科学人物

福田敏男，微纳操作机器人领域的开拓者和引领者；2013—2014年IEEE第十区（亚太区）主席， 2017—2019年IEEE第十领域主席；原为日本名古屋大学教授。

福田敏男：微纳操作机器人开拓者在中国

在工厂中，工业机器人进行机械化的生产不仅解放了人类的双手，而且大大提高了工作效率，提高了产品的精度；在家庭生活中，服务机器人可以扫地、拖地、端茶等等，使人类更好地工作或者休息；在医院里，医疗机器人可以帮助医生完成手术，缩短了手术时间，提高了手术的成功率，也减轻了病人的痛苦；在执行特殊任务时，机器人可以代替人类到有污染、有辐射的危险地带或者人类不能抵达的艰苦地方去执行探测救援任务……诞生于1920年的科幻剧本——《罗萨姆的万能机器人》中的“机器人”，已经走进了人类的生活，它的样貌也早已突破了剧本中所描述的拥有人一样的外形。

然而，机器人绝不仅限于具有较大的体型，感知、决策、行动与交互技术的结合才是它的本质。你能想象未来的一天，重症患者急需的组织器官不再难以寻觅，而是由机器人根据人们的需要轻易地用一个个单独的细胞组装而成吗？甚或是微小的机器人直接钻入人类身体里完成手术，然后从眼角或者身体的其他某个地方再冒出来吗？微纳操作机器人的发展，使得这些看似疯狂甚至荒谬的想法成为可能。

一直致力于研究微纳操作机器人的福田敏男教授，是国际机器人领域的权威，同时也是世界公认的微纳机器人生物医学操作领域的开拓者和引领者。来北京理工大学之前，福田敏男在日本名古屋大学担任微纳机电系统中心的主任。2008年以来，福田敏男担任北京理工大学“特种机动平台设计制造科学与技术学科创新引智基地”的海外学术大师，2010年担任“仿生机器人与系统”教育部重点实验室的学术委员会委员，2014年荣获中国政府“友谊奖”。他的研究成果显著，主要有：开创了碳纳米管的微纳操纵技术，并开展纳米传感器和纳米驱动器的研究，为微纳操作机器人系统研究奠定了基础；提出了基于环境扫描电子显微镜的微纳操作机器人系统，可实现单细胞生物特性分析、纳米尺度条件下的原位检测与生物细胞的微纳操作；此外，还通过研究猿猴在树枝间的摆荡，提出了一种摆动控制器，使仿猿猴机器人可以在梯子连续几个梯级间自然平滑运动，为机器人的自然运动和智能控制研究起到了很大的推动作用。福田敏男先后担任多个国际重要学术职位，曾获得80多项重要国际学术奖励，其中包括由IEEE总部2010年颁发的机器人与自动化领域最高奖“终身成就奖”等。此次，针对微纳操作机器人，本刊专访了福田敏男。

如约来到福田敏男的办公室时，他正与学生聊得热闹。见到人来，他热情地打招呼，使人立刻感受到了他的活力。白色简洁的皮质沙发、一张放着鲜花的茶几、两张黑色优雅的办公桌、一块写满提纲的白色写字板以及一张悬挂在墙上的大合影，就构成了福田敏男在北京理工大学的办公室，简单、大方。

福田敏男从事微纳操作机器人方面的研究要从一个故事说起。

1984年的一天午后，福田敏男在一条小河中悠闲地划着小船，无意中发现水中有一些正在活动的生物，他非常好奇，就拿着空的饮料瓶俯下身去舀河里的水。后来，福田敏男把水带回学校，以便借助显微镜仔细观察它们。然而，他却惊奇地发现显微镜中的神奇世界超乎了他的想象——小水滴中竟然有如此多的微生物！福田敏男不自主地想用手去抓住它们，然而，对于微生物来说，手实在太大了，根本就不可能抓得住。好奇心驱使他一直在思索如何抓住如此微小的生物。可以说，福田敏男从事微纳操作机器人研究的灵感就来源于此。

图1 福田敏男神采飞扬地向记者介绍微纳操作机器人

后来，福田敏男开始探索如何设置一种特殊的装置来控制“抓取”这个动作的开合、握力的大小等等。在研究之初，福田敏男使用了压电致动器（PZT），他在世界上首次研制出针对微小生物目标的拾取装置。然而，这种装置太昂贵了，如何再把它做小、做便宜呢？他向一个研究中心实验室的朋友寻求帮助。再后来，他设计了一个装置，这个装置有开关，在显微镜的帮助下可以自动、灵活、自主地来抓住直径为100μm的微生物。这正是微纳操作机器人的雏形。

福田敏男用幽默诙谐的语言以及丰富的肢体动作讲述了这个故事，笔者仍然能感受到他当年的喜悦与激情。可以看得出，正是好奇心驱使着福田敏男走上了研究微纳操作机器人的道路。几十年的研究让福田敏男更能真切地理解好奇心在科学研究中的重要作用。采访中，他随手拿起桌上的一束鲜花，讲述着“这支红色花儿的叶子为什么对生，那支粉色花儿的叶子为什么互生；其实，能够产生这样的问题就是好奇心在作怪”。福田敏男尽全力地向我们传达着这一感悟，就像老师急切地想把他所知道的一切全部传授给他的学生。“好奇心是科技发展的驱动力”，福田敏男这样强调道。

不同于传统的机器人，微纳操作机器人具有极高的操作精度，能够在微米甚至纳米尺度下操作极小的目标，它可以快速精准地抓取、移动像细胞和碳纳米管一样微小的物体。

微纳操作机器人的高精度决定着它具有其他机器人不可比拟的优势，它操作端的“精细”使之能够完成传统大体型的机器人无法完成的工作。比如，在生产和制造业中，它使生产系统更加精益；在医疗领域，它可完成微创手术，或者以取自重症患者身体的单个细胞为原料，把它们按照特定的方式组装成组织器官来代替其严重受损的组织或者器官等等。微纳操作机器人的操作端虽小可是效率丝毫不会逊色，一群微纳操作机器人之间通过协同配合、高度智能的自动化操作以及一些独特的操作方法就可快速高效地完成任务。

然而，我们发展微纳操作机器人的原因不止于此，还因为它是一种“绿色的科技”。福田敏男详细地解释了这个“绿色的科技”：若在工业中的热交换系统中使用，可使该系统的功耗更小，排出的废弃物也更少，从而减小了对环境的污染；在生命科学领域中的新药测试与研发中使用，仅需要一块极小的组织甚至是一个细胞就可以进行药物的快速测试，在日后的药物使用过程中还可针对不同患者进行用药前的测试，以决定是否用药以及用药的剂量，不仅节约了药物资源，减少了对人体的危害，并且还缩短了药物研发的周期；在保存血液时采用微纳操作技术，可以分离血液的不同组成部分，使血液保存时间得以延长，避免了血液的浪费。通常，血液中的白细胞与红细胞可以保存2个星期，而血小板的寿命只有3~4天，这就限制了血液的保存时间。若使用微纳操作技术将血小板单独分离出来，当需要使用血液时，再用人工的血小板与之前提取出血小板的血液混合，就使血液的保存时间延长至2周。

图2 面向人工组织构建的微米机器人协同操作系统

无疑，这种不仅在精度与效率上“高”，而且对环境“绿”的优点为微纳操作机器人赢得了广阔的发展空间。

微纳操作机器人可在微米甚至纳米空间进行操作，因此，利用它可以制作体积非常小的机器人——微纳机器人，其微小体型决定着它的应用比传统较大体型的机器人更加广泛。理论上，微纳机器人可以构建所有的物体。

在医疗领域，微纳机器人能够应用在临床的检验与诊断等方面，比如可以完成定点药物输送、癌症治疗、新药测试与研发等。在2014年初，就有媒体报道了韩国全南大学细菌机器人研究所研发出世界首个可治疗癌症的纳米机器人，可对大肠癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高发性癌症进行诊断和治疗；2015年初，又有报道称美国加利福尼亚大学的研究人员研制出的纳米机器人可携带药物进入活体生物体内进行释放，无任何副作用，且这些机器人成功地进入活的老鼠体内完成了任务。

除在医疗上的应用，微纳操作机器人还可以用在传感器的生产制造中。福田敏男举了一个在汽车上使用的例子，比如安全气囊的打开与否是由安装在汽车上的加速度等传感器来决定的，通过微纳操作技术生产出来的传感器体积更小而且精度更高。与此同时微纳技术还可以应用在锂电池中，使电池更耐用；用在打印机喷头中，使打印更快速，打印出的文字或图片更细密、美观；用在存储数据的硬盘中，其容量更大……福田敏男一口气举出了很多这样的例子。

在福田敏男的实验室里，我们看到了可以进行3D细胞组装的微机器人系统，它基于细胞群的模块化加工与多机器人协同组装，实现了人体功能性组织自下而上型仿制。它的特点是由在轨4自由度多微米机器人组成，基于策略数据库与视觉反馈实现了微观多机器人协同控制，操作精度达30nm，集成组装的功能化模块精度高于200μm，它可应用于细胞操作、细胞组装及主流微纳米材料操作与分析。它基于打印模式的微小血管支架构造机器人集微流道技术、芯片实验室技术、机器人技术、视觉控制技术、细胞培养技术于一体，涉及多个领域的前沿学科，是世界微小血管制造的新兴研究方向，处于国际先进水平。在该支架中加入血管细胞，利用血管细胞和可降解支架的复合培养来构建具有生物活性的、有功能的小直径血管替代物，解决目前外科手术中代替小直径血管（直径<6mm）支架材料来源极其有限的困境以及人工再生组织器官缺少微血管网络的难题。

不仅如此，微纳操作机器人在军事上的应用前景也非常诱人。很多军事专家预言，微纳机器人将在世界上引领一场真正意义的战争革命，其作战理念与方法会发生根本性的改变，而这一切都依赖于微纳操作机器人的发展。

微纳操作机器人如此广泛的应用，使得很多国家制定相关战略或计划，投入巨资抢占这一新科技的战略高地。

微纳操作机器人的研究已经走过30余年。目前，这个领域仍处于朝气蓬勃、不断成长的“青年”阶段。

谈及微纳操作机器人的发展方向，福田敏男说，它会向着“尺寸逐渐变小，精度逐渐变高”的方向发展。福田敏男绘声绘色地向我们描述了1966年《神奇的旅程》这部电影中的情景——科学家被缩地非常小，注射入人体内完成了手术。说到兴奋之处，福田敏男把笔者比作神通广大的机器人，忽地钻进身体里去完成任务，忽地又钻进眼镜的支架上……

正如这个例子，微纳操作机器人将来的发展不仅会体型更小、效率更高，而且也会更容易嵌入到各种物体上去。

谈及来中国的原因，福田敏男说，虽然中国在传统的体型较大的机器人领域做了大量研究，但是在微纳操作机器人方面开展的研究并不多，因此，中国在微纳操作机器人领域有着更大的发展空间。目前，中国与日本在微纳操作机器人领域的差距大概有5~10年的时间，然而，微纳操作机器人在中国的研究正呈线性向上发展，与日本的差距会很快缩小。

近些年来，虽然中国在不断地强调产业化，但是，作为微纳操作机器人领域的开拓者和引领者，福田敏男表示他更愿意做基础性的研究。虽然中国在微纳操作机器人领域已经初步取得一些成果，但是还远远不够。福田敏男指出，微纳操作机器人研究的基础不仅要牢固，也要广泛，把基础打牢才能将产业化做得更好，中国在微纳操作领域需要更多基础性的研究成果。这正是福田敏男希望带给中国的。

与福田敏男的交谈在欢快中结束。平日里的福田敏男，非常和蔼、友善，对待学生也是如此。“当我们在日本名古屋大学交流学习时，福田老师会带着我们吃遍名古屋”，福田敏男的学生高兴地向我们述说着他们去名古屋大学交流时的美好时光。然而，学生坦言，这样一位和蔼的教授，当遇到学术问题时，也会展现出非常严厉的一面。与此同时，福田敏男的学生们不断地强调能够跟随这样一名杰出的学者学习是多么的幸运，以及他们对于中国微纳技术的发展是多么的有信心。

的确，在拜访福田敏男之后，我们深感中国微纳操作机器人的研究之路将越走越顺。

致谢：感谢北京理工大学博士王化平、博士研究生刘晓明对本文的贡献。