MIRA, das miniaturisierte robotergestützte Chirurgiesystem von Virtual Incision, ist in einer Position abgebildet, in der es Gummibänder erreicht, die als simuliertes chirurgisches Gewebe dienen.(Bildnachweis: NASA/Virtual Incision)
Sehr bald könnte ein Roboterchirurg seine Umlaufbahn um unseren Planeten beginnen – und obwohl es sich dabei nicht um eine metallische, humanoide Maschine mit weißem Kittel und Skalpell handeln wird, ist seine Aufgabe dennoch faszinierend.
Am Dienstag (30. Januar) werden Wissenschaftler mit dem Cygnus-Raumschiff von Northrop Grumman eine Reihe von innovativen Experimenten zur Internationalen Raumstation schicken. Es soll frühestens um 12:07 p.m. ET (1707 GMT) starten und, wenn alles nach Plan läuft, ein paar Tage später, am 1. Februar, an der ISS ankommen.
Eines der Experimente an Bord ist ein 0,9 kg schweres Robotergerät, etwa so lang wie Ihr Unterarm, mit zwei steuerbaren Armen, die jeweils eine Greifzange und eine Schere halten. Dieser von einer Firma namens Virtual Incision entwickelte Arztroboter soll eines Tages in der Lage sein, mit menschlichen Ärzten am Boden zu kommunizieren und sich selbst in einen Astronautenpatienten einzuführen, um medizinische Eingriffe mit hoher Präzision durchzuführen.
„Der fortschrittlichere Teil unseres Experiments wird das Gerät von hier in Lincoln, Nebraska, aus steuern und simuliertes chirurgisches Gewebe in der Umlaufbahn sezieren“, sagte Shane Farritor, Mitbegründer von Virtual Incision, bei einer Präsentation über Cygnus am Freitag.
Das Team setzt jedoch große Hoffnungen in die Zukunft, wenn Missionen zum Mond, zum Mars und darüber hinaus in der Weltraumforschung anlaufen. Die Weltraummedizin hat sich in den letzten Jahren zu einem heißen Thema entwickelt, da Raumfahrtagenturen und private Raumfahrtunternehmen Pläne für eine Vielzahl künftiger bemannter Weltraummissionen schmieden.
Das Artemis-Programm der NASA hofft beispielsweise, im Jahr 2026 den Mond zu betreten – und damit den Weg für den Tag zu ebnen, an dem die Menschheit sagen kann, dass sie den Roten Planeten erreicht hat. Und zusammen sollen diese Missionen den Weg für eine ferne Zukunft ebnen, in der die Menschheit in den Weltraum vordringt, vielleicht zur Venus oder, wenn wir wirklich träumen, über das Sonnensystem hinaus. Um die Sicherheit der Astronauten im Weltraum zu gewährleisten – einer Umgebung, für die sie im wahrsten Sinne des Wortes nicht geschaffen sind -, wollen die Wissenschaftler sicherstellen, dass die medizinische Behandlung im Weltraum zusammen mit den Raketen, die die Astronauten dorthin bringen, wo sie hinfliegen, Fortschritte macht.
Ein schnelles Beispiel, das mir in den Sinn kommt, ist, wie im Jahr 2021 der NASA-Flugchirurg Josef Schmid mittels HoloLens-Technologie zur ISS „holoportiert“ wurde. Es ist eine Art virtuelle Realität, die FaceTime mit erweiterter Realität verbindet, wenn das Sinn macht.
Hologramm medizinischer Fachkräfte auf der ISS am 8. Oktober 2021 durch die HoloLens-Technologie. (Bildnachweis: ESA (Europäische Weltraumorganisation) Astronaut Thomas Pesquet)Wie das Team erklärt, könnte diese Roboterchirurgie-Mission jedoch nicht nur Menschen zugute kommen, die die Leere des Weltraums erforschen, sondern auch jenen, die direkt hier auf der Erde leben. „Wenn man einen Spezialisten hat, der ein sehr guter Chirurg ist, könnte sich dieser Spezialist in verschiedene Orte einwählen und bei Fernoperationen helfen“, sagte Farritor. „Heute sind nur etwa 10 % der Operationssäle mit Robotern ausgestattet, aber wir sehen keinen Grund, warum das nicht 100 % sein sollten.
Der Untersuchungsschrank für die Robotic Surgery Tech Demo Untersuchung ist auf dem Boden zu sehen. Der Spind wurde so konzipiert, dass die Astronauten den „autonomen Modus“ einleiten und in den „Telechirurgie-Modus“ wechseln können. Der miniaturisierte Chirurgieroboter befindet sich im Inneren des mikrowellengroßen Spinds und wird durch menschliche Fernsteuerung und vorprogrammierte Bewegungen kontrolliert. (Bildnachweis: NASA/Virtual Incision)
Dies wäre ein entscheidender Vorteil für Krankenhäuser in ländlichen Gebieten, in denen weniger Spezialisten zur Verfügung stehen und in denen es nur wenige Operationssäle gibt. Tatsächlich wird Virtual Incision nicht nur von der NASA, sondern auch vom Militär finanziert, wie Farritor erklärte. „Beide Gruppen wollen an verrückten Orten operieren“, sagte er, „und unsere kleinen Roboter eignen sich hervorragend für diese Art von Mobilität.“
Das Roboterchirurgiegerät wird außerhalb seines Untersuchungsraums gezeigt. Die technische Demonstration der Roboterchirurgie wird die Leistung eines kleinen Roboters testen, der von der Erde aus ferngesteuert werden kann, um chirurgische Eingriffe durchzuführen. Die Forscher planen, die Verfahren in der Mikrogravitation und auf der Erde zu vergleichen, um die Auswirkungen der Mikrogravitation und der Zeitverzögerung zwischen Weltraum und Erde zu bewerten. (Bildnachweis: NASA/Virtual Incision)
Inhaltsübersicht
Was geht sonst noch nach oben?
Der kleine Roboterdoktor wird auf dem Cygnus-Raumschiff, das zur ISS fliegt, nicht allein sein. Während der gleichen Präsentation, in der Farritor über Virtual Incision sprach, erzählten andere Experten, was sie am kommenden Montag hochschicken werden.
Zum einen wird er einen Roboterfreund im Orbitallabor haben – einen Roboterarm. Dieser Arm wurde bereits in der Station getestet, aber bei dieser neuen Mission hofft das Team, ihn unter völlig drucklosen Bedingungen testen zu können.
„Ausstöpseln, wieder einstecken, Objekte verschieben – das ist die Art von Dingen, die wir bei der ersten Untersuchung gemacht haben“, sagte May Murphy, die Programmdirektorin des Unternehmens NanoRacks. „Wir werden die Komplexität erhöhen … wir werden die Werkzeuge, die wir verwenden, ausschalten, wir werden in der Lage sein, Schraubenzieher-Analoga und solche Dinge zu verwenden; das wird uns ermöglichen, noch mehr Arbeit zu leisten.“
„Wir können nicht nur etwas wegnehmen, mit dem die Besatzung Zeit verbringen müsste“, fuhr sie fort. „Jetzt haben wir auch die Möglichkeit, zusätzliche Arbeiten in raueren Umgebungen durchzuführen, denen wir die Besatzung nicht unbedingt aussetzen wollen.“
Die Europäische Weltraumorganisation wird unterdessen einen 3D-Drucker schicken, der kleine Metallteile herstellen kann. Ziel ist es, herauszufinden, wie sich die Struktur von 3D-gedrucktem Metall im Weltraum im Vergleich zu 3D-gedrucktem Metall auf der Erde verhält. Aus einem ähnlichen Grund werden auch 3D-gedruckte Halbleiter, Schlüsselkomponenten der meisten elektronischen Geräte, getestet.
„Wenn wir darüber sprechen, Fahrzeuge für längere Zeit im Weltraum zu haben, ohne Nachschub nach oben und unten bringen zu können, müssen wir in der Lage sein, einige dieser kleineren Teile im Weltraum zu drucken, um die Integrität des Fahrzeugs über die Zeit zu unterstützen“, sagte Meghan Everett, stellvertretende Wissenschaftlerin für das ISS-Programm der NASA.
Per Everett könnte dies den Wissenschaftlern auch dabei helfen, herauszufinden, ob bestimmte Materialien, die auf der Erde nicht 3D-druckbar sind, im Weltraum 3D-gedruckt werden können. „Einige vorläufige Daten deuten darauf hin, dass wir im Weltraum tatsächlich bessere Produkte herstellen können als auf der Erde, was sich direkt auf eine bessere Elektronik zur Energieerzeugung auswirken würde“, sagte sie.
Ein weiteres Experiment, das am Montag gestartet wird, befasst sich mit den Auswirkungen der Mikrogravitation auf den Knochenschwund. Unter der Bezeichnung MABL-A wird die Rolle der so genannten mesenchymalen Zellen (die mit dem Knochenmark verbunden sind) untersucht und wie sich diese Zellen verändern, wenn sie der Weltraumumgebung ausgesetzt sind. Dies könnte Aufschluss über den Knochenschwund bei Astronauten geben – ein gut dokumentiertes, schwerwiegendes Problem bei Weltraumforschern – sowie über die Dynamik der menschlichen Alterung. „Wir werden auch die Gene untersuchen, die an der Knochenbildung beteiligt sind, und wie sich die Schwerkraft auf sie auswirkt“, so Abba Zubair, Professor für Labormedizin und Pathologie an der Mayo Clinic.
Lisa Carnell, Abteilungsleiterin der NASA-Abteilung für biologische und physikalische Wissenschaften, sprach über die geplante Apex-10-Mission, bei der untersucht werden soll, wie Pflanzenmikroben im Weltraum interagieren. Dies könnte dazu beitragen, zu entschlüsseln, wie die Produktivität von Pflanzen auch auf der Erde gesteigert werden kann.
Computer und Netzhäute
Zwei weitere Schlüsselexperimente, die während der Präsentation besprochen wurden, sind ein Weltraumcomputer und ein künstliches Auge – genauer gesagt, eine künstliche Netzhaut. Beginnen wir mit letzterem.
Nicole Wagner, CEO eines Unternehmens namens LambdaVision, hat ein ehrgeiziges Ziel: Sie will Millionen von Patienten, die durch degenerative Netzhauterkrankungen wie Makuladegeneration und Retinitis pigmentosa im Endstadium erblindet sind, das Augenlicht zurückgeben.
Um dies zu erreichen, versuchen sie und ihr Team, eine künstliche Netzhaut auf Proteinbasis zu entwickeln, die durch ein Verfahren aufgebaut wird, das als „elektrostatische Schicht-für-Schicht-Abscheidung“ bekannt ist. Dabei werden mehrere Schichten einer speziellen Art von Protein auf ein Gerüst aufgebracht. „Stellen Sie sich das Gerüst wie ein dicht gewebtes Stück Gaze vor“, so Wagner.
Dieser Prozess kann jedoch, wie sie erklärt, auf der Erde durch die Auswirkungen der Schwerkraft behindert werden. Und jede Unvollkommenheit in den Schichten kann die Leistung der künstlichen Netzhaut ziemlich ruinieren. Wie sieht es also in der Mikrogravitation aus? Bis heute hat LambdaVision mehr als acht Missionen zur ISS geflogen, sagt sie, und die Experimente haben gezeigt, dass die Mikrogravitation tatsächlich homogenere Schichten und damit bessere dünne Filme für die Netzhaut erzeugt.
„Bei dieser Mission“, sagt sie, „wollen wir eine pulverisierte Form von Bakteriorhodopsin zur ISS schicken, die dann in einer Lösung resuspendiert wird, und wir werden spezielle Instrumente, in diesem Fall Spektrometer, einsetzen, um die Qualität und Reinheit des Proteins auf der Internationalen Raumstation zu untersuchen und den Prozess zu validieren, mit dem das Protein in Lösung gebracht wird.“
Stellen Sie sich vor, Ärzte könnten eines Tages ein paar künstliche Netzhäute in Auftrag geben, die im Weltraum entwickelt und dann auf den Boden gebracht werden, um sie einem Patienten einzupflanzen. Und dass dieser ganze Prozess jemandem sein Augenlicht zurückgeben könnte?
Was den Weltraumcomputer betrifft, so stellte Mark Fernandez, der Leiter des Projekts Spaceborne Computer-2, ein hypothetisches Szenario auf. Astronauten gehen auf einen Weltraumspaziergang, und nach ihrem Arbeitstag werden die Handschuhe auf Verschleiß untersucht“, sagte er. „Dies muss jeder Astronaut nach jedem Weltraumspaziergang tun, bevor die Handschuhe wieder benutzt werden können.“
Normalerweise, so erklärt Fernandez, macht das Team eine Reihe von hochauflösenden Fotos von den potenziell kontaminierten Handschuhen und schickt diese Bilder dann zur Analyse ein.
(Bildnachweis: NASA)
Diese Analyse, sagt er, dauert in der Regel etwa fünf Tage, bis sie abgeschlossen ist und zurückkommt. In der Hoffnung, das Problem zu lösen, hat das Team in Zusammenarbeit mit der NASA und Microsoft ein KI-Modell entwickelt, das die Analyse direkt auf der Station durchführen und problematische Bereiche markieren kann. Jeder Vorgang dauert etwa 45 Sekunden. „Wir werden von fünf Tagen auf nur wenige Minuten kommen“, sagte er und fügte hinzu, dass das Team auch DNA-Analysen, die normalerweise auf der Raumstation durchgeführt werden, in etwa 12 Minuten erledigt hat. Normalerweise, betonte er, würde das Monate dauern.
Das Team möchte jedoch sicherstellen, dass die Server von Spaceborne Computer-2 auf der ISS ordnungsgemäß funktionieren, daher die Cygnus-Nutzlast. Dies wird die dritte ISS-Mission des Unternehmens sein.
„Das ISS-Nationallabor hat so viele Vorteile, die es unserem Land bringt“, sagte Carnell. „Es schafft ein Universum neuer Möglichkeiten für die nächste Generation von Wissenschaftlern und Ingenieuren.“
