【人物特寫】鄭志強(qiáng)：造納米海星機(jī)器人、組裝肝臟！

發(fā)布日期：2022-03-02 供稿：黨委宣傳部崔雨涵攝影：本人提供

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【編者按】2022年是黨的二十大召開之年，是實(shí)施“十四五”規(guī)劃關(guān)鍵之年，黨委宣傳部特別推出“喜迎二十大，奮進(jìn)新征程”專題報(bào)道，全面展現(xiàn)學(xué)校加強(qiáng)黨的領(lǐng)導(dǎo)黨的建設(shè)取得的成績(jī)，生動(dòng)講好北理工人的奮斗故事，廣泛凝聚學(xué)校事業(yè)發(fā)展的磅礴力量，以優(yōu)異成績(jī)迎接二十大召開。

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他勤奮好學(xué)、踏實(shí)努力，榮獲北京理工大學(xué)徐特立獎(jiǎng)學(xué)金、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等各類表彰十余項(xiàng)，發(fā)表機(jī)器人領(lǐng)域?qū)W術(shù)論文15篇，以唯一第一作者在《Nature Communications》發(fā)表論文1篇，申請(qǐng)授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng)、PCT國(guó)際專利1項(xiàng)、國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)，受邀參加2018年第八屆IEEE國(guó)際自動(dòng)化、控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)議并作邀請(qǐng)報(bào)告，他是機(jī)電學(xué)院2017級(jí)博士研究生鄭志強(qiáng)。

微型海星機(jī)器人，精準(zhǔn)醫(yī)療新未來

鄭志強(qiáng)的研究成果、仿海星微機(jī)器人在pH環(huán)境感知下的自主形變

“每次看到顯微鏡下小機(jī)器人的舒展與收縮，我的心情總是無比喜悅。于我而言，它們不僅僅是細(xì)胞的生長(zhǎng)，而是代表著磁控機(jī)器人研究的更多可能，也代表了機(jī)器人技術(shù)未來發(fā)展的更多可能。”面對(duì)癌癥發(fā)病率的日益增高，科研人員一直致力于設(shè)計(jì)并制造一種微機(jī)器人取代傳統(tǒng)手術(shù)，在人體內(nèi)部完成無創(chuàng)病理采樣、藥物精準(zhǔn)投放等一系列醫(yī)療任務(wù)，為患者提供更為安全、高效、無痛的治療方式。憑借自己交叉學(xué)科的背景優(yōu)勢(shì)和對(duì)生物材料與微納機(jī)器人之間微妙聯(lián)系的獨(dú)到理解，鄭志強(qiáng)立志要構(gòu)建一種結(jié)合生物材料知識(shí)的微納機(jī)器人加工方法和理論。博士一年級(jí)時(shí)，他到香港城市大學(xué)開展了為期一個(gè)月的考察和調(diào)研，在一次實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)微電極的邊界效應(yīng)會(huì)造成水凝膠微結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械特性非均質(zhì)演變，這一發(fā)現(xiàn)讓他欣喜若狂。這意味著他可以通過設(shè)計(jì)電場(chǎng)的形狀和強(qiáng)度使得水凝膠微結(jié)構(gòu)獲得包括復(fù)雜形變、環(huán)境自適應(yīng)、多運(yùn)動(dòng)模態(tài)等一系列自主響應(yīng)微環(huán)境的能力。

在后續(xù)的研究中，鄭志強(qiáng)受到海星捕食的啟發(fā)，利用水凝膠非均質(zhì)演變的原理構(gòu)建了仿海星微機(jī)器人，其柔性觸手能夠在液體環(huán)境下，以自主形變有效貼合任意目標(biāo)的外部輪廓，并進(jìn)行抓取與釋放。仿海星微機(jī)器人是首個(gè)基于活體體液離子激勵(lì)的自主形變微機(jī)器人，鄭志強(qiáng)提出的基于機(jī)械特性非均質(zhì)演變的生物仿生微單元自形變方法，有效提升了形變微機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈活性，可對(duì)任意形狀剪裁下的單層薄膜機(jī)器人賦予形變能力，使其能夠感知活體內(nèi)的離子環(huán)境而智能形變。該微機(jī)器人為復(fù)雜封閉活體環(huán)境下的自適應(yīng)精密生物微操作提供了技術(shù)支撐，為未來如心腦血管溶栓、潰瘍性結(jié)腸炎修復(fù)、腫瘤等病灶藥物的靶向投遞等精準(zhǔn)醫(yī)療與組織修復(fù)領(lǐng)域提供了智能化的操作工具。

2019年下半年，是鄭志強(qiáng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)鍵階段，也是發(fā)表論文、數(shù)據(jù)整理的重要時(shí)期。然而，突如其來的新冠肺炎疫情打亂了既定節(jié)奏，實(shí)驗(yàn)在最關(guān)鍵的時(shí)候被迫按下了暫停鍵。他通過學(xué)校建立的線上交流平臺(tái)和遠(yuǎn)在國(guó)外的導(dǎo)師進(jìn)行密切交流，共同探討實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。在不斷地討論和交流中，鄭志強(qiáng)想到了目前實(shí)驗(yàn)成果、由水凝膠單一材料構(gòu)建的全新微機(jī)器人因?yàn)椴牧暇哂型耆纳锟山到庑裕虼丝梢越鉀Q微機(jī)器人在活體封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下難以進(jìn)行回收的難題。

功夫不負(fù)有心人。2021年1月，鄭志強(qiáng)成功研發(fā)了具有環(huán)境離子響應(yīng)能力的智能形變單層薄膜微機(jī)器人，相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications。該成果首次提出了以單一可降解生物材料實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人在環(huán)境感知下的自形變，有效解決了微機(jī)器人在人體等活體封閉環(huán)境下進(jìn)行無創(chuàng)采樣、運(yùn)輸、投遞與回收等一體化作業(yè)的難題，對(duì)于癌癥等重大疾病精準(zhǔn)醫(yī)療具有重要意義。

不斷嘗試，完成再生醫(yī)療的新突破

鄭志強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)成員自主研發(fā)的電磁控制系統(tǒng)

“推動(dòng)科研成果落地轉(zhuǎn)化，讓科研工作發(fā)揮更大作用。”部分肝移植和全肝移植是治療許多惡性、急性肝病的重要手段，然而肝供體的緊缺和龐大的治療需求是肝病治療長(zhǎng)期難以解決的矛盾。通過微機(jī)器人進(jìn)行人工肝組織的功能仿生與結(jié)構(gòu)仿生一直以來被譽(yù)為行業(yè)內(nèi)的難題，經(jīng)過大量的文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)嘗試，并在課題組石青、王化平老師的統(tǒng)籌和指導(dǎo)下，鄭志強(qiáng)積極與304醫(yī)院、積水潭醫(yī)院合作，圍繞人工肝組織的功能仿生與結(jié)構(gòu)仿生這一難題，提出了多機(jī)器人跨域協(xié)同與流體動(dòng)力學(xué)交互生物操作方法，以人工肝小葉微模塊為組裝對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了肝組織的自動(dòng)化三維集成組裝與生物功能表達(dá)，突破了仿生人工肝組織機(jī)器人大規(guī)模集成組裝技術(shù)。該技術(shù)可以高效的加工和組裝仿生人工肝組織，這為肝臟的移植和修復(fù)提供了大量可再生的物質(zhì)基礎(chǔ)。

鄭志強(qiáng)還將由微機(jī)器人構(gòu)建的人工肝組織作為針對(duì)肝功能疾病的新藥測(cè)試以及病理研究的生物模型，同時(shí)在大鼠活體測(cè)試模型上進(jìn)行了藥毒性評(píng)估，經(jīng)驗(yàn)證，兩者具有很高的生物功能匹配度，這意味著機(jī)器人化生物制造的仿生肝小葉組織有望替代動(dòng)物成為新型的生物模型。目前，相關(guān)技術(shù)成果在多家生物公司得到應(yīng)用推廣。研究成果還獲得了3項(xiàng)國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)，形成包括2項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利、3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利的專利群。鄭志強(qiáng)的畢業(yè)論文獲評(píng)校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文，他本人獲評(píng)了北京市優(yōu)秀畢業(yè)生。

不忘初心，傳承北理工紅色基因

鄭志強(qiáng)（二排右四）和實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)在一起

“在微納的領(lǐng)域我是個(gè)“新手”，未來雖然有很多不確定性，但我堅(jiān)信我會(huì)一直走下去。”本科就讀于河北工業(yè)大學(xué)生物工程專業(yè)，碩士是英國(guó)諾丁漢大學(xué)生物材料理學(xué)專業(yè)，具有多學(xué)科交叉學(xué)術(shù)背景的鄭志強(qiáng)在碩士畢業(yè)后，被北理工機(jī)電學(xué)院開放創(chuàng)新、兼容并濟(jì)的科研氛圍和機(jī)器人研究所強(qiáng)大的師資以及先進(jìn)的科研平臺(tái)深深吸引，他毅然選擇進(jìn)入北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院微納機(jī)器人團(tuán)隊(duì)繼續(xù)科研之路，并在此深受滋養(yǎng)。

依托北京理工大學(xué)國(guó)際交流平臺(tái)的支持，鄭志強(qiáng)與國(guó)外多所大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開展了“超高速細(xì)胞組裝”課題研究，通過高精度微納操作機(jī)器人和快速視覺捕捉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異質(zhì)/異構(gòu)粘彈性生物目標(biāo)的大規(guī)模集成組裝，顯著提高了機(jī)器人化生物微操作對(duì)復(fù)雜任務(wù)的適應(yīng)性。在Soft-bodied Magnetic Small-scale Mobile Robots國(guó)際會(huì)議上，鄭志強(qiáng)的成果得到了德國(guó)馬克思普朗克物理智能研究所所長(zhǎng)、有磁控微機(jī)器人鼻祖之稱的M. Sitti教授的充分肯定。他也因此獲得馬克思普朗克研究所全額獎(jiǎng)學(xué)金，赴德國(guó)馬克思普朗克物理智能研究所繼續(xù)后續(xù)的研究工作。

“心態(tài)與信念很重要，我也會(huì)有絕望低落的時(shí)候，但是我知道我想要的不是一次實(shí)驗(yàn)的成功，也不是一篇論文的發(fā)表。作為北理工人，我深知科研之路沒有終點(diǎn)。心里有火，眼里有光，以理性之光澆灌科技之花，我希望自己可以掌握精深的學(xué)術(shù)，做出對(duì)社會(huì)有價(jià)值的科研成果。”對(duì)于未來，鄭志強(qiáng)充滿決心與信心，他希望將來可以回到北理工教書育人，繼續(xù)微納機(jī)器人研究的科研事業(yè)。