把細胞變“積木”，用微納機器人組裝人體器官
——【一流建設系列報道】北理工福田敏男教授運用微納操作機器人實現(xiàn)人體微組織重構專題報道
發(fā)布日期：2019-08-21 供稿：機電學院 王化平,、黨委宣傳部 吳楠 王征 攝影：機電學院
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”組裝復制呢,？把一個個最基本的細胞單元變作“積木”,，組裝起來去復制人類的組織和器官。現(xiàn)在這項技術已經(jīng)不是天方夜譚,，而是真實的發(fā)生在北京理工大學的校園中,，而開辟這個領域研究的正是IEEE第十領域（系統(tǒng)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,，并不斷探索前行,。
科學理想從“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)壓電陶瓷驅動器技術,，為制造高集成度的微納操作機器人做技術儲備
1984年的某日午后,，還是一位青年學者的福田敏男在河中劃船時，發(fā)現(xiàn)水中有一些活動的微小生物,，出于好奇,，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(fā)他從事微納操作機器人研究的靈感來源。
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,，并逐漸形成了自己長遠的研究規(guī)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(yōu)質細胞,，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,。帶著這個夢想，福田敏男開辟了面向人體器官再造的微納機器人生物醫(yī)學操作研究新領域,。
科學的理想,，離不開現(xiàn)實的基礎，福田敏男的計劃必須要依托微納米級的先進設備來實現(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,。要實現(xiàn)“看”,，高精度的電子顯微鏡自然是首選，傳統(tǒng)光學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胞，還要實現(xiàn)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(xiàn)“做”的能力,，則要將微納操作系統(tǒng)安裝到電子顯微鏡中，但在上世紀末,，電子顯微鏡作為高端設備,，價格昂貴，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(zhàn)，但是福田敏男并未放棄自己的夢想,，一直在研究蓄力,。
“鑿開”昂貴的SEM，把機器人裝進顯微鏡
時光來到2000年,，隨著機器人技術,、精密制造、控制科學的快速發(fā)展,，福田敏男實現(xiàn)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,，他首先將基于壓電陶瓷驅動的高精密驅動器制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制備納米級別的末端執(zhí)行器,，也就是納米手術刀,、納米鉗子等等，最后將這兩個部分整合為微納操作機器人,，然后鑿開SEM高真空密封的腔室,，將機器人系統(tǒng)裝入其中，成功實現(xiàn)了微納尺度下“看”與“做”的完美結合,。
光學顯微鏡下,，對微血管的協(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）下生物目標的機器人化操作系統(tǒng)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(tài),。基于該系統(tǒng),，福田教授相繼提出了基于“納米壓痕”操作理論的活體細胞切割,、參數(shù)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,，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”。
在北理工,，他用機器人“組裝”人體微血管
實現(xiàn)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(yōu)質細胞按照人體組織器官的構成規(guī)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世紀的第二個十年，帶著對科學夢想的執(zhí)著追求，福田敏男來到了中國,，來到了北京理工大學,。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(xù)完成研究工作,。經(jīng)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,，福田敏男作為全職教授入職北京理工大學。
引進人才,，是為了讓人才能夠在北理工的沃土上實現(xiàn)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(jīng)費等方面為福田敏男提供了有力保障。在科研場地緊張的情況下,，學校迅速為福田敏男配備了150平米的實驗用房,，并為實驗室建設提供了500萬元的啟動經(jīng)費。之后,，學校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,、具有國際化視野的科研團隊，福田敏男“細胞組裝,、再造器官”的夢想在北理工落地生根,。
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”,。對于單個細胞來說,，支架就是包裹承載細胞的基礎,，可以調節(jié)局部生物化學、生物力學和質量輸運微環(huán)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(guī)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(xiàn),，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(yōu)的組織形式進行大量的增殖，是體外器官再造的關鍵基礎,。
“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(xiàn)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“登臺亮相”,，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(huán)境中實現(xiàn)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(yī)學工程領域面臨的共同挑戰(zhàn)。
福田敏男到北理工任職后,，搭建的首臺基于宏微混合驅動與高速顯微視覺的微納機器人協(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(xié)同微組裝,，實現(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動與高速顯微視覺的微納機器人協(xié)同操作系統(tǒng),，通過跨尺度運動與組裝策略數(shù)據(jù)庫集成,，實現(xiàn)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,。憑借這一先進的系統(tǒng),，該團隊在世界上首次實現(xiàn)了基于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(yī)療與極端制造的先進機器人技術和再生醫(yī)療精密人工器官構建提供了全新方法,，其研發(fā)的機器人系統(tǒng)也作為我國先進醫(yī)療診治機器人的代表被中央電視臺等媒體予以報道,，團隊先后在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等機器人領域著名國際會議中獲優(yōu)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”，并于2017年當選中國科學院外籍院士,。
實現(xiàn)組織再造,，科學夢還在延續(xù)
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后,，就要去實現(xiàn)用機器人生物制造方法“組裝”人體組織。
然而,，人體組織的“組裝”在原理上看似簡單,，但在實踐中可是困難重重，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,。真實的人體組織中遍布了不同尺寸的血管網(wǎng)絡，微血管作為人體組織的基本單元,，是為細胞輸送營養(yǎng)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微米范圍內吸收營養(yǎng)物質,，因此,，人體的微血管網(wǎng)絡間距及血管直徑大多在這個尺度。目前,，因為無法制備供給營養(yǎng)的微血管網(wǎng)絡,，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(fā)較為多見,。
通過微納機器人技術實現(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
人工微血管是構建復雜三維人工組織,，并使其具有生物功能的必要條件，福田敏男突破了對微血管的機器人化構建,，這為他繼續(xù)研究包括肌腱,、神經(jīng)等更為復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(jīng)逐步延伸到對神經(jīng)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(xiàn),，并能從醫(yī)學,、生物學角度對其進行量化評估，那么人體器官的再生將近在咫尺,。
鑒于福田敏男在機器人,、納米技術、生物醫(yī)學工程融合領域的突出成就,，他已于2015年當選為國際電氣與電子工程師協(xié)會IEEE第十領域（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范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,。
附2019 IEEE 總主席投票步驟：
1,、點擊網(wǎng)址：https://services10.ieee.org/idp/startSSO.ping?PartnerSpId=AnnualElection,；
2,、用IEEE賬號和密碼登錄；
3,、點擊 Go to Ballot,；
4、在IEEE President-Elect,，2019處,，勾選Toshio Fukuda；
5,、按步驟確認即可,。
投票日期：2018.8.15~2018.10.01
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