組裝人體器官，竟然可以像拼樂高積木！北理工微納機器人技術不簡單

科技 09-26

文章來源：北京理工大學

說起樂高積木，大概很多人都有知道，這款世界經典的玩具，利用許許多多的積木單元可以組裝出各種各樣的造型。

可你是否想過，人體是否也能用「積木」組裝複製呢？把一個個最基本的細胞單元變作「積木」，組裝起來去複製人類的組織和器官。現在這項技術已經不是天方夜譚，而是真實的發生在北京理工大學的校園中，而開闢這個領域研究的正是IEEE第十領域（系統與控制）主席、中國科學院外籍院士、北京理工大學教授福田敏男，他「帶領」著自己的微納機器人們，在造福人類健康的道路上成績斐然，並不斷探索前行。

科學理想從「抓住水滴世界中的微生物」起步

1984年的某日午後，還是一位青年學者的福田敏男在河中划船時，發現水中有一些活動的微小生物，出於好奇，他將河水帶回了實驗室，用顯微鏡仔細觀察，小水滴中竟然有如此多的微生物！福田敏男不由自主地想用手去抓住它們，然而如此微小的生物手根本不可能抓得住。從此，在好奇心的驅使下，福田敏男一直在思索如何抓住如此微小的生物，這也成為啟發他從事微納操作機器人研究的靈感來源。

早期，福田敏男教授與同事共同研發壓電陶瓷驅動器技術，為製造高集成度的微納操作機器人做技術儲備

從1984年起，福田敏男針對顯微鏡下操作微生物開展了大量的理論研究，並逐漸形成了自己長遠的研究規劃，即參照在顯微鏡下操縱微生物的模式，構建操作細胞的工作方式，進而可以挑選優質細胞，並將其作為原材料搭建成人工的組織和器官。讓人體組織器官的複製，如同顯微尺度下的房屋搭建，並最終建立工業生產線，規模化的生產人工組織器官。帶著這個夢想，福田敏男開闢了面向人體器官再造的微納機器人生物醫學操作研究新領域。

科學的理想，離不開現實的基礎，福田敏男的計劃必須要依託微納米級的先進設備來實現，不僅要「看」到微納尺度，還要能在微納尺度上「做」，挑戰不小。要實現「看」，高精度的電子顯微鏡自然是首選，傳統光學顯微鏡能看到一根頭髮直徑大小，電子顯微鏡則能看到頭髮直徑的十萬分之一，但是要觀察只有頭髮直徑十分之一尺寸的普通人體細胞，還要實現對單個細胞的操作，甚至是局部進行切割、注射，電子顯微鏡不可或缺。而實現「做」的能力，則要將微納操作系統安裝到電子顯微鏡中，但在上世紀末，電子顯微鏡作為高端設備，價格昂貴，數量不多，這是沒有人敢想敢做的事情，更談不上開發納米級別的手術刀、鉗子、注射針等能夠在微納尺度下對細胞做手術的裝置。雖然面對許多困難與挑戰，但是福田敏男並未放棄自己的夢想，一直在研究蓄力。

「鑿開」昂貴的SEM 把機器人裝進顯微鏡

福田敏男在電子顯微鏡前觀測納米材料的結構

時光來到2000年，隨著機器人技術、精密製造、控制科學的快速發展，福田敏男實現夢想的技術條件逐漸成熟。2002年，福田敏男頂住壓力，大膽對昂貴的掃描電子顯微鏡(SEM)實施大型改造，他首先將基於壓電陶瓷驅動的高精密驅動器製造成集成度極高的操作機器人，同時使用先進的等離子刻蝕技術製備納米級別的末端執行器，也就是納米手術刀、納米鉗子等等，最後將這兩個部分整合為微納操作機器人，然後鑿開SEM高真空密封的腔室，將機器人系統裝入其中，成功實現了微納尺度下「看」與「做」的完美結合。

福田敏男到北理工任職後，搭建的首台基於宏微混合驅動與高速顯微視覺的微納機器人協同操作系統

由此，福田敏男首創了環境掃描電子顯微鏡（ESEM）下生物目標的機器人化操作系統與方法，從而結束了人類對單細胞等微納尺度活體目標只能看得到摸不到的狀態。基於該系統，福田教授相繼提出了基於「納米壓痕」操作理論的活體細胞切割、參數提取和篩選，這也成為世界上首個電子顯微鏡下生物細胞的機器人化操作理論體系，該研究受到世界各國的高度關注，在美國桑迪亞國家實驗室向美國能源部呈送的納米機器人研究年鑒中，不僅大篇幅的報道了福田敏男的研究，還稱其為「在納米操作機器人中全世界最具代表性的研究者」。福田敏男的研究也被各國媒體多次報道為「世界上最小的手術刀」。

光學顯微鏡下，對微血管的協同組裝過程

在北理工機器人「組裝」了一條人體微血管

實現檢測挑選單細胞，僅僅是福田敏男的科學夢想的開端，而如何用挑選出來的優質細胞按照人體組織器官的構成規律進行三維拼裝，從而以人為干預的形式構建人工組織與器官，最終應用於人體組織替換，這一造福人類的壯舉才是他的終極追求，這條科研之路不僅漫長且充滿挑戰。

在北理工，福田敏男與朵英賢院士（左一），機電學院李科傑教授（右一）、黃強教授（右二）合影

21世紀的第二個十年，帶著對科學夢想的執著追求，福田敏男來到了中國，來到了北京理工大學。面向世界一流大學建設，北理工長期關注世界科技前沿，對福田敏男的研究給予充分的肯定，對他的夢想充滿信心。北理工用誠意和尊重，誠邀福田敏男到中國繼續完成研究工作。經過深思熟慮，北理工的辦學特色和實力以及求賢若渴的誠意打動了他。2013年6月，福田敏男作為「外專千人計劃」全職教授入職北京理工大學。

福田敏男與自己在北理工培養的博士生們

引進人才，是為了讓人才能夠在北理工的沃土上實現夢想、結出碩果。為了幫助福田敏男迅速將科研工作開展起來，北理工整合辦學資源，克服困難，在人員、場地、設備和經費等方面為福田敏男提供了有力保障。在科研場地緊張情況下，學校迅速為福田敏男配備了150平米的實驗用房，並為實驗室建設提供了500萬元的啟動經費。之後，還為福田敏男團隊的5名博士生赴海外世界一流大學交流學習一年提供支持。種種有力舉措，在短時間內，幫助福田敏男在北理工組建起一支高水平、具有國際視野的科研團隊，福田敏男「細胞組裝、再造器官」的夢想在北理工落地生根。

跨尺度協同微納操作機器人組裝的微血管雛形

就像使用樂高積木建房子，首先需要的是有一塊塊可以用來組裝的「積木單元」。因此，「組裝」組織器官的第一步也需要將篩選獲得的細胞封裝成微型的「細胞積木」，俗稱「細胞支架」。對於單個細胞來說，支架就是包裹承載細胞的基礎，可以調節局部生物化學、生物力學和質量輸運微環境，以促進細胞活力和功能。而在更大尺度上，要想「組裝」出厘米規模的活性組織，甚至是完整的人體器官，必須通過對支架進行幾何裝配來實現，而支架不僅可以使得細胞效仿天然組織結構進行「組裝」，還將「服務」細胞以最優的組織形式進行大量的增殖，是體外器官的再造的關鍵基礎。

使用跨尺度協同微納操作機器人組裝模塊化人工微組織的整體流程

「細胞組裝」的道理雖然不難理解，但是力的變化卻讓微觀與宏觀呈現出兩個截然不同的世界。重力在微觀世界將失去效能，而各種微觀力，比如范德華力、靜電力和粘附力等卻「登台亮相」，這就使得在宏觀世界看起來非常簡單的抓舉、釋放、排列等動作，在對「細胞支架」進行微納尺度操作時，變得非常困難。因此，如何在微觀液體環境中實現對微小「細胞積木」的靈巧操作，是微納尺度機器人操作與組織醫學工程領域面臨的共同挑戰。

為攻克這一難題，福田敏男在北理工提出了微納操作機器人在人體微組織重構中的應用理論，以細胞化微裝配體為組裝單元，通過跨尺度多機器人的協同微組裝，實現功能化人體組織與器官的體外仿製，並搭建了一套基於宏微混合驅動與高速顯微視覺的微納機器人協同操作系統，通過跨尺度運動與組裝策略資料庫集成，實現了二維細胞微裝配單元的自動操作與高效三維組裝，操作精度高達30納米。憑藉這一先進的系統，該團隊在世界上首次實現了基於微納機器人生物操作的200微米直徑人工微血管的體外構建。

福田敏男為面向生物醫療與極端製造的先進機器人技術和再生醫療精密人工器官構建提供了全新方法，其研發的機器人系統也作為我國先進醫療診治機器人的代表被中央電視台等媒體予以報道，團隊先後在IEEE Trans.系列彙刊、ACS Applied Materials & Interfaces等國際知名期刊發表SCI論文22篇，在IEEE ICRA等機器人領域著名國際會議中獲優秀論文/提名獎7項。福田敏男因為在北理工開展的卓越工作，獲得了2014年中國政府「友誼獎」，並於2017年當選中國科學院外籍院士。

實現組織再造，科學夢還在延續

延長人類壽命，讓人永葆青春，是人類的終極夢想之一，這也是福田敏男的科學夢，在他的計劃中，完成對細胞的分離和篩選後，就要去實現用機器人生物製造方法「組裝」人體組織。

然而，人體組織的「組裝」在原理上看似簡單，但在實踐中可是困難重重，充滿許許多多未知的挑戰，其中人體組織生長過程中的營養吸收就是一道難關。真實人體的組織中遍布了不同尺寸的血管網路，微血管作為人體組織的基本單元，是為細胞輸送營養物質的唯一通道。但是受分子擴散原理的約束，細胞僅能從其周圍200微米範圍內吸收營養物質，因此，人體的微血管網路間距及血管直徑大多在這個尺度。目前，因為無法製備供給營養的微血管網路，所以在人體組織器官的重構領域，簡單的二維層狀人工皮膚組織和非活性的人工骨骼替代材料的研發較為多見。

通過微納機器人技術實現包括肝小葉等具有特定生物功能的人工組織製造的研究方法

人工微血管是構建複雜三維人工組織，並使其具有生物功能的必要條件，福田敏男突破了對微血管的機器人化構建，這為他繼續研究包括肌腱、神經等更為複雜的人體組織重構奠定了堅實的基礎。目前，福田敏男在北理工的研究已經逐步延伸到對神經組織、肝組織等具有特殊生物功能的人工組織的機器人化構建中。在不久的將來，功能化人工組織的構建如果得以實現，並能從醫學、生物學角度對其進行量化評估，那麼人體器官的再生將近在咫尺。

鑒於福田敏男在機器人、納米技術、生物醫學工程融合領域的突出成就，他已於2015年當選為國際電氣與電子工程師協會IEEE第十領域（系統與控制）主席。IEEE作為全球最大的非營利專業技術學會和全球最具影響力的國際學術組織之一，當選其分領域的主席，也意味著被學術科技界認定為世界範圍內該領域最具權威的科學家。值得一提的是，福田敏男這位北理工教授也是下一屆IEEE總主席（IEEE President）最熱門人選之一。

Hi~我理的福田敏男教授

福田敏男

Toshio Fukuda

福田敏男（Toshio Fukuda），「外專千人計劃」北京理工大學全職教授，博士生導師，中科院外籍院士。2013年至2014年擔任IEEE第十區主席，2015至今擔任IEEE第十領域主席，曾任IEEE納米技術學會首席主席（2002-2005），IEEE機器人與自動化學會主席（1998-1999），擔任IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 總編輯（2000-2002）等機器人與微納米生物醫學操作等領域多個國際雜誌主編。出版專著11部，發表SCI論文150篇，SCI總他引1400次，獲得80餘個重要國際學術獎勵，包括由IEEE總部2010年頒發的機器人與自動化領域最高獎「終身成就獎」及2014年由中國政府頒發的為表彰具有突出貢獻的外國專家而設立的最高獎項「友誼獎」。現為教育部「仿生機器人與系統」國際聯合實驗室及北京市「智能機器人與系統」高精尖創新中心學術指導委員會主任。

讓我們一起來了解一下

福田敏男教授擔任第十領域主席的IEEE究竟是個什麼組織吧

國際電氣與電子工程師協會

（IEEE）

國際電氣與電子工程師協會（IEEE）是全球最大的非營利專業技術學會，IEEE致力於電氣、電子、計算機工程、通信、自動化工程和與科學有關領域的開發和研究，現已發展成為全球最具影響力的國際學術組織之一。目前，IEEE在全球160多個國家擁有約42萬會員，領導39個專業學會及7個聯合會，被劃分為「系統與控制」等十大領域，其以IEEE Transactions系列為代表的出版物是電氣及電子工程、計算機及控制技術領域所公認最具權威與影響力的國際學術期刊，刊登文章總量占該領域全球發文量近1/3。

其中第十領域，即系統與控制領域，在IEEE十大領域中規模最大，領導IEEE Computational Intelligence Society、IEEE Control Systems Society、IEEE Engineering in Medicine and Biology Society、IEEE Photonics Society、IEEE Robotics and Automation Society、IEEE Systems, Man, and Cybernetics Society等6個專業學會和 IEEE Sensors Council、IEEE Biometrics Council、IEEE Systems Council 等3個聯合會。

看記者眼中的福田敏男教授