把細(xì)胞變“積木”，用微納機(jī)器人組裝人體器官
——【一流建設(shè)系列報(bào)道】北理工福田敏男教授運(yùn)用微納操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人體微組織重構(gòu)專題報(bào)道
發(fā)布日期：2018-09-22 供稿：機(jī)電學(xué)院 王化平、黨委宣傳部 吳楠 王征 攝影：機(jī)電學(xué)院
編輯：吳楠 審核：王偉,、藺偉 閱讀次數(shù)：
說起樂高積木，大概很多人都有知道,，這款世界經(jīng)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”組裝復(fù)制呢？把一個(gè)個(gè)最基本的細(xì)胞單元變作“積木”,，組裝起來去復(fù)制人類的組織和器官?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)不是天方夜譚，而是真實(shí)的發(fā)生在北京理工大學(xué)的校園中,，而開辟這個(gè)領(lǐng)域研究的正是IEEE第十領(lǐng)域（系統(tǒng)與控制）主席,、中國科學(xué)院外籍院士、北京理工大學(xué)教授福田敏男,，他“帶領(lǐng)”著自己的微納機(jī)器人們，在造福人類健康的道路上成績斐然,，并不斷探索前行,。
科學(xué)理想從“抓住水滴世界中的微生物” 起步
早期，福田敏男教授與同事共同研發(fā)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器技術(shù),，為制造高集成度的微納操作機(jī)器人做技術(shù)儲(chǔ)備
1984年的某日午后,，還是一位青年學(xué)者的福田敏男在河中劃船時(shí)，發(fā)現(xiàn)水中有一些活動(dòng)的微小生物,，出于好奇,，他將河水帶回了實(shí)驗(yàn)室，用顯微鏡仔細(xì)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(qū)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(fā)他從事微納操作機(jī)器人研究的靈感來源。
從1984年起,，福田敏男針對(duì)顯微鏡下操作微生物開展了大量的理論研究,，并逐漸形成了自己長遠(yuǎn)的研究規(guī)劃，即參照在顯微鏡下操縱微生物的模式，構(gòu)建操作細(xì)胞的工作方式,，進(jìn)而可以挑選優(yōu)質(zhì)細(xì)胞,，并將其作為原材料搭建成人工的組織和器官。讓人體組織器官的復(fù)制,，如同顯微尺度下的房屋搭建,，并最終建立工業(yè)生產(chǎn)線，規(guī)?；纳a(chǎn)人工組織器官,。帶著這個(gè)夢(mèng)想，福田敏男開辟了面向人體器官再造的微納機(jī)器人生物醫(yī)學(xué)操作研究新領(lǐng)域,。
科學(xué)的理想,，離不開現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)，福田敏男的計(jì)劃必須要依托微納米級(jí)的先進(jìn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn),，不僅要“看”到微納尺度,，還要能在微納尺度上“做”，挑戰(zhàn)不小,。要實(shí)現(xiàn)“看”,，高精度的電子顯微鏡自然是首選，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡只能看到一根頭發(fā)直徑大小,，電子顯微鏡則能看到頭發(fā)直徑的十萬分之一,，但是要觀察只有頭發(fā)直徑十分之一尺寸的普通人體細(xì)胞，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的操作,，甚至是局部進(jìn)行切割,、注射，電子顯微鏡不可或缺,。而實(shí)現(xiàn)“做”的能力,，則要將微納操作系統(tǒng)安裝到電子顯微鏡中，但在上世紀(jì)末,，電子顯微鏡作為高端設(shè)備,，價(jià)格昂貴，數(shù)量不多,，這是沒有人敢想敢做的事情,，更談不上開發(fā)納米級(jí)別的手術(shù)刀、鉗子,、注射針等能夠在微納尺度下對(duì)細(xì)胞做手術(shù)的裝置,。雖然面對(duì)許多困難與挑戰(zhàn)，但是福田敏男并未放棄自己的夢(mèng)想,，一直在研究蓄力,。
“鑿開”昂貴的SEM,，把機(jī)器人裝進(jìn)顯微鏡
時(shí)光來到2000年，隨著機(jī)器人技術(shù),、精密制造,、控制科學(xué)的快速發(fā)展，福田敏男實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的技術(shù)條件逐漸成熟,。2002年,，福田敏男頂住壓力，大膽對(duì)昂貴的掃描電子顯微鏡(SEM)實(shí)施大型改造,，他首先將基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的高精密驅(qū)動(dòng)器制造成集成度極高的操作機(jī)器人,，同時(shí)使用先進(jìn)的等離子刻蝕技術(shù)制備納米級(jí)別的末端執(zhí)行器，也就是納米手術(shù)刀,、納米鉗子等等,，最后將這兩個(gè)部分整合為微納操作機(jī)器人，然后鑿開SEM高真空密封的腔室,，將機(jī)器人系統(tǒng)裝入其中,，成功實(shí)現(xiàn)了微納尺度下“看”與“做”的完美結(jié)合。
光學(xué)顯微鏡下,，對(duì)微血管的協(xié)同組裝過程
由此,，福田敏男首創(chuàng)了環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）下生物目標(biāo)的機(jī)器人化操作系統(tǒng)與方法，從而結(jié)束了人類對(duì)單細(xì)胞等微納尺度活體目標(biāo)只能看得到卻摸不到的狀態(tài),?；谠撓到y(tǒng)，福田教授相繼提出了基于“納米壓痕”操作理論的活體細(xì)胞切割,、參數(shù)提取和篩選的方法，這也成為世界上首個(gè)電子顯微鏡下生物細(xì)胞的機(jī)器人化操作理論體系,，該研究受到世界各國的高度關(guān)注,，在美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室向美國能源部呈送的納米機(jī)器人研究年鑒中，不僅大篇幅報(bào)道了福田敏男的研究,，還稱其為“在納米操作機(jī)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(bào)道為“世界上最小的手術(shù)刀”。
在北理工,，他用機(jī)器人“組裝”人體微血管
實(shí)現(xiàn)檢測(cè)挑選單細(xì)胞,，僅僅是福田敏男的科學(xué)夢(mèng)想的開端，而如何用挑選出來的優(yōu)質(zhì)細(xì)胞按照人體組織器官的構(gòu)成規(guī)律進(jìn)行三維拼裝,，從而以人為干預(yù)的形式構(gòu)建人工組織與器官,，最終應(yīng)用于人體組織替換，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(zhàn),。
21世紀(jì)的第二個(gè)十年,，帶著對(duì)科學(xué)夢(mèng)想的執(zhí)著追求，福田敏男來到了中國,，來到了北京理工大學(xué),。面向世界一流大學(xué)建設(shè)，北理工長期關(guān)注世界科技前沿,，對(duì)福田敏男的研究給予充分肯定,，對(duì)他的夢(mèng)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(xù)完成研究工作,。經(jīng)過深思熟慮，北理工的辦學(xué)特色和實(shí)力以及求賢若渴的誠意打動(dòng)了他,。2013年6月,，福田敏男作為全職教授入職北京理工大學(xué)。
引進(jìn)人才,，是為了讓人才能夠在北理工的沃土上實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想,、結(jié)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(xué)資源,，克服困難，在人員,、場(chǎng)地,、設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等方面為福田敏男提供了有力保障。在科研場(chǎng)地緊張的情況下,，學(xué)校迅速為福田敏男配備了150平米的實(shí)驗(yàn)用房,，并為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了500萬元的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)。之后,，學(xué)校還為福田敏男團(tuán)隊(duì)的5名博士生赴海外世界一流大學(xué)交流學(xué)習(xí)一年提供支持,。種種有力舉措，在短時(shí)間內(nèi),，幫助福田敏男在北理工組建起一支高水平,、具有國際化視野的科研團(tuán)隊(duì)，福田敏男“細(xì)胞組裝,、再造器官”的夢(mèng)想在北理工落地生根,。
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(xì)胞封裝成微型的“細(xì)胞積木”，俗稱“細(xì)胞支架”,。對(duì)于單個(gè)細(xì)胞來說,，支架就是包裹承載細(xì)胞的基礎(chǔ),，可以調(diào)節(jié)局部生物化學(xué)、生物力學(xué)和質(zhì)量輸運(yùn)微環(huán)境,，以促進(jìn)細(xì)胞活力和功能,。而在更大尺度上，要想“組裝”出厘米規(guī)模的活性組織,，甚至是完整的人體器官,，必須通過對(duì)支架進(jìn)行幾何裝配來實(shí)現(xiàn)，而支架不僅可以使得細(xì)胞效仿天然組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行“組裝”,，還將“服務(wù)”細(xì)胞以最優(yōu)的組織形式進(jìn)行大量的增殖,，是體外器官再造的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
“細(xì)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(xiàn)出兩個(gè)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“登臺(tái)亮相”，這就使得在宏觀世界看起來非常簡(jiǎn)單的抓舉,、釋放,、排列等動(dòng)作，在對(duì)“細(xì)胞支架”進(jìn)行微納尺度操作時(shí),，變得非常困難,。因此，如何在微觀液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)微小“細(xì)胞積木”的靈巧操作,，是微納尺度機(jī)器人操作與組織醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域面臨的共同挑戰(zhàn),。
福田敏男到北理工任職后，搭建的首臺(tái)基于宏微混合驅(qū)動(dòng)與高速顯微視覺的微納機(jī)器人協(xié)同操作系統(tǒng)
為攻克這一難題,，福田敏男在北理工提出了微納操作機(jī)器人在人體微組織重構(gòu)中的應(yīng)用理論,，以細(xì)胞化微裝配體為組裝單元，通過跨尺度多機(jī)器人的協(xié)同微組裝,，實(shí)現(xiàn)功能化人體組織與器官的體外仿制，并搭建了一套基于宏微混合驅(qū)動(dòng)與高速顯微視覺的微納機(jī)器人協(xié)同操作系統(tǒng),，通過跨尺度運(yùn)動(dòng)與組裝策略數(shù)據(jù)庫集成,，實(shí)現(xiàn)了二維細(xì)胞微裝配單元的自動(dòng)操作與高效三維組裝，操作精度高達(dá)30納米,。憑借這一先進(jìn)的系統(tǒng),，該團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了基于微納機(jī)器人生物操作的200微米直徑人工微血管的體外構(gòu)建。福田敏男為面向生物醫(yī)療與極端制造的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)和再生醫(yī)療精密人工器官構(gòu)建提供了全新方法,，其研發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)也作為我國先進(jìn)醫(yī)療診治機(jī)器人的代表被中央電視臺(tái)等媒體予以報(bào)道,，團(tuán)隊(duì)先后在IEEE Trans.系列匯刊,、ACS Applied Materials & Interfaces等國際知名期刊發(fā)表SCI論文22篇，在IEEE ICRA等機(jī)器人領(lǐng)域著名國際會(huì)議中獲優(yōu)秀論文/提名獎(jiǎng)7項(xiàng),。福田敏男因?yàn)樵诒崩砉ら_展的卓越工作,，獲得了2014年中國政府“友誼獎(jiǎng)”，并于2017年當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士,。
實(shí)現(xiàn)組織再造,，科學(xué)夢(mèng)還在延續(xù)
延長人類壽命，讓人永葆青春,，是人類的終極夢(mèng)想之一,，這也是福田敏男的科學(xué)夢(mèng)，在他的計(jì)劃中,，完成對(duì)細(xì)胞的分離和篩選后,，就要去實(shí)現(xiàn)用機(jī)器人生物制造方法“組裝”人體組織。
然而,，人體組織的“組裝”在原理上看似簡(jiǎn)單,，但在實(shí)踐中可是困難重重，充滿許許多多未知的挑戰(zhàn),，其中人體組織生長過程中的營養(yǎng)吸收就是一道難關(guān),。真實(shí)的人體組織中遍布了不同尺寸的血管網(wǎng)絡(luò)，微血管作為人體組織的基本單元,，是為細(xì)胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)的唯一通道,。但是受分子擴(kuò)散原理的約束，細(xì)胞僅能從其周圍200微米范圍內(nèi)吸收營養(yǎng)物質(zhì),，因此,，人體的微血管網(wǎng)絡(luò)間距及血管直徑大多在這個(gè)尺度。目前,，因?yàn)闊o法制備供給營養(yǎng)的微血管網(wǎng)絡(luò),，所以在人體組織器官的重構(gòu)領(lǐng)域，簡(jiǎn)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(fā)較為多見,。
通過微納機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括肝小葉等具有特定生物功能的人工組織制造的研究方法
人工微血管是構(gòu)建復(fù)雜三維人工組織,，并使其具有生物功能的必要條件，福田敏男突破了對(duì)微血管的機(jī)器人化構(gòu)建,，這為他繼續(xù)研究包括肌腱,、神經(jīng)等更為復(fù)雜的人體組織重構(gòu)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前,，福田敏男在北理工的研究已經(jīng)逐步延伸到對(duì)神經(jīng)組織,、肝組織等具有特殊生物功能的人工組織的機(jī)器人化構(gòu)建中。在不久的將來,，功能化人工組織的構(gòu)建如果得以實(shí)現(xiàn),，并能從醫(yī)學(xué),、生物學(xué)角度對(duì)其進(jìn)行量化評(píng)估，那么人體器官的再生將近在咫尺,。
鑒于福田敏男在機(jī)器人,、納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程融合領(lǐng)域的突出成就,，他已于2015年當(dāng)選為國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)IEEE第十領(lǐng)域（系統(tǒng)與控制）主席,。IEEE作為全球最大的非營利專業(yè)技術(shù)學(xué)會(huì)和全球最具影響力的國際學(xué)術(shù)組織之一，當(dāng)選其分領(lǐng)域的主席,，也意味著被學(xué)術(shù)科技界認(rèn)定為世界范圍內(nèi)該領(lǐng)域最具權(quán)威的科學(xué)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,。
附2019 IEEE 總主席投票步驟：
1,、點(diǎn)擊網(wǎng)址：https://services10.ieee.org/idp/startSSO.ping?PartnerSpId=AnnualElection；
2,、用IEEE賬號(hào)和密碼登錄,；
3、點(diǎn)擊 Go to Ballot,；
4,、在IEEE President-Elect，2019處,，勾選Toshio Fukuda,；
5、按步驟確認(rèn)即可,。
投票日期：2018.8.15~2018.10.01
