隨著科技的日益發展,機器人也開始慢慢成熟,開始作用於人類的生活、生產之中,機器人有多種類型,整體尺寸從微觀到宏觀不等。
通常,工業生產、服務行業和軍事戰爭中都能看到宏觀機器人的身影。然而,在某些特定情況,例如體內介入診斷和治療,宏觀機器人往往由於尺寸過大而應用受限。因此,微納機器人應運而生,該類機器人能在微納尺度上執行任務且具有優異的靈活性、適應性,此外,該類機器人還能以集群的方式協同作業。
在過去的幾十年,微納機器人儼然發展成為一個新的研究領域。其在生物醫學領域具有最廣泛的應用前景,如靶向藥物傳送與釋放、疾病診斷與治療等。此外,微納機器人在軍事方面也有著舉足輕重的地位,其在納米加工、高端製造和環境監測之中的應用也不容小覷。(微納機器人可以做到戰場上殺人於無形)
美國著名物理學家、「氫彈之父」愛德華·泰勒早在上世紀80年代就預言:哪個國家率先掌握納米機器人技術,就一定會在下世紀的世界軍事領域裡占據主導地位。
可能你覺得微納技術離你生活很遠,但事實上微納技術已經被植入大系統中。比如,汽車上的陀螺儀用於判斷姿態、方向,將微納技術注入陀螺儀,汽車的提前預警速度大大提高,對於人們安全出行大有幫助。
可以說這項技術是全世界各個國家都想掌握的超級技術。而中國在此領域更是處於世界領先水平。而這都得益於這位日本科學家。那就是微納機器人之父——福田敏男。
福田敏男是世界超一流科學家,國際電氣與電子工程師協會2020年度總主席,也是第一位亞洲人當選為總主席。
國際電氣與電子工程師協會(IEEE)於電氣、電子、計算機工程、通信、自動化工程等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,領導如機器人與自動化學會、計算機學會等38個專業學會。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。
福田敏男在微納機器人技術上做出的成就
從2008年開始,福田敏男就來到了中國工作,擔任北京理工大學老師。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,21世紀以來,隨著機器人技術、精密製造、控制科學的快速發展,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。
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作業系統與方法,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卻摸不到的狀態,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、參數提取和篩選的方法,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,福田敏男由此被稱為「微納機器人之父」。
人體功能器官的衰竭與組織缺失是當前發病率最高且最具威脅性的醫療難題,其治療費用高昂且治療過程風險性高。組織工程通過在體外構建與人體組織與器官相似的功能替代品,有效解決了異體組織器官移植中免疫排斥與供源不足等諸多問題。然而,目前人工組織器官的構建方法大多僅能實現功能簡單、形狀單一的結構,難以真實模擬人體組織器官的運作過程。
福田敏男創建了世界上首個跨尺度協同生物組裝微機器人系統,製作出世界上最小的人工血管,直徑為200微米的人工血管突破了毛細血管在微小之處無法實現氧分供應的瓶頸,將3D列印做出毫米級別的人工血管遠遠地甩在身後,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。將為人造器官替代衰死器官帶來了福音。
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。
福田敏男還打造了世界首個納米操作機器人系統實現了單細胞原位特性表征,為癌症等重大疾病診斷與個性化診療開創了新技術,被譽為未來高端醫療診治機器人的代表。
可以說福田敏男在微納機器人領域首創了多項技術,都是具有突破性貢獻的,他做出的成就將惠及千萬中國人!
福田敏男還成功地進行了世界上首次對碳納米管的三維操作,將三維操作縮小到10個納米之內,為半導體製造技術帶來了重大革新。他將中空的碳納米管注入金屬,兩端施加電壓,金屬融化但碳納米管由於熔點高完好如初,熔化後的組件就像沾了墨水的毛筆,一端可用金屬書寫各種形狀、結構,從而實現了納米的3D列印。
他還是將自動化技術應用在納米領域的第一人。通過機器人化的納米操作以及自動化技術,把塵埃的飄浮不定變成有規律的動作,目前已達10納米甚至以下的量級,有效地幫助工廠提升效率與精準度。
福田敏男在仿生機器人領域還首創了用於仿猿猴機器人的擺動控制器,在模塊化機器人領域建立了世界上首台動態自重構機器人等。
迄今為止,福田敏男出版11部專著,發表SCI論文150篇,SCI總他引1400餘次,多部專著已成為相關領域的經典著作,其中單篇他引最高次數為143次。
福田敏男對中國微納技術人才的栽培
福田敏男為中國培育了眾多的青年人才,迄今為止,迄今福田敏男培養的博士已超過100名。
福田敏男說:「在培養研究生方面,我只是根據學生的個性、能力和特點給他們提建議,從不命令他們做什麼,並不是所有學生都能在短時間內研究出成果,我會耐心等待他們成長起來。」
其中包括「千人計劃」專家郭書祥教授在內的大部分中國學生已回國工作,成為中國機器人與自動化領域的中堅力量。此外,他培養的諸多中國學生已成為世界著名學者,如美國密西根州立大學董立新教授(曾任IEEE 納米技術委員會主席)、日本芝浦工業大學陳新開教授等,極大提升了中國學者在世界機器人研究領域的話語權。
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。
福田敏男希望學生能站得更高、看得更遠,希望他們中間能走出下個諾貝爾獲獎者。
這些年來,越來越多在海外的中國學者回到中國,越來越多的外國科學家也來到中國。美國為什麼能夠做到全世界最為強大,就是因為它匯聚了地球最為頂尖的科學家。
我們也要廣納人才,讓中國變得更強!