高妍 鄭聲宇

他是發(fā)明家，醉心微納機(jī)器人前沿研究與技術(shù)探索近30年，所獲成果無數(shù)。

他是推動者，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與系列化智能制造裝備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，為我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)步保駕護(hù)航。

他是領(lǐng)軍人，較早在國內(nèi)開展醫(yī)用機(jī)器人研究，所研制的腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人代表了我國手術(shù)機(jī)器人的最高水平。

他是探索者，以機(jī)器人技術(shù)為核心，多學(xué)科交叉融合，不斷拓展微納機(jī)器人的邊界與未來。

他就是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所教授、機(jī)器人與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任;蘇州大學(xué)特聘教授、機(jī)電工程學(xué)院院長、博士生導(dǎo)師孫立寧。

微納機(jī)器人，是孫立寧一生的關(guān)鍵詞。潛心篤志30年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，不斷以新理念、新技術(shù)、新工藝、新材料為微納機(jī)器人賦能，將它與微納制造、生命科學(xué)、生活服務(wù)，以及更多的行業(yè)緊密相連。

微尺度，大能量

隨著微納技術(shù)與機(jī)器人融合發(fā)展，微納機(jī)器人逐漸走進(jìn)人們的視野，成為共融機(jī)器人中的一員。

那么，到底什么是微納機(jī)器人？

孫立寧介紹，微納機(jī)器人指尺寸在微納米級別的可對微納空間進(jìn)行操作的功能器件，也指能夠處理微納米尺寸部件的機(jī)器人。它的最大特點(diǎn)，就是操作尺度小，小到尺度為毫米、微米和納米量級的零件都能輕松操控。

微納機(jī)器人體積雖小，但功能卻十分強(qiáng)大。憑借在微納尺度上優(yōu)異的靈活性、適應(yīng)性，它在生物醫(yī)學(xué)、微納制造和軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。

自上世紀(jì)80年代由被譽(yù)為“微納機(jī)器人之父”、來自日本的國際機(jī)器人權(quán)威專家福田敏男提出后，微納機(jī)器人一直作為機(jī)器人領(lǐng)域的前沿方向，吸引了一批國內(nèi)外優(yōu)秀科研工作者投身其中，潛心攻堅(jiān)。

1990年，正在哈工大攻讀博士的孫立寧在導(dǎo)師蔡鶴皋院士的引領(lǐng)下，通過一根“壓電陶瓷”開啟了他微機(jī)器人技術(shù)的研究之路，成為我國較早開展相關(guān)研究的科技人員之一。

他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過5年的不懈努力，研制出了高性能壓電陶瓷驅(qū)動電源與全數(shù)字控制器、納米級微驅(qū)動系統(tǒng)，這些成果廣泛應(yīng)用于微位移輸出裝置、力發(fā)生裝置、機(jī)器人、光學(xué)掃描等領(lǐng)域。與此同時(shí)，他還開發(fā)了6自由度并聯(lián)微驅(qū)動機(jī)器人、6自由度納米級宏/微操作并聯(lián)機(jī)器人、2自由度大行程微驅(qū)動機(jī)器人等多種納米級微驅(qū)動機(jī)器人。立足該方向，他先后承擔(dān)和完成了多項(xiàng)國家項(xiàng)目，分別于1996年和1998年獲航天工業(yè)總公司科技進(jìn)步獎二等獎。

從1996年起，孫立寧以微驅(qū)動機(jī)器人為基礎(chǔ)，進(jìn)行了面向MEMS組裝和封裝、生物工程、光纖作業(yè)等領(lǐng)域的微操作機(jī)器人的研究，分別建立了微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其成果被評價(jià)為“達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平”。同時(shí)，他研制出的8種微操作機(jī)器人得到推廣應(yīng)用，其中“神光Ⅲ”靶支撐和傳感器支撐機(jī)器人，應(yīng)用于國家重大科學(xué)工程項(xiàng)目上;激光陀螺精密調(diào)腔機(jī)器人，應(yīng)用在國防軍工生產(chǎn)上，包括型號研制、生產(chǎn)和科研，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，2007年獲國家科技發(fā)明二等獎。

值得一提的是，孫立寧不僅帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做到了立足當(dāng)下，解決現(xiàn)實(shí)所需，還時(shí)刻關(guān)注國際科研發(fā)展趨勢，著眼未來提前布局研究方向。醫(yī)用機(jī)器人便是一項(xiàng)成功探索。

世界上第一臺手術(shù)機(jī)器人出現(xiàn)在1983年，首次使用是1985年。但醫(yī)用機(jī)器人真正在臨床較廣泛應(yīng)用是進(jìn)入21世紀(jì)之后，且隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，呈現(xiàn)愈發(fā)火熱的研究與應(yīng)用態(tài)勢。而早在上世紀(jì)90年代中期，孫立寧就敏銳覺察到了醫(yī)用機(jī)器人的廣闊前景。

新世紀(jì)伊始，手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域研究在國際上剛剛興起，在國內(nèi)基本是一片空白。孫立寧果斷抓住這一機(jī)遇，集結(jié)國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)和工科團(tuán)隊(duì)，在科技部的支持下率先在國內(nèi)開展了“機(jī)器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)”的研究。該研究突破了影像導(dǎo)航、主從操作、力位控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)當(dāng)時(shí)最完整的全數(shù)字化骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。此后以該項(xiàng)目為基礎(chǔ)，他們又先后開發(fā)了“椎間盤置換手術(shù)機(jī)器人”和“脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人”等多個(gè)種類的骨科手術(shù)機(jī)器人。

經(jīng)過10年的技術(shù)沉淀后，孫立寧又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了更為復(fù)雜的腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究。團(tuán)隊(duì)相繼承擔(dān)了多項(xiàng)國家級的腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人項(xiàng)目，攻克了多自由度手術(shù)機(jī)械臂、主操作手、微小型手術(shù)器械、主從實(shí)時(shí)直覺操作等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。

瞄準(zhǔn)國際科技前沿，創(chuàng)新不止。2008年，孫立寧率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對微納操作機(jī)器人、納米藥物基礎(chǔ)理論與國際前沿技術(shù)，提出了融合納米游動機(jī)器人和微納操作機(jī)器人而形成的任務(wù)協(xié)同、功能共融的多尺度微納米機(jī)器人創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了納米器件的三維制造，并為主動靶向納米游動機(jī)器人的研究提供了平臺支持。目前這一研究仍在不斷創(chuàng)新突破中。

微世界，大拓展

理論研究和科研成果不應(yīng)束之高閣，而是要轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，服務(wù)于實(shí)際生產(chǎn)和生活，推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這一理念始終貫穿孫立寧的科研工作中。

為了推動其在微納領(lǐng)域取得的一系列成果實(shí)現(xiàn)科技轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，孫立寧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后建立了微納米機(jī)器人與系統(tǒng)集成研究平臺、高性能工業(yè)機(jī)器人及機(jī)電一體化裝備研究平臺、醫(yī)療微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人集成研究平臺，推動產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同發(fā)展模式，整合資源，鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，最終在這三方面均實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化推廣與示范應(yīng)用。

● 微納技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化

深耕多年，孫立寧團(tuán)隊(duì)所攻關(guān)的納米微驅(qū)動技術(shù)大多實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，相關(guān)產(chǎn)品亦推廣應(yīng)用，替代進(jìn)口產(chǎn)品，受到了用戶廣泛認(rèn)可。

比如，他們研制出了8種微操作機(jī)器人并推廣應(yīng)用，研制的神光III靶支撐和傳感器支撐機(jī)器人，應(yīng)用于國家重大科學(xué)工程“神光III原形裝置”項(xiàng)目上;研制的激光陀螺精密調(diào)腔機(jī)器人，應(yīng)用在國防軍工生產(chǎn)上;面向MEMS制造領(lǐng)域，研制的6種微操作機(jī)器人，應(yīng)用于型號研制、生產(chǎn)和科研中，并通過了技術(shù)鑒定，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，取得良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益，并在激光約束聚變、慣性器件制造、MEMS制造、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)精密工程、集成電路封裝與測試、超精密加工等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

這些成果，不僅為提升我國精密/超精密作業(yè)機(jī)器人與機(jī)電一體化裝備的自主創(chuàng)新能力和研發(fā)水平起到了重要的示范帶動作用，更為國家重大科學(xué)工程提供了技術(shù)和設(shè)備支撐，切實(shí)提高了相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的操作精度、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

目前相關(guān)產(chǎn)業(yè)化成果已累計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2.5億元。

● 微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人示范應(yīng)用

2019年1月，一臺特殊手術(shù)在福建福州成功實(shí)施。一位醫(yī)生在操作端遠(yuǎn)程操控手術(shù)機(jī)器人，為50公里外醫(yī)院內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動物實(shí)施了肝小葉切除。

這是全球首例基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程動物手術(shù)，所采用的手術(shù)機(jī)器人即為孫立寧團(tuán)隊(duì)研制的腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人。

在孫立寧的領(lǐng)導(dǎo)下，這個(gè)自2008年起研究至今的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)思想、人機(jī)協(xié)作控制算法、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了突破，在2013年通過了科技部項(xiàng)目驗(yàn)收。此次遠(yuǎn)程手術(shù)的實(shí)施，正是團(tuán)隊(duì)近年著力推動其產(chǎn)業(yè)化的結(jié)果。

值得一提的是，其中一款腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品，在2019年通過了國家創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審查，向產(chǎn)業(yè)化邁出一大步。

除了腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人，他們開發(fā)出的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人，基于生物信息控制的智能假肢、助行與康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人以及腸道診療機(jī)器人等醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)和多種教育與家政服務(wù)機(jī)器人等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用示范，產(chǎn)生了重大的社會效益，帶動一系列相關(guān)醫(yī)療領(lǐng)域高新技術(shù)應(yīng)用的研究與開發(fā)。

此外他們還建立了若干個(gè)機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)、沉浸式手術(shù)仿真系統(tǒng)、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的影像導(dǎo)航系統(tǒng)、康復(fù)與護(hù)理服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)等樣機(jī)，應(yīng)用于動物實(shí)驗(yàn)或臨床。

路仍在延伸，孫立寧深感仍在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心攻關(guān)，不斷拓展微納機(jī)器人的新邊界。

比如在納米游動機(jī)器人領(lǐng)域，他們正探索這一多學(xué)科交叉的前沿?zé)狳c(diǎn)，提出了一種融合納米游動機(jī)器人和微納操作機(jī)器人而形成的任務(wù)協(xié)同、功能共融的多尺度微納米機(jī)器人創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu);構(gòu)建了集測試、操縱功能于一體的微納操作機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了跨尺度生物分子/細(xì)胞的精密操控、多維生物信息檢測和多特征參數(shù)提取，為主動靶向納米游動機(jī)器人的設(shè)計(jì)制備優(yōu)化、運(yùn)動控制、精準(zhǔn)靶向給藥提供了方法和平臺支持。相關(guān)論文已發(fā)表于多家領(lǐng)域內(nèi)國際頂級期刊，獲得高度評價(jià)。其中多項(xiàng)成果以封面論文的形式發(fā)表于頂級期刊上，并得到專門撰文介紹、網(wǎng)站高亮展示。

這些成果，不僅拓寬了機(jī)器人技術(shù)在微納尺度下的應(yīng)用邊界，還將為現(xiàn)代納米醫(yī)學(xué)提供關(guān)鍵理論與技術(shù)支撐，增強(qiáng)我國在生物醫(yī)藥與治療領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，加速我國靶向藥物研發(fā)進(jìn)程。

微時(shí)代，大未來

潛心篤志30年，孫立寧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專注微納機(jī)器人的研究和開發(fā)，圍繞機(jī)器人結(jié)構(gòu)、驅(qū)動與控制、作業(yè)機(jī)理與方法、系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)突破、高性能工業(yè)機(jī)器人機(jī)器機(jī)電一體化裝備研究、醫(yī)療微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的前沿探索與集成研究，他們在微納領(lǐng)域?qū)嵺`出一條從理論到應(yīng)用再到產(chǎn)業(yè)化的生態(tài)發(fā)展之路。

一路走來，挑戰(zhàn)重重，并不平坦，但是所有的付出最終收獲了肯定。多年來，孫立寧主持973、863、國家自然科學(xué)基金、國防基金等項(xiàng)目20余項(xiàng)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)獲得了包括國家技術(shù)發(fā)明二等獎、國家科技進(jìn)步二等獎在內(nèi)的國家、省部級獎勵(lì)10余項(xiàng)，贏得了業(yè)內(nèi)外高度認(rèn)可。

如今，微納機(jī)器人發(fā)展日新月異，無“微”不至。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有最廣泛的應(yīng)用前景，如靶向藥物傳送與釋放、疾病診斷與治療等;在軍事方面也有著舉足輕重的地位;在納米加工、高端制造和環(huán)境監(jiān)測之中的應(yīng)用也不容小覷。隨著人工智能、云計(jì)算、5G等新技術(shù)的不斷賦能，其產(chǎn)品迭代將加速，未知應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈煌诰颍粋€(gè)個(gè)新的課題研究方向也將不斷形成。

微電子、微光學(xué)、微機(jī)械……在這個(gè)對精密與精準(zhǔn)要求越來越高的時(shí)代，微納機(jī)器人擁有不可被定義與限制的未來。目前，中國、日本、美國以及歐洲等全球主要國家和地區(qū)都高度重視微納機(jī)器人的發(fā)展，爭相布局，力圖以此作為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新突破。孫立寧深感任重道遠(yuǎn)。

步履不停，創(chuàng)新不止。孫立寧正帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)抓住“微”時(shí)代的發(fā)展機(jī)遇，為“神奇”的微納機(jī)器人創(chuàng)造更多的“奇跡”。

簡介

孫立寧，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所教授、機(jī)器人與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任;蘇州大學(xué)特聘教授、機(jī)電工程學(xué)院院長、博士生導(dǎo)師。長期從事微納機(jī)器人前沿研究，主持973、863、國家自然科學(xué)基金、國防基金等項(xiàng)目20余項(xiàng)，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)、驅(qū)動與控制、作業(yè)機(jī)理與方法、系統(tǒng)集成等方面取得重要成果，并在神光Ⅲ等重大工程及微納制造、生命科學(xué)及國防等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

先后榮獲國家杰青、長江學(xué)者特聘教授、萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才等稱號，并擔(dān)任中國微米納米學(xué)會微納機(jī)器人分會理事長，中國醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會醫(yī)用機(jī)器人分會理事長，中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會副會長，中國自動化學(xué)會機(jī)器人委員會副主任，國家863計(jì)劃微納制造領(lǐng)域?qū)＜?，MEMS重大專項(xiàng)總體組組長。獲國家技術(shù)發(fā)明/科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)、省部級獎勵(lì)8項(xiàng)，發(fā)表論文300余篇，發(fā)明專利80項(xiàng)，出版專著5部。組建了一支具國際競爭力的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，為機(jī)器人相關(guān)學(xué)科的創(chuàng)建與發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。