據(jù)約翰娜·克魯因（Johanna Kluin）講述，2016年她構(gòu)想出這種全新類型的人工心臟的靈感來源出人意料地“低科技”：當時她的丈夫（一位野生動物攝影師）在荷蘭《NRC Handelsblad》報紙上的一篇關(guān)于軟體機器人技術(shù)的文章中指出了一個引人注目的圖片。
“那是一張軟體機器章魚的圖片，”克魯因回憶道。她是一名心臟外科醫(yī)生，也是荷蘭鹿特丹伊拉斯姆斯醫(yī)學(xué)中心（Erasmus Medical Center）的心胸醫(yī)學(xué)教授。“當我看到這張圖片時，我意識到如果把章魚翻過來，就能得到制造軟體機器人工心臟所需的所有組件。”這確實是一個概念上的飛躍，但既然克魯因的工作就是直接操作跳動的人體心臟，誰又能反對這個想法呢？
她開始思考：是否可以利用驅(qū)動機器人柔軟可充氣人工肌肉的技術(shù)（這些肌肉能讓章魚的觸手無需外部電子控制就能運動），來產(chǎn)生類似人類心臟的“脈動”泵血功能。此外，克魯因認為，柔軟、可變形且具有順應(yīng)性的軟體人工心臟或許能以更符合生理學(xué)的方式推動血液流動，從而避免如今剛性人工心臟常見的血栓和感染問題。
那么，究竟是什么引發(fā)了她的興趣呢？這源于軟體機器人技術(shù)——該技術(shù)旨在制造出能夠與生物體（從水果蔬菜到動物和人類）安全互動的變形、可順應(yīng)的自動化裝置。例如，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可充氣的軟體機器人夾具可以巧妙地抓取并扭轉(zhuǎn)果實，而不會使其受損；在娛樂領(lǐng)域，充滿氦氣的軟體機器鳥和魚可以在人群上方無害地飛行，由于它們輕便且可變形，即使墜落也不會造成危險。像哈佛大學(xué)的Octobot這樣的項目正在推動軟體機器人技術(shù)的發(fā)展。
為了驗證這種技術(shù)是否真的能幫助心臟病患者，克魯因聯(lián)系了《NRC Handelsblad》文章中提到的埃因霍溫理工大學(xué)（TU/e）的軟體機器人專家巴斯·奧弗維爾德（Bas Overvelde）。“報紙上提到了他的工作單位，于是我聯(lián)系了他。見面后我問他是否能夠制造出軟體機器人工心臟，他回答說‘可以’。”
九年后，奧弗維爾德和克魯因組成的團隊籌集了超過1400萬歐元（其中歐盟提供了310萬歐元，荷蘭政府提供了1100萬歐元），開始研發(fā)他們稱之為“荷蘭混合心臟”（Holland Hybrid Heart）的項目。
進展迅速：他們已經(jīng)為該設(shè)備的早期版本申請了專利，部分版本已經(jīng)開始了動物實驗。2025年，他們在兩本重要科學(xué)期刊《Nature Communications》和美國科學(xué)促進會（American Association for the Advancement of Science）的《Science Advances》上發(fā)表了關(guān)于兩種軟體機器人工心臟原型的積極研究成果。
推動他們研發(fā)這種軟體人工心臟的動力，源于心血管疾病（尤其是心力衰竭）這一全球性難題。
根據(jù)醫(yī)學(xué)期刊《The Lancet》的數(shù)據(jù)，目前全球約有2%的成年人患有心力衰竭，即心臟變得過于僵硬或無力，無法正常泵血。克魯因的團隊估計，目前全球有2300萬人患有心力衰竭，而且隨著人口老齡化，這一情況可能會更加嚴重。美國心臟協(xié)會預(yù)測，到2030年，僅美國就有800萬患者（每33個美國人中就有1人）將患上心力衰竭。
目前，對于晚期心力衰竭患者，移植捐獻的心臟是最佳治療方法；但由于全球捐獻心臟短缺，患者通常需要植入輔助裝置來維持生命，直到接受心臟移植。
患者所需的輔助裝置取決于心臟哪個部位需要支持。心臟是一個四腔器官，包括左右心房（接收血液）和左右心室（將血液泵回體內(nèi)）。如果左心室受損（這是心力衰竭的常見情況），患者可以植入左心室輔助裝置（LVAD）；如果兩個心室都功能衰竭，則需要植入全人工心臟（TAH）。
全人工心臟發(fā)明于1970年，它在等待移植期間起到了關(guān)鍵的生命維持作用，至今已有超過2000名患者使用了這種裝置。但這類裝置體積龐大、笨重且剛性較強，容易引發(fā)患者免疫系統(tǒng)的排斥反應(yīng)。克魯因解釋說：“這些裝置有很多問題，只能在醫(yī)院內(nèi)使用，患者在使用數(shù)周或數(shù)月后生活質(zhì)量極差。”
心室輔助裝置也存在問題。克魯因指出：“LVAD通過血液中的螺旋結(jié)構(gòu)推動血液連續(xù)流動，但這種非脈動的方式可能導(dǎo)致血液凝結(jié)，患者需要服用抗凝藥物，從而增加出血風(fēng)險。”此外，LVAD的電源線從患者腹部伸出到背包，容易引發(fā)感染。
他們需要的是一種基于柔軟、生物相容性材料的新型全人工心臟，這種心臟應(yīng)能像天然心臟一樣跳動，尺寸和形狀也要與天然心臟相似，使患者能在醫(yī)院外正常生活。克魯因強調(diào)：“我們希望血液流動方式與天然心臟一致，最重要的是要以生理學(xué)上自然的方式泵血。”
然而，生物醫(yī)學(xué)工程師馬齊亞爾·阿爾法伊（Maziar Arfaee）指出，僅靠軟體機器人技術(shù)還不足以實現(xiàn)這一目標。他與埃因霍溫理工大學(xué)的奧弗維爾德共同領(lǐng)導(dǎo)著阿姆斯特丹荷蘭研究委員會（AMOLF）的混合心臟研究項目。阿爾法伊表示，他們還在研究電池技術(shù)和無線能量傳輸方面的進展，希望能開發(fā)出無需外部電源的自主驅(qū)動心臟。
在這方面，混合心臟的軟體機器人技術(shù)還需要盡量減少對體外電子設(shè)備的依賴。阿爾法伊的靈感來自某些番茄醬瓶蓋上的塑料閥門：輕輕擠壓瓶蓋就能產(chǎn)生持續(xù)的氣流，使閥門反復(fù)開合，無需使用振蕩電路。通過調(diào)節(jié)氣流頻率，可以調(diào)整脈動頻率。
這種“番茄醬原理”被應(yīng)用于克魯因團隊正在測試的兩種軟體機器人工心臟輔助裝置中。
第一種設(shè)計是由熱塑性聚氨酯（TPU）和尼龍材料制成的軟質(zhì)全人工心臟。
該設(shè)計中，一個類似天然心臟隔膜肌肉的充氣執(zhí)行器位于左右心室之間，通過氣流使血液進出心室。阿爾法伊解釋說：“我們借鑒了天然心臟的隔膜結(jié)構(gòu)，在心室之間放置了一個氣囊來推動血液流動。”
在這個系統(tǒng)中，脈沖由反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，外部微控制器感知血壓并控制隔膜的脈動。長期目標是將所有實時計算和傳感電路集成到人工心臟中，使其無需外部設(shè)備即可工作。
阿爾法伊還表示，他們還希望開發(fā)出自供電、無線充電的心臟，從而擺脫對外部電源的依賴。
在這方面，混合心臟的軟體機器人技術(shù)還需要減少對外部電子設(shè)備的依賴。阿爾法伊的靈感來自番茄醬瓶蓋上的閥門：輕輕擠壓瓶蓋會產(chǎn)生氣流，使閥門反復(fù)開合。
這種“番茄醬原理”也被應(yīng)用于兩種軟體機器人工心臟輔助裝置中。
他們的第二個設(shè)計是一個單心室裝置，用于測試3D打印執(zhí)行器在心臟輔助系統(tǒng)中的作用。這種執(zhí)行器在工業(yè)軟體機器人領(lǐng)域越來越受歡迎，有望用于LVAD或全人工心臟。
所有這些設(shè)計都致力于實現(xiàn)更接近天然心臟的功能。生物醫(yī)學(xué)工程師馬齊亞爾·阿爾法伊表示，他們還在研究電池技術(shù)和無線能量傳輸?shù)倪M步，希望開發(fā)出無需外部電源的心臟。
觀察者們認為，軟體機器人技術(shù)還有其他優(yōu)勢。英國巴斯大學(xué)（University of Bath）的機械工程高級講師凱瑟琳·弗雷澤（Katharine Fraser）指出，軟體機器人技術(shù)有助于減少現(xiàn)有輔助裝置導(dǎo)致的血栓和感染問題。
弗雷澤指出：“旋轉(zhuǎn)葉輪或機械閥門間隙會對血液造成損傷，而軟體機器人技術(shù)能更溫和地泵血，從而避免這些問題。”
所有輔助裝置都需要動力來源，現(xiàn)有裝置通常依賴氣動或液壓系統(tǒng)，但這些途徑容易導(dǎo)致細菌感染。阿爾法伊建議使用無線電力傳輸來避免這些問題。
目前，他們的動物實驗表明，這種技術(shù)已取得初步成功：他們的人工心臟讓一只山羊存活了50分鐘。他們的最終目標是讓動物（山羊和綿羊的心臟大小與人類相似）存活三個月，預(yù)計四年后可以實現(xiàn)這一目標。如果獲得更多資助和監(jiān)管許可，他們將開展人體試驗。
“我們?nèi)栽诓粩喔倪M設(shè)計，”克魯因說，“希望未來能實現(xiàn)只有一個原型在動物身上進行測試。”
她對這項技術(shù)的未來充滿期待：“作為心臟病專家，我們見過許多因缺乏捐獻心臟而死亡的患者。我們希望能實現(xiàn)這一目標，讓這些患者重獲新生。”
保羅·馬克斯（Paul Marks）是一位駐英國倫敦的科學(xué)和技術(shù)記者。
