けられない危機に備えるため、宇宙機関は 3D バイオプリンティングの科学に着目し、宇宙の深淵や地上の生命の再生医療に革命をもたらそうとしている。研究者らはすでにバイオプリンティング (3D プリンティングに似た方法で生きた細胞や医療製品を生成するプロセス) で大きな進歩を遂げており、組織、皮膚移植、そして最終的には将来の移植用の臓器全体、さらには負傷した宇宙飛行士の「スペアパーツ」になり得る人工骨も作成している。

しかし、より小型でコンパクトな技術の需要が高まるにつれ、別の種類の機械が新たな高みへと急成長している。「ソフトロボット」は、従来の遠隔操作システムで使用されている硬い構造ではなく、人間の皮膚などの生体組織からヒントを得た素材で作られており、伸ばしたり、圧迫したり、曲げたり、さらにはねじったりして作業を実行できる。これにより、ロボット器具が人体とより安全に相互作用できるようになり、外科医はより正確かつ精密に複雑な手術を行うことができると、小型手術ロボットの機械工学設計を専門とするボストン大学の助教授、シーラ・ルッソ氏は言う。

「私は、患者の生存を助けるロボットを作る分野で働いています」とルッソ氏は説明する。「私たちはエンジニアとして、問題を抱える人々の声に耳を傾け、ロボットによる解決策を設計したいと考えています。」彼女は、さまざまな医療機器を装備したり、役立つアドバイスを提供したりして人々を治療することに成功した自律型ソフトロボットの架空の例として、ベイマックスを挙げるのを好む。

開発中のロボットは、（まだ）抱きしめるだけで痛みを和らげることはできないが、軽量で製造コストが比較的安いため、遠隔地への輸送が容易だとルッソ氏は言う。例えば、英国キングス・カレッジのある研究室は、高エネルギー音波に耐えられる適応性のあるソフトロボットを開発することで、超音波の限界に対処しようとしている。

これらのプロトタイプが医療分野で広く普及するにつれ、解決すべき問題や課題がまだ山積している。しかし、その無限の可能性は、人類が地球上や宇宙での極限状況に耐えるのに役立つかもしれない。

フレキシブルなIn Situ 3Dバイオプリンター

ドリームチーム：ニューサウスウェールズ大学

機能:スイスアーミーナイフ

予想納期: 5～7年

医療用内視鏡のように機能するこの小型多機能ロボット アーム (直径約 0.8 インチ) は、患者の体内で直接損傷した身体部位を修復するために使用できます。従来のデバイスは、大型のデスクトップ プリンターを使用して人工組織を作成し、成熟するまで保存して成長させるか、直接身体に移植します。しかし、この高コストの方法は、輸送中に人工臓器に構造的な損傷が発生したり、組織が損傷したり、部品が滅菌環境から取り出された後に汚染されたりするなどのリスクを伴うことがよくあります。

一方、フレキシブル インサイチュー 3D バイオプリンター (F3DB) は、小さな切開や口や肛門などの自然の開口部から、体の届きにくい部分にアクセスして機能します。「人体の約 90% は管状の構造になっています」と、ニューサウスウェールズ大学シドニー校の上級講師で、このプロジェクトのチームリーダーの 1 人であるタン・ニョ・ド氏は言います。「この技術を開発できれば、[ロボット] はこれに沿って任意の方向に移動できます。」

F3DB の多軸プリントヘッドは、蛇のような伸縮式アームに取り付けられており、ターゲットエリアに配置されると、ノズルを曲げて 3 方向にプリントし、水を噴射して血液や組織を洗い流し、電気メスとして機能して癌性病変や腫瘍をマークして切除します。用途が非常に多様であるため、医療専門家向けのオールインワン手術ツールとして使用できる可能性があります、と Do 氏は言います。

このツールが人間に試験されるまでには、まだ5年以上かかるが、研究者たちは触覚技術（触覚情報を伝達できるセンサーが詰まった装置）を使ってデバイスを操作し続けることを計画しており、将来的には宇宙ステーションや月面や火星の居住地などの極限環境でもシステムを簡単に制御できるようになるだろう。

3Dバイオファブリケーション施設

ドリームチーム:レッドワイヤースペース

機能:膝関節置換術

予想納期: 5～10年

ISS に最近追加された 3D バイオファブリケーション ファシリティ (BFF) と先進宇宙実験プロセッサは、2 つの別々のペイロードで、これらを組み合わせることで強力な 3D バイオプリンティング ラボが構築されます。Redwire の研究者は、ISS 国立研究所および米国陸軍医療科学大学バイオテクノロジー センターと連携して、これを使用して宇宙で人間の膝の一部、具体的には衝撃を吸収して関節を安定させる半月板、軟骨を再現することを計画しています。成功すれば、地球にいる米国軍人の重度の膝の負傷の治療に役立つ第一歩となる可能性があります。

「半月板断裂は、わが軍が抱える最も一般的な問題の一つです」と、航空宇宙製造会社の主任科学者ケン・セイビン氏は言う。「これは多くの人が抱える日常的な問題であり、一般の人々にも当てはまるので、取り組むべき素晴らしいターゲットです」。寮の冷蔵庫ほどの大きさのプリンター自体は、事前に採取した成人の幹細胞をバイオインクと呼ばれる溶液に培養する。

温められ、液体の栄養分が与えられ、成長を促された後、混合物は ISS 内で精密な超微細構造に積層され、その後地球に輸送される。強い重力により軟組織は水たまりのように広がるが、宇宙では ISS 特有の微小重力によりその形状を維持することが期待できるとサビン氏は言う。

「重力を取り除くと、まったく新しい科学分野が開かれます」とサビン氏は言う。「それまでは見えなかったことや見えなかったものが見えてくるのです」。国際宇宙ステーションが廃止された後（2030年以降）、レッドワイヤーはブルーオリジンが計画している宇宙ステーション「オービタルリーフ」で​​バイオ製造研究をさらに進めていくことを目指している。

同社は現在、半月板プロジェクトの初期計画段階にあるが、サビン氏は、このプロジェクトが、心臓機能を回復させる個別心臓パッチなど、他の多くの医療の進歩への足がかりになると期待している。3D プリントされた組織のサイズにもよるが、製造にはおそらく 1 日もかからないだろう。そして、BFF が解剖学技術を前進させる方法はこれだけではない。将来的に商業化されれば、このポータブル ラボは、臓器提供を希望する人々が長い待ち時間や、標準以下の無機物による置換を避けるのに役立つ可能性がある。

柔らかく成長するロボット

ドリームチーム：ミネソタ大学

機能:無限に伸びるチューブ

予想納期: 10年以上

ミネソタ大学のエンジニアは、植物の根、花粉管、菌類にヒントを得て、これまで自然界でしか見られなかった先端成長と呼ばれる動きをソフトロボットに実現させるプロセスを最近開発しました。生物はこの方法を使用して体の先端に新しい細胞を追加し、時間の経過とともに大きくて特殊な構造を生成したり、厳しい地形を容易に横断したり、光や化学信号などの外部刺激を介して移動したりすることができます。

2022年、研究者たちは光重合と呼ばれる技術を使って、独自のロボットプロトタイプでこのプロセスを模倣することに成功した。光重合は、光を使って液体分子を固体材料に変える技術だ。これは医療分野では、特に患者の体の正確な解剖モデルを作成するためによく使われる3Dプリント手法だが、この新しいアプリケーションでは、ソフトロボットが複雑な環境を移動しながら、液体モノマー溶液から自分の体を構築することができる。

進路に沿ってそっと進みながら、さまざまな探索作業が可能なこのシャクトリムシのような装置は、毎分約 5 インチの速度で成長し、約 5 フィートまで伸び、障害物を回避したり、逸らしたりして、人体の最も深い部分に到達できます。ミネソタ大学の機械工学准教授で、このプロジェクトのメンバーでもあるティモシー コワレフスキー氏によると、このツールは、婦人科や泌尿器科などの医療分野で特に役立つ可能性があります。彼はまた、自動挿管や心臓発作治療などの処置にも違いをもたらすと考えています。これらの処置では、患者の状態を安定させるために、柔らかいカテーテルを血管に通します。

BioPrint FirstAid ハンドヘルドバイオプリンター

ドリームチーム:ドイツ航空宇宙センター

機能:携帯用バンドエイド

予想納期: 5～10年

ソフトロボットのすべてが、人間を複雑な機械部品を備えたサイボーグに変える目的ではない。ドイツ航空宇宙センターが開発したバイオプリンターの試作品の1つは、宇宙飛行士自身の治癒プロセスを加速するように設計されたと、このプログラムのプロジェクトマネージャーであるマイケル・ベッカー氏は言う。

宇宙中心のヘルスケアにおける他のイノベーションと同様に、BioPrint FirstAid ハンドヘルド バイオプリンターは、ミッション前に宇宙飛行士から採取した細胞を使用して、表面の損傷や骨折の修復などの緊急傷の治療用にパーソナライズされたバイオインクのカートリッジを準備します。おそらく宇宙初のハンドヘルド バイオプリンターであるこのデバイスは、コンパクトなグルーガンに似ており、印刷ヘッド、ガイド ホイール、および簡単にアクセスして使用できる 2 つのバイオインク カートリッジを収納できるスペースを備えています。

この機械は完全に手動で操作できるように作られているが、実際の印刷プロセスは数分しかかからないとベッカー氏は説明する。「基本的に、プリンターを腕かどこかに置き、傷ついた皮膚の上を走らせるだけです」。するとノズルが溶液を押し出し、石膏のような傷口を覆う。2021年、ESAの宇宙飛行士マティアス・マウラー氏は地球上での訓練中に模擬細胞を使ってこの技術を実演し、2022年にはISSでのコズミック・キス・ミッション中に再びこの技術を実演した。

長期宇宙飛行に携帯型バイオプリンターを携行すれば、乗組員は迅速に個人に合わせた医療ケアを提供できるようになるが、開発者たちはまず2つのハードルをクリアする必要がある。それは、特定の惑星間飛行に必要なバイオインクカートリッジの数を決定し、それを安定した環境で保管する方法を見つけることだ。「現在の課題は、これらの細胞が長期ミッションに耐えられるインクを作成することです」とベッカー氏は言う。

研究チームは、宇宙飛行士に優しいこのツールが、南極のような過酷な環境への研究ミッションや寝たきりの患者など、別の用途に使われることを期待している。

強磁性ソフトカテーテルロボット

ドリームチーム：華中科技大学

機能:磁気バイオプリンター

予定納期:数十年

強磁性ソフトカテーテルロボット（FSCR）は、人体内の組織や臓器を最小限の侵襲で印刷するように設計されたもう 1 つのロボットで、磁石を使って移動する点が他のロボットとは一線を画しています。

「この研究は、2つの非常に新しいアイデアを提供します」と、硬い機械と柔らかい人体の間の溝を埋めることを研究している華中科技大学のジャンフェン・ザン教授は言う。「1つは、最小限の侵襲でバイオプリンティングができることです。そしてもう1つは、それを行うために磁気システムを使用するということです。」

通常、こうした医療機器はモーターを使って患者の体内を移動します。しかし、ザン氏のグループは、カテーテル型ロボットの中心部に希土類金属のネオジム粒子を散布しています。このロボットは複雑な構造を作製できるバイオプリンターとしても機能します。このデバイスは、外部のコンピューター制御の磁石によって素早く操作され、狭く曲がりくねった環境内で薬剤や注入可能なバイオインクなどの材料を輸送できます。また、ネオジムは数百年にわたって磁性を保持するため、耐久性も非常に優れています。

研究者たちは、現在わずか1インチのこの装置をさらに小型化しようと取り組んでいる。将来的には、医師が装置の動きをより細かく制御できるようになり、放射性X線を使わずに複雑な処置を行えるようになるかもしれない。

「私たちは、磁気ロボットを使って、既存の技術ではできない病気を治療したり、精密な手術をしたりしたいのです」とザン氏は言う。「それが私たちの夢なのです。」

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