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一个远程手术机器人将前往国际空间站进行测试

在不久的将来,NASA和其他空间机构将把宇航员送到近地轨道(LEO)之外,这是50多年来的第一次。但与阿波罗时代不同的是,这些任务将包括宇航员在月球上度过更长的时间,以及往返火星的旅行(其间需要几个月的表面操作)。除此之外,还有对近地轨道和顺月空间的商业化计划,这意味着,数以百万计的人可以在地球以外的太空栖息地和地表定居点生活。

上图:谢恩·法瑞特,Virtual Incision 的联合创始人兼首席技术官。

这带来了许多挑战,其中包括病人和伤者可能会缺乏执业医生来进行救命的手术。为了解决这个问题,内布拉斯加大学林肯分校(UNL)内布拉斯加大学创新校园(NIC)的谢恩·法瑞特(Shane Farritor)教授和他的同事们,开发了微型体内机器人助手(MIRA)。2024年,这个便携式微型机器人辅助手术(RAS)平台将被送往国际空间站(ISS)执行测试任务,以评估其在太空进行医疗程序的能力。

谢恩·法瑞特是内布拉斯加州大学大卫和莱德尔工程学教授,曾在麻省理工学院研究机器人。作为他研究的一部分,他与美国宇航局肯尼迪航天中心、戈达德航天飞行中心和喷气推进实验室合作,支持美国宇航局的火星探测漫游者(MER)计划。这包括协助设计和组装“好奇号”和“毅力号”探测车,确定它们的运动规划,并发明了一种使用探测车的太阳探测器来确定其行进方向的方法。

2006年,他和前内布拉斯加大学医学中心(UNMC)外科教授德米特里·奥列尼科夫(Dmitry Oleynikov)在NIC成立了一家名为“虚拟切割(Virtual Incision)”的创业公司。2022年4月,法瑞特获得内布拉斯加州大学颁发的“学院知识产权创新和商业化奖”。近20年来,法瑞特、奥列尼科夫和他们的同事一直在开发 MIRA 机器人手术套件,已经吸引了超过1亿美元的风险投资。

最近,美国宇航局通过美国能源部 (DoE) 建立的“刺激竞争研究计划(EPSCoR)” 向“虚拟切割(Virtual Incision)”授予了 100000 美元的赠款,以帮助 NIC 的工程师和机器人专家为在国际空间站上的测试做好准备。

与传统的机器人手术套件相比,MIRA 具有两个优势。首先,它的器械可以通过小切口插入,允许医生进行微创手术(如腹部手术和结肠切除术)。其次,该技术可以实现远程医疗,外科医生可以远程执行手术,并为远离医疗机构的地点提供服务。

在地球上,这项技术已经使医生能够帮助那些偏远地区的人们,而这些地方的医疗服务不是很容易获得。然而,MIRA 技术还有一个额外的好处,就是可以自主进行手术,这意味着在月球和火星上服务的宇航员可以接受医疗护理,而不需要人类外科医生。虚拟切割公司首席执行官约翰·墨菲在最近的一次公司新闻发布会上说:

“虚拟切割(Virtual Incision)MIRA 平台旨在以小型化尺寸提供大型机器人辅助手术设备的功能,目标是使地球上任何手术室都可以使用机器人辅助手术(RAS)。与 NASA 在空间站上的合作,将测试 MIRA 如何使手术即使在最遥远的地方也能进行。”

上图:内布拉斯加州工程研究生瑞秋·瓦格纳在调整 MIRA 手术机器人。

在接下来的一年里,谢恩·法瑞特教授将与工程学研究生瑞秋·瓦格纳(Rachael Wagner)合作,为 MIRA 在国际空间站上的操作做准备。瑞秋·瓦格纳在2018年获得机械工程学士学位后一直在虚拟切割公司任职。他们的合作将包括编写软件,配置MIRA,使其适合于一个实验储物柜,并测试设备,以确保它足够坚固,可以在火箭上发射,并在太空中根据需要发挥作用。

2021年8月,作为美国食品药品监督管理局 (FDA) 调查设备豁免 (IDE) 临床研究的一部分,MIRA 成功进行了首次远程手术。该手术由内布拉斯加州林肯市布莱恩医疗中心的迈克尔·a·约布斯特(Michael A. Jobst)医生实施,包括右半结肠切除术(切除一半的结肠),在结肠内通过一个切口完成。迈克尔·a·约布斯特医生表示:

“MIRA平台是普外科真正的突破性平台,能成为世界上第一个使用该系统的外科医生,令人无比欣慰。手术进展顺利,患者恢复情况良好。我很高兴能参与推动机器人辅助手术的第一步,这对患者有明显的好处。”

在另一项实验中,前(NASA退休)宇航员克莱顿·安德森(Clayton Anderson)在约翰逊航天中心操作 MIRA,指挥它在1450公里外的内布拉斯加大学医学中心的一间手术室里,执行类似手术的任务。在国际空间站即将进行的测试中,MIRA 将在没有控制器的帮助下自主操作。为了进行测试,机器人将切割绷紧的橡皮筋(模拟皮肤),沿着金属丝推动金属环(模拟精细操作)。

上图:谢恩·法瑞特教授和实验室的 MIRA 手术机器人。

瑞秋·瓦格纳解释道:“这些模拟非常重要,因为我们将在测试期间收集所有数据。”这次测试将是机器人迄今为止最自主的操作,这是为了节省空间站的通信带宽,并将宇航员花在实验上的时间最小化。然而,这项任务的目标并不是展示机器人的自主性(这仍然是有限的),而是在零重力下微调机器人的操作。这些实验将有助于验证未来在近地轨道内外执行长期任务的技术。

谢恩·法瑞特教授表示:“美国宇航局有长期太空旅行的雄心勃勃的计划,重要的是测试技术的能力,在数月或数年的任务中将会是有益的。MIRA 继续推动 RAS 可能的边界,我们对其迄今为止在临床试验中的表现感到满意。随着太空旅行对人类来说越来越现实,我们很高兴能更进一步,帮助确定未来可能发生的事情。”

随着人类离地球越来越远,他们将需要尽可能地自给自足。在月球、火星和深空的其他地方,补给任务是不切实际的,就像让医生或病人往返于这些地方一样。这意味着,除了能够自己种植食物、利用当地资源满足需求、依靠生物再生生命支持系统和在当地发电外,他们还需要提供医疗和手术等基本服务。

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