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生物医疗制造功 引领科研越险峰——站在外行角度谈《机器人微纳生物组装与生物制造》读后感

已有 258 次阅读 2024-9-10 22:20 |系统分类:博客资讯

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《机器人微纳生物组装与生物制造》2019年9月由国防工业出版社出版，作者王化平为北京理工大学机电学院教授、博士生导师，该书是“‘十二五’国家重点图书出版规划项目”《微纳米技术丛书·MEMS与微系统系列》中的一种，全面介绍了微纳机器人技术在生物操作与生物制造中的应用，重点阐述了“毫-微-纳”多尺度机器人自动化操作在生物细胞分析、人工组织制造以及生物医学应用方面的原创性研究成果。毫无疑问，这是一部专业性非常强的学术著作，作为这个领域的外行，我试着从以下三个方面谈谈自己的读后感。

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一是作者为什么要写《机器人微纳生物组装与生物制造》？换一句话说，这本书的写作背景是什么？也即这个领域是如何发展起来的？研究这项技术又有什么意义？原国防科工委主任丁衡高院士在丛书《序》中写道：“1994年11月2日，我给中央领导同志写信并呈送所著《面向21世纪的军民两用技术——微米纳米技术》的论文，提出微米纳米技术是一项面向21世纪的重要的军民两用技术，它的出现将对未来国民经济和国家安全的建设产生重大影响，应大力倡导在我国及早开展这方面的研究工作。”丁院士的建议获中央高度重视，国家次年即成立国防科技微米纳米重点实验室，从“九五”就开始设立微米纳米技术国防预研计划，并一直支持到“十二五”。由此可见，我国在这一领域布局很早，高层充分认识到了研究这项技术意义的重大。

微纳米操作机器人可谓微纳米技术的一个重要方向。早在1959年12月29日，美国理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼在一次学术演讲中就首次提出了纳米技术，并预测了这一神奇技术的广阔应用前景；费曼当时的博士生阿尔伯特·希布斯随即提出了“吞噬外科医生”的大胆构想，并指出“或许可以在体内永久植入一些微小机器来协助某些功能不足的器官正常工作”。纳米技术概念由此产生，同时预示微纳米机器人与纳米医学时代的到来。

作为当前多学科交叉新兴研究领域，人工组织与器官制造技术以构建与人体真实组织具有相似结构和功能的替代品为目标，在人体器官衰竭、失效、癌变等重大疾病的治疗、新药研发与筛选中潜力巨大，并有望从根本上解决器官移植中供源不足、免疫排斥等高难问题。因此，该领域的应用前景十分广阔，值得期待。

传统的组织工程技术以生物兼容或生物可降解材料为原料，通过构建具有特定三维形貌的细胞支架并实现种子细胞的着床生长，已能构建一批应用于临床的人体组织替代品。然而，受细胞支架制备精度、生物材料降解速率和细胞生长速度可控性等限制，现有技术仍难以构建从宏观形貌到微观特性均能模拟人体真实结构的人工组织。因此，研发高精度、高稳定、高效率的生物操作与生物制造技术，实现模块化组织工程对复合型高精密人工组织的高通量、自动化制造，是未来人工组织走出实验室继而投入临床应用的关键所在。

《机器人微纳生物组装与生物制造》就是在这样的背景下完成并出版的一部学术著作，书中内容就是在解决人工组织走出实验室以实现投入临床应用征程中所遇到的各种关键技术问题的有益探索，毫无疑问，研究这项技术意义重大、前景广阔。

二是机器人微纳生物组装与生物制造技术目前发展到了什么样的水平？这个问题实际上确定了这部学术著作的质量、水平和出版价值。中国科学院外籍院士、北京理工大学外籍教授福田敏男教授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，他曾在日本名古屋大学担任微纳机电系统中心主任，2008年受聘担任北京理工大学“特种机动平台设计制造科学与技术学科创新引智基地”海外学术大师，2010年担任“仿生机器人与系统”教育部重点实验室学术委员会委员，2014年荣获中国政府友谊奖。福田敏男院士开创了碳纳米管的微纳操纵技术，为微纳操作机器人系统研究奠定了基础；他还提出了基于环境扫描电子显微镜的微纳操作机器人系统，借此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。

本书作者王化平博士2012年至2014年在名古屋大学做访问学者时就师从福田敏男教授，现在又是福田敏男教授的同事，在同一领域携手攻关。王教授一直从事微纳机器人与生物制造技术研究，首次实现了具有环境感知自形变能力的微机器人构建及其在活体内的一体化作业，先后在Science Advances、Nature Communications、IEEE Trans.等国际名刊发表30余篇SCI论文，取得了令人瞩目的学术成就，成为该领域的后起之秀。

丁衡高院士在《序》中介绍，“十几年来，经过国防预研、重大专项、国防‘973’、国防基金等项目的支持，我国已经在微惯性器件、RF MEMA、微能源、微生化等器件研究，以及微纳加工技术、ASIC技术等领取取得了诸多突破性进展，我国的微米纳米技术研究平台已经形成，许多成果取得了国家级的科技奖励。同时，（我国）已经形成了一支年富力强、结构合理、有影响力的科技队伍。”《机器人微纳生物组装与生物制造》就是该领域这些重要科技成果的重要体现之一，王化平本人就是这支“年富力强、结构合理、有影响力的科技队伍”中的重要一员。

本书介绍了微纳机器人技术在生物操作与生物制造中的应用，重点阐述了生物细胞与人工组织的机器人化微纳操作与微纳加工方面的原创性研究成果。全书共9章，层层递进，环环相扣，构成了一个完整的机器人微纳生物组装与生物制造技术体系。前4章重点介绍有关机器人微纳生物操作的基本概念、基础理论、发展概况和研究方案，针对人工组织与器官的机器人化微纳生物制造这一新兴多学科交叉技术，全面阐述了液相环境下机器人与生物目标的多尺度交互总体方法、生物微纳操作中涉及的物理理论、细胞化组装模块的加工方法和生物微纳操作方法，为读者阅读、理解后五章详细介绍的五种人工微组织最新组装技术奠定了理论基础。第5章至第9章为全书重点，这五章详细论述的在人工组织制造领域中应用的跨尺度机器人协同生物组装、光致电沉积生物组装、流体动力学交互生物组装、微纤维片加工，以及磁控微操作生物组装等5类关键技术，集中呈现了作者在该领域取得的最新原创性成果。

《机器人微纳生物组装与生物制造》一书基于作者长期在微纳操作机器人与微纳生物制造领域的理论探索和技术积累，紧密结合组织工程与再生医疗国际前沿研究，不仅系统介绍了机器人微纳生物操作相关理论，还对机器人化人工组织制造研究方案与典型案例进行了深入分析；书中内容既涵盖了人工组织的生物制造及应用、典型机器人化生物制造技术的基本概念与研究进展，还重点突出了王化平教授研究团队在该领域的长期经验积累。因此，全书的质量和水平以及出版价值自然不言而喻。

三是机器人微纳生物组装与生物制造技术未来的发展方向、前景如何？关于这个问题，作者在《机器人微纳生物组装与生物制造》一书里并没有进行专门的论述，但书中内容却隐含了这一技术领域目前所遇的挑战、未来的发展方向、技术路径和发展前景，详情可见第一章“机器人化微纳生物制造技术”中的第四节内容。值得欣喜的是，在笔者撰写这篇书评时，王化平与侯尧珍合著的《微纳机器人生物操作与生物制造》新近又由国防工业出版社出版，对全书的内容进行了修订和补充。侯尧珍博士也是福田敏男的博士生，目前正在福田先生名下从事博士后研究工作，是继王化平之后这个领域更年轻一代的优秀学者。

微纳米机器人在原理上可以看作一个具有输入和输出端的装置，其输入端是人体和一些外在的信号，经过微纳机器人处理后会产生相应的输出。不同于宏观机器人，微纳米机器人无法外接电线，也无法携带电池为其供能，更不能通过装载电机来产生动力和运动。此外，在微观环境中，如何通过观察、无线遥控来实现微纳米机器人按指令进行运动和作业，也是需要攻克的技术难题。微纳米机器人由于尺寸太小，目前要想把它的驱动、控制和功能各自单独实现还是能找到办法，但要想使三者同时实现却面临许多技术挑战。

近年来，新兴先进材料和纳米技术推动了微纳米机器人领域快速发展，研究涉及从分子层面的可控自组装分子马达、DNA折纸，到微纳尺度的复合式机械传动装置、可重构式柔性变体微机器、杂交式生机电系统、集成式微电子微机器、交互式纳米脑机接口，以及如扑翼式机械昆虫的毫米级微型机器人等，都成为中外研究者竞相探索的前沿方向。在王化平教授看来，这些人造微机器具有尺寸微小、无损微创、超轻便携、操控精准、功能集成度高、易于大规模制造等独特优势，同时还具备超高灵敏度与响应能力、增强的稳定性与鲁棒性、极低的能量耗损等微尺度性能，因而在精准医学、环境工程、智能制造、生命科学，以及人工智能等众多领域具有广阔的应用前景。

以在医学领域的应用为例，微纳机器人在微创介入、靶向输运、快速救治、早期诊断，以及组织修复等精准医疗领域潜力巨大。展望未来，临床大夫可通过微纳机器人进入人体肝肾肿瘤、脑动脉瘤、外周组织器官，对微细供血动脉进行栓塞封堵或血栓清除；也可将微纳机器人通过蛛网膜下腔进入中枢神经系统，通过精准操控中枢神经系统，以实现有效控制或缓解晚期癌症患者剧烈疼痛的目的；还可利用植入式多传感器系统实现在体监测患者的生理体征等。

之外，微纳机器人也能在江河湖海污水净化、大气污染防治，以及生物降解与催化等环境工程领域发挥重要作用。专家们设想，这些微小智能体可在外场驱动下自组织群集运动，以此精准调控局部流场的微扰动，对特定环境条件进行趋向性响应，并通过携带、运载和释放生物酶或催化剂，有选择性地识别污染物，促进反应进程加快，从而大幅提高对有机分子、毒/核素、海洋油污、致病微生物、微塑料、重金属以及放射性等污染物的捕获、去除、降解的能力或修复效率。

由于自身尺寸极小，微纳米机器人具有极高的空间自由度、超冗余灵巧性，因而可潜入传统机器人无法到达的受限空间完成一系列精细化操作；在复杂三维超材料加工、微电子电路装配与封装、微腔道内探测与检修等高端装备制造领域，微纳机器人同样具有独特的优势。

正是在这个领域还存在许多挑战，有着更多令人神往的应用前景，因此，我相信，如果再修订《微纳机器人生物操作与生物制造》，作者一定会补上这方面的内容，并给读者带来更多的惊喜。有感于斯，谨填《南乡子》词一首，褒赞王化平教授团队，专此推荐《机器人微纳生物组装与生物制造》一书。

微纳显神通，生物医疗制造功。操作细胞惊世界，擒龙，突破前沿硕果丰。

学者绽新容，技术高精各不同。系统智能机器秀，追踪，引领科研越险峰。

注：本文刊载于2024年第3期《前瞻科技》“书阅科苑”栏目。如果您喜欢这篇文章，请在右下六边形“在看”处点一下，可推荐给更多人阅读。关注“携诗远行”微信公众号，可以阅读号主苏青更多原创文章。

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